JP7371334B2 - 重合性化合物、光架橋性重合体、絶縁膜、及び有機トランジスタデバイス - Google Patents
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Landscapes
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Description
がなく、例えば、ペルフルオロメトキシ基、ペルフルオロプロポキシ基、ペルフルオロブ
トキシ基、1H,1H-ペンタフルオロプロポキシ基、1H,1H,2H,2H-ペンタ
フルオロブトキシ基、1H,1H-ヘプタフルオロブトキシ基、4,4,4-トリフルオ
ロブトキシ基等が挙げられる。
メチル-n-プロピルアミノ基等が挙げられる。
<NMR>
JNM-ECZ400S FT-NMR(日本電子(株)製)を用いて重合体の重水素化クロロホルム溶剤を用いて測定した。なお、ベンゾピラン基の含有量Xは1H-NMRを用いて下記の式により算出した
X=(3I2-aI1)/{(5-a)I1+2I2}
(ここで、I1はδ0.8~2.5ppmおけるピーク強度を、I2はδ6.0~8.5ppmおけるピーク強度を、aは式(2)においてフェニル基に結合している水素の数を表す。)
<重合体の溶解性>
テスト溶剤をトルエン、キシレン、メシチレン、及びテトラリンとし、これらの有機溶剤の何れかに溶解した場合に「溶解」、何れの溶剤にも溶解しない場合には「不溶」と評価した。
<濾過性>
重合体を濃度5wt%となるようにテスト溶剤に溶解させて得られた溶液2MLをポアサイズ0.22μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過した際、濾過圧力の上昇、及び目詰まりがない場合に「良好」、それ以外の場合を「不良」と評価した。
<スピンコート>
ミカサ株式会社製MS―A100を用いた。
<膜厚測定>
ブルカー社製Dektak XT スタイラスプロファイラーを用いて測定した。
<UV照射>
(株)ジーエス・ユアサ コーポレーション製UV-System、CSN-40A-2を用い、UV強度4.0kW/cm2の条件で、搬送速度を変えてUV照射時間を調整した。
<真空蒸着>
アルバック機工社製 小型真空蒸着装置VTR-350M/ERHを用いた。
<残膜率>
洗浄、乾燥した30×30mm2のガラス(コーニング社製Eagle XG)上に、スピンコータ―を用いて重合体の溶液を乾燥後の膜厚が500nmとなるようにスピンコート製膜し、十分に乾燥させた。この絶縁膜に300mJ/cm2の紫外線を照射して絶縁膜を光架橋した。この膜の厚みをブルカー社製Dektak XT スタイラスプロファイラーにより測定し、T0とした。次に、この光架橋した絶縁膜がコーティングされたガラス板をトルエンに1分浸漬後、取り出して常温でトルエンを揮発させ、その膜厚を測定しT1とした。これらの膜厚測定値を用いて、残膜率を下記の式により算出した
残膜率=T1/T0×100(%)
残膜率が低い程、光架橋が不十分で耐溶剤性に劣ることを示し、残膜率が0%の場合には膜が完全溶解したことを示す。
<有機トランジスタ素子の評価>
有機電界効果トランジスタの一形態であるボトムゲート・ボトムコンタクト(BGBC)型素子を作製し、ケースレイ社製半導体パラメータアナライザーSCS4200を用い、ソース・ドレイン間電圧をマイナス60ボルトとして、ゲート電圧を変化させることにより、移動度、閾値電圧、漏洩電流を評価した。
窒素導入管を備えた100MLの2口フラスコに撹拌子を入れ、7-ヒドロキシ-4-オキソ-ベンゾピラン5g、脱水ピリジン4.9g、4DAP0.8gを仕込んだ。次に、脱水THF50MLを仕込んで、室温で撹拌し、均一溶液を得た。得られた溶液を氷冷した後、注射器を用いて塩化メタクリロイル6.0MLをゆっくり添加した。添加後、氷冷下で1時間、室温で2時間反応させた。反応後、溶剤、ピリジン、及び塩化メタクリロイルを減圧留去し、塩化メチレン50ML及び水50MLを加えた。この液を分液ロートに移し、塩化メチレン層を分離した。この塩化メチレン層を濃塩酸5MLを加えた水100MLで3回洗浄し、更に飽和炭酸水素ナトリウム水溶液100MLで3回洗浄した。更に、飽和食塩水100MLで3回洗浄した。洗浄した塩化メチレン層を濃縮・乾固させて固体4.9gを得た。得られた固体をエタノールにより再結晶して目的とする7-メタクリロイルオキシ-4-オキソ-ベンゾピラン(7MOB)3.8gを得た
1H-NMR(400MHz、CDCl3):δ8.23(d,-O-CH=CH-,1H),δ7.86(d,芳香族,1H),δ7.31(d,芳香族,1H),δ7.19(dd,芳香族,1H),δ6.39(d,-O-CH=CH,1H),δ6.33(s,t,CH2=C<,1H),δ5.98(t,CH2=C<,1H),δ2.07(s,-CH3,1H)
13C-NMR(400MHz、CDCl3):δ(ppm)176.61(-C(O)-CH=CH-O-),164.70(-OC(O)-C(CH3)=),156.74(芳香族),155.33(芳香族),154.65(芳香族),135.02(CH2=CH<),128.21(芳香族),126.93(CH2=C<),122.38(芳香族),119.38(芳香族),112.86(芳香族),110.95(芳香族),18.08(CH2=C(CH3)-)。
<7-メチル-4-オキソ-ベンゾピラン(7MeOB)の合成>
撹拌子を入れた1Lのビーカーに2’-ヒドロキシ-4’-メチルアセトフェノン(東京化成、試薬)25g、トリエチルオルトフォルメート(東京化成、試薬)142.5gを入れ、均一に混合した後、27.9gの過塩素酸(東京化成、試薬)を分割して添加し、撹拌下で2時間20分反応させた。その後、反応溶液に撹拌下で無水ジエチルエーテル(東京化成、試薬)500MLを注ぎ入れ、反応物を沈殿させた。沈殿物を濾過し、ジエチルエーテルで3回洗浄後、得られた緑色固体を1000mLのビーカーに移し、水500MLを添加して95℃で2時間半反応させた。得られた赤紫色の反応溶液を冷却し、室温で一昼夜静置した。反応溶液に200MLのジクロロメタンを加えて、十分に撹拌した後、分液ロートに移し、ジクロロメタン層を分離した。水層にジクロロメタンを加えて抽出操作を2回行い、上述のジクロロメタン層に加えた上で、エバポレーターにより濃縮、乾固させて濃赤茶色の固体を得た。この固体を、ヘキサンを用いて2回再結晶精製し、13gの7MeOBを得た
1H-NMR(CDCl3,400MHz)δ8.08(d,1H,-CH=CH-),δ7.81(d,1H,芳香族),δ7.24(s,1H,芳香族),δ7.21(d,1H,芳香族),δ6.30(d,1H,-CH=CH-), δ2.48(s,3H,-CH3)。
窒素ボックス中で、500MLのシュレンク管に7MeOB11.8g、N-ブロモスクシンイミド22.8g、アゾビスイソブチルニトリル(AIBN)0.15g、脱水した四塩化炭素350MLを仕込んだ。窒素気流下で攪拌し、内容物を溶解させた上で加熱し、還流下で4時間反応させた。反応後、氷冷して濾過し、濾液を濃縮し、真空ポンプで残存溶剤を取り除き乾固させた。得られた固体をヘキサンで再結晶し、4.3gの7BMOBを得た
1H-NMR(CDCl3,400MHz)δ8.18(d,1H,-CH=CH-),δ7.49(d,1H,芳香族),δ7.86(d,1H,芳香族),δ7.42(d,1H,芳香族),δ6.34(d,1H,-CH=CH-),δ4.54(s,2H,-CH3Br)。
300MLの反応器に炭酸水素ナトリウム29g、ジメチルスルホキシド230MLを仕込み、攪拌下、100℃に加熱した。この中に、7BMOB4.5gを分割添加し、添加後、1時間反応後、反応液を氷1kgを入れたビーカーに注いで生成物を沈殿させた。このスラリーに塩化メチレンを加え、分液ロートで有機層を分離した。有機層を飽和食塩水で洗浄した後、エバポレータで濃縮、乾固させた。得られた固体を酢酸エチルを移動相としたシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより分離し、1.7gの7FOBを得た。
50MLのシュレンク管に0.92gのメチルトリフェニルホスフィニウムブロミド、10gのTHFを仕込んだ後、カリウム-t-ブトキサイド0.29gを14gのTHFに溶解させた溶液を仕込んだ。窒素シールした状態で攪拌下、室温で4時間反応させた後、7FOB0.3gを10gのTHFに部分溶解させたスラリーを5分間かけて、ゆっくりと添加した。添加終了後、室温で19時間反応させた。反応溶液を希塩酸水溶液に注ぎ、更にクロロホルム100MLを添加し、十分に攪拌した後、分液ロートに移してクロロホルム層を分離した。残った水層をクロロホルムで3回抽出し、全てのクロロホルム溶液を合わせてエバポレータにより濃縮し、赤褐色のオイル状物を得た。酢酸エチルを移動相としたシリカゲルカラムクロマトグラフィにより上記オイル状物を分離して、黄色結晶として0・06gの7-ビニル-4-オキソ-ベンゾピラン(7VOB)を得た。
窒素下で、100MLのシュレンク管に7-ヒドロキシ-4-オキソ-ベンゾピラン5.0g、4-ジメチルアミノピリジン0.15g、N-メチルピロリドン50gを仕込み、攪拌下で固形物を溶解させた後、氷冷した。次に、フマリルクロリド1.9gをゆっくりと滴下し、滴下完了後、氷冷下で30分反応させた。更に室温で1.5時間反応させた後、反応物を水300mLに注ぎ、沈殿物を濾過し黒茶色の固体を得た。本固体をエタノール中に添加し攪拌下で30分間洗浄し、濾過した。得られた茶色の固体をエタノールとN-メチルピロリドンの混合溶剤を用いて再結晶し、薄茶色の針状結晶としてビス(7-(4-オキソ-ベンゾピラニル))フマレート0.8gを得た。得られたBOBFの1H-NMRチャートを図2に示す。
スチレン2g、7MOB0.78g、DMF14g、及びAIBN39mgを20MLシュレンク管に仕込み、十分に脱気した後、窒素シール下、65℃で6時間重合した。得られた重合体溶液を撹拌下で300mLのメタノールに注いで重合体を沈殿させ、濾過により単離した後、減圧乾燥して0.4gの重合体1を得た。得られた重合体1は28モル%の4-オキソ-ベンゾピラン単位(式(1))及び72モル%のスチレン単量体単位(式(3))を含有していた。得られた重合体1の1H-NMRチャートを図3に示す。
洗浄、乾燥した30×30mm2のガラス(基材)(コーニング社製Eagle XG)にアルミニウムを真空蒸着し、厚み50nmのゲート電極を形成した。電極が形成された基材の上に、得られた重合体1のトルエン溶液(5wt%)を500rpm×5秒、1000rpm×20秒の条件でスピンコートし、100℃で10分間乾燥した後(絶縁膜の形成)、紫外線強度4kW/cm2の光源を用い、室温で紫外線を5.4秒照射して紫外線照射量300mJ/cm2の条件で架橋し、膜厚500nmの高分子誘電体層を形成した。ゲート電極及び高分子誘電体層が形成された基材上に金を真空蒸着して厚み50nm、チャンネル長100μm、電極幅500μmのソース電極、及びドレイン電極を形成した。その後、直ちにペンタフルオロベンゼンチオール30mmolのイソプロパノール溶液に浸漬し、5分間経過した時点で取り出し、イソプロパノールで洗浄後、ブロー乾燥した。その後、有機半導体(ジ-n-ヘキシルジチエノベンゾジチオフェン)の0.8wt%トルエン溶液60nLをディスペンサにより印刷した。溶剤を揮発させ50℃で1時間乾燥した後、ボトムゲート・ボトムコンタクト(BGBC)型の有機トランジスタデバイスを作製した。作製した有機電界効果トランジスタデバイスの構成、評価結果等を表1に示す。
25mLのシュレンク管に、実施例1で得られたBOBF0.3g、アゾイソブチロニトリル(AIBN)0.012g、スチレン0.7g、N-メチルピロリドン7.5gを仕込み、液体窒素による凍結脱気と溶解を4回繰り返した後、窒素加圧下、73℃で6時間重合した。重合完了後、反応溶液を100mLのメタノールに注いでポリマーを沈殿させ、濾過、メタノール洗浄を行った後、50℃で乾燥し、淡茶色の重合体2を0.5g得た。得られた重合体4は4モル%のBOBF由来の繰り返し単位(式(2))と、96モル%のスチレン単位(式(3))を有していた。得られた重合体2の1H-NMRチャートを図4に示す。
重合体1を重合体2に変えた以外は、実施例2と同様の手法で有機トランジスタ素子を作成し、評価した結果等を表1に合わせて示す。
7MOB0.35g、THF14g、及びAIBN17.5mgを20MLシュレンク管に仕込み、十分に脱気した後、窒素ボックス内でPFS1.65gを仕込んだ。再度、十分に窒素置換を行った後、窒素シール下、60℃で6時間重合した。得られた重合体溶液を撹拌下で300mLのメタノールに注いで重合体を沈殿させ、濾過により単離した後、減圧乾燥して0.4gの重合体3を得た。得られた重合体3は16モル%の4-オキソ-ベンゾピラン単位(式(1))及び84モル%の2,3,4,5,6-ペンタフルオロスチレンスチレン(PFS)単量体単位(式(3))を含有していた。得られた重合体3の1H-NMRチャートを図5に示す。
重合体1を重合体3に変えた以外は、実施例2と同様の手法で有機トランジスタ素子を作製し、評価した結果等を表1に示す。
スチレン1.0g、7MOB0.78g、THF18g、及びAIBN39mgを20MLシュレンク管に仕込み、十分に脱気した後、窒素ボックス内でPFS1.86gを仕込んだ。再度、十分に窒素置換を行った後、窒素シール下、60℃で6時間重合した。得られた重合体溶液を撹拌下で300mLのメタノールに注いで重合体を沈殿させ、濾過により単離した。濾過した重合体を塩化メチレン10MLに溶解させ、撹拌下でメタノール300MLに注いで沈殿させ、沈殿物を濾過、減圧乾燥して0.5gの重合体4を得た。得られた重合体4は21モル%の4-オキソ-ベンゾピラン単位(式(1))、42モル
%の2,3,4,5,6-ペンタフルオロスチレン単量体単位(式(3))、及び37モ
ル%のスチレン単量体単位(式(3))(式(2)は合わせて79モル%)を含有していた。
重合体1を重合体4に変えた以外は、実施例2と同様の手法で有機トランジスタ素子を作製し、評価した結果を表1に示す。
20MLのシュレンク管に参考例2に示した方法により合成した7VOB0.232g、スチレン0.708g、AIBN14mg、ジメチルホルムアミド5gを仕込み、窒素置換を行った後、窒素加圧下で60℃で6時間重合した。得られた重合体溶液を撹拌下で300mLのメタノールに注いで重合体を沈殿させ、濾過により単離した。得られた重合体を塩化メチレン10MLに溶解させ、撹拌下でメタノール300MLに注いで再沈殿後、沈殿物を濾過、減圧乾燥して0.6gの重合体5を得た。得られた重合体5は、35モル%の4-オキソ-ベンゾピラン単位(式(1))及び37モル%のスチレン単量体単位(式(3))を含有していた。
重合体1を重合体5に変えた以外は、実施例2と同様の手法で有機トランジスタ素子を作製し、評価した結果を表1に示す。
重合体1をFCE重合体(サイトップ、AGC旭硝子(株)製)に変えた以外は実施例2と同様の手法により溶解性、UV架橋性、耐溶剤性を評価した。FCE重合体は何れのテスト溶剤にも溶解せず、汎用溶剤による製膜は出来なかった。また、フッ素系溶剤PFTBAに溶解させてUV照射をおこなったが架橋せず、本溶剤に対する残膜率は0であった。そこで、FCE重合体層へのUV照射を省略し、実施例2と同様の方法で有機トランジスタデバイスを作製した。ゲート電極、FCE重合体層、ソース及びドレインを形成した基板上に有機半導体(ジ-n-ヘキシルジチエノベンゾジチオフェン)の0.8wt%トルエン溶液60nLをディスペンサにより印刷したが、溶液がはじかれ均一な有機半導体の結晶膜が形成されず、有機トランジスタデバイスは動作しなかった。評価結果等を表1に合わせて示す。
重合体1をポリスチレン(PS)(アルドリッチ製試薬)に変えた以外は実施例2と同様の手法により溶解性、UV架橋性、耐溶剤性を評価した。PSはUV照射により架橋せず、テスト溶剤に対する残膜率は0であった。
実施例2と同様の方法で、ゲート電極、FCE重合体層、ソース及びドレインを形成した基板上に有機半導体(ジ-n-ヘキシルジチエノベンゾジチオフェン)の0.8wt%トルエン溶液60nLをディスペンサにより印刷したが、本溶液によりPS膜は溶解し、良好な性状の有機半導体膜が形成されず、有機トランジスタデバイスとして動作しなかった。評価結果等を表1に合わせて示す。
重合体1をポリ(2,3,4,5,6-ペンタフルオロスチレン)(PPFS)(アルドリッチ製試薬)に変えた以外は実施例2と同様の手法により溶解性、UV架橋性、耐溶剤性を評価した。PPFSはUV照射により架橋せず、テスト溶剤に対する残膜率は0であった。
実施例2と同様の方法で、ゲート電極、FCE重合体層、ソース及びドレインを形成した基板上に有機半導体(ジ-n-ヘキシルジチエノベンゾジチオフェン)の0.8wt%トルエン溶液60nLをディスペンサにより印刷したが、本溶液によりPPFS膜は溶解し、良好な性状の有機半導体膜が形成されず、有機トランジスタデバイスとして動作しなかった。評価結果等を表1に合わせて示す。
<樹脂の合成>
窒素ボックス内で300mLのシュレンク管にポリスチレン(アルドリッチ製試薬)5.0g、脱水した塩化メチレン150mL、無水塩化アルミニウム3.9gを仕込み、室温、撹拌下で溶解させた。上部に3方コックを取り付け、下部を密閉した30mLの滴下ロートに桂皮酸クロリド4.0gの塩化メチレン溶液30mlを仕込んだ。上記のシュレンク管と滴下ロートを窒素ボックスから取り出し、窒素シールした状態でシュレンク管と滴下ロートを連結させた。シュレンク管への窒素フローを停止し、滴下ロート上部の3方コックを塩化カルシウム管に連結後、窒素フローを停止した。次に、シュレンク管を氷水で冷却し、滴下ロートから桂皮酸クロリドを10分かけて滴下した。滴下とともに重合体溶液の色は赤紫色に着色した。滴下終了後、氷水浴を除き、室温で28時間反応させた。反応溶液を再度、氷水で冷却した後、35%塩酸水溶液20mlを滴下した。この状態で5時間撹拌後、反応溶液を分液ロートに移し、塩化メチレン層を分離した。この塩化メチレン層を4回繰り返し水洗した。水層は塩化メチレンで3回抽出し、分液した。得られた塩化メチレン層を合わせて1.5Lのメタノールで再沈殿させ、重合体を濾過により単離する操作を2回行った後、50℃で減圧乾燥して5.9gの重合体6を得た。1H-NMRによる分析の結果、得られた重合体6は、スチレン単量体単位(式(3))を85モル%及び光架橋基(カルコン基)単位を15モル%有していることを確認した。
重合体6はテスト溶剤に溶解したが、ゲルを含んでおり0.22μmのフィルターで濾過出来なかった。そこで、濃度を1wt%とした重合体のトルエン溶液を10μm、5μm、3μm、1μm、0.5μm、0.22μmのフィルターで順に重合体溶液を濾過した後、エバポレータで濃縮して重合体濃度を5wt%とした上で、重合体1を重合体6に変えた以外は、実施例2と同様の手法で有機トランジスタ素子を作製し、評価した結果を表1に示す。重合体6は実施例2~6の重合体に比べ、濾過性、及びUV架橋性に劣っていた。
実施例2で得られた重合体1を用い、紫外線を照射しなかった以外は実施例2と同様の手法により溶解性、耐溶剤性を評価した。重合体1はテスト溶剤に溶解し、残膜率は0であった。
実施例2と同様の方法で、ゲート電極、重合体層、ソース及びドレインを形成した基板上に有機半導体(ジ-n-ヘキシルジチエノベンゾジチオフェン)の0.8wt%トルエン溶液60nLをディスペンサにより印刷したが、本溶液により重合体膜が溶解し、良好な性状の有機半導体膜が形成されず、有機トランジスタデバイスとして動作しなかった。評価結果等を表1に合わせて示す。
(B):ボトムゲート-ボトムコンタクト型有機トランジスタ
(C):トップゲート-トップコンタクト型有機トランジスタ
(D):トップゲート-ボトムコンタクト型有機トランジスタ
1:有機半導体層
2:基板
3:ゲート電極
4:ゲート絶縁層
5:ソース電極
6:ドレイン電極
Claims (6)
- 以下の式(1)または式(2)の少なくともいずれかを反復単位として含み、かつ、式(3)で表される反復単位を含む重合体。
- 前記式(1)及び前記式(3)を反復単位として含む重合体、前記式(2)及び前記式(3)を反復単位として含む重合体、前記式(1)、前記式(2)及び前記式(3)を反復単位として含む重合体からなる群の1種である重合体。
- 請求項1または2に記載の重合体に架橋処理を行った重合体。
- 請求項1乃至3の少なくとも一項に記載の重合体を含有する絶縁膜。
- 請求項4に記載の絶縁膜を含む有機トランジスタデバイス。
- 以下の式(4)で表される重合性化合物。
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Title |
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KWANG-DUK Ahn et al.,New Antireflective Coating Materials Containing a Novel Chromophore for KrF Laser Lithography,Journal of Photopolymer Science and Technology,日本,THE SOCIETY OF PHOTOPOLYMER SCIENCE AND TECHNOLOGY,2001年,Volume 14 Issue 3,p. 475-480,<DOI:org/10.2494/photopolymer.14.475>, 特に p. 477 Fig. 1., 2.4.-2.5. |
THIRUPATHI Gogula et al.,Synthesis of Diverse Oxa‐Carbocycle‐Annulated Flavones Using the Combined Claisen Rearrangement and Ring‐Closing Metathesis,Helvetica Chimica Acta,2016年,vol. 99,p. 547-557,<DOI:10.1002/hlca.201600028>, 特に Scheme 1 の2a, 2b, Scheme 6 の20a, 20b |
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