JP2005021889A - Molecular thin film, functional organic thin film and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 より多くの材料に適用可能であり、かつ、薄膜の特性を決める要因である有機材料の化学構造と、膜の高次構造、例えば分子の結晶性、すなわち配向性とが両立した有機薄膜の形成、ひいては、膜を形成する分子の主骨格部を電気的、光学的、電気光学的等の機能性を任意にもたせることができる機能性有機薄膜を簡便な方法で製造することができる機能性有機薄膜の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 基体1の表面に、第1の官能基R1が周期的に突出した分子薄膜3を形成させる第1の工程と、有機化合物4の第2の官能基R2を、分子薄膜3の第1の官能基R1と反応させて、分子薄膜上に有機化合物が結合して周期的に配列してなる有機薄膜5を形成させる第2の工程とを含む機能性有機薄膜の製造方法を提供する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: An organic material that can be applied to more materials and has both a chemical structure of an organic material, which is a factor determining the characteristics of a thin film, and a higher order structure of the film, for example, crystallinity of molecules, that is, orientation. It is possible to produce a functional organic thin film by a simple method that can give the main skeleton part of the film forming film, and optionally the electrical, optical, electro-optical and other functionalities. It aims at providing the manufacturing method of a functional organic thin film.
SOLUTION: A first step of forming a molecular thin film 3 in which a first functional group R1 protrudes periodically on a surface of a substrate 1 and a second functional group R2 of an organic compound 4 are formed on the surface of the molecular thin film 3. Provided is a method for producing a functional organic thin film, which includes a second step of forming an organic thin film 5 in which an organic compound is bonded and periodically arranged on a molecular thin film by reacting with the first functional group R1. To do.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、分子薄膜、機能性薄膜及びその製造方法に関し、より詳細には、周期的構造を有する分子薄膜上に有機化合物を結合させてなる機能性薄膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a molecular thin film, a functional thin film, and a method for producing the same, and more particularly to a method for producing a functional thin film obtained by bonding an organic compound on a molecular thin film having a periodic structure.
近年、無機材料を用いた半導体に対し、加工しやすく、デバイスの大型化にも対応でき、かつ量産によるコスト低下が見込め、多様な機能が期待できる等の利点を示す有機化合物を薄膜化し、有機光電変換素子、有機発光素子、絶縁膜、レジスト膜、非線形光学素子等の半導体デバイス等へ応用しようとする試みが盛んになされている。 In recent years, it has become easier to process semiconductors using inorganic materials, can handle larger devices, can be expected to reduce costs due to mass production, and can be expected to have various functions. Attempts have been made to apply to semiconductor devices such as photoelectric conversion elements, organic light emitting elements, insulating films, resist films, and nonlinear optical elements.
なかでも、π電子共役系分子を含有する有機化合物を利用することにより、大きな移動度を有するTFTを作製できることが知られている。この有機化合物としては、代表例としてペンタセンが報告されている(例えば、IEEE Electron Device
Lett、1997年、18巻、606−608頁)。ここでは、ペンタセンを用いて有機半導体層を作製し、この有機半導体層でTFTを形成すると、電界効果移動度が1.5cm2/Vsとなり、アモルファスシリコンよりも大きな移動度を有するTFTを構築することが可能であるとの報告がなされている。
In particular, it is known that a TFT having a large mobility can be manufactured by using an organic compound containing a π-electron conjugated molecule. As this organic compound, pentacene has been reported as a representative example (for example, IEEE Electron Device).
Lett, 1997, 18, 606-608). Here, when an organic semiconductor layer is formed using pentacene and a TFT is formed using this organic semiconductor layer, a field effect mobility is 1.5 cm 2 / Vs, and a TFT having a mobility higher than that of amorphous silicon is constructed. It has been reported that this is possible.
しかし、上記に示すようなアモルファスシリコンよりも高い電界効果移動度を得るための有機化合物半導体層を作製する場合、抵抗加熱蒸着法や分子線蒸着法などの真空プロセスを必要とするため、製造工程が煩雑となるとともに、ある特定の条件下でしか結晶性を有する膜が得られない。また、基板上への有機化合物膜の吸着が物理吸着であるため、膜の基板への吸着強度が低く、容易に剥がれるという問題がある。更に、膜中での有機化合物の分子の配向をある程度制御するために、通常、あらかじめ膜を形成する基板にラビング処理等による配向制御が行われているが、物理吸着による成膜では、物理吸着した有機化合物と基板との界面での化合物の分子の整合性や配向性を制御できるとの報告は未だなされていない。 However, when producing an organic compound semiconductor layer for obtaining a field effect mobility higher than that of amorphous silicon as shown above, a vacuum process such as resistance heating vapor deposition or molecular beam vapor deposition is required. Becomes complicated, and a film having crystallinity can be obtained only under certain specific conditions. Further, since the adsorption of the organic compound film on the substrate is physical adsorption, there is a problem that the adsorption strength of the film to the substrate is low and the film is easily peeled off. Furthermore, in order to control the molecular orientation of the organic compound in the film to some extent, the orientation control by rubbing or the like is usually performed in advance on the substrate on which the film is formed. It has not yet been reported that the molecular alignment and orientation of the compound at the interface between the organic compound and the substrate can be controlled.
一方、このTFTの特性の代表的な指針となる電界効果移動度に大きな影響を及ぼす膜の規則性、結晶性については、近年、有機化合物を用いた自己組織化膜がその製造が簡便なことから着目され、その膜を利用する研究がなされている。 On the other hand, regarding the regularity and crystallinity of the film that has a great influence on the field-effect mobility, which is a typical guideline for the characteristics of this TFT, in recent years, self-assembled films using organic compounds have been easy to manufacture. Research has been made on the use of the membrane.
自己組織化膜とは、有機化合物の一部を、基板表面の官能基と結合させたものであり、きわめて欠陥が少なく、高い秩序性すなわち結晶性を有した膜である。この自己組織化膜は、製造方法がきわめて簡便であるため、基板への成膜を容易に行うことができる。通常、自己組織化膜として、金基板上に形成されたチオール膜や、親水化処理により表面に水酸基を突出可能な基板(例えば、シリコン基板)上に形成されたケイ素系化合物膜が知られている。なかでも、耐久性が高い点で、ケイ素系化合物膜が注目されている。ケイ素系化合物膜は、従来から撥水コーティングとして使用されており、撥水効果の高いアルキル基や、フッ化アルキル基を有機官能基として有するシランカップリング剤を用いて成膜されていた。 A self-assembled film is a film in which a part of an organic compound is bonded to a functional group on a substrate surface, has very few defects, and has high order, that is, crystallinity. Since this self-assembled film has a very simple manufacturing method, it can be easily formed on a substrate. Usually, as a self-assembled film, a thiol film formed on a gold substrate and a silicon-based compound film formed on a substrate (for example, a silicon substrate) capable of protruding a hydroxyl group on the surface by a hydrophilization treatment are known. Yes. Of these, silicon compound films are attracting attention because of their high durability. The silicon-based compound film has been conventionally used as a water-repellent coating, and has been formed using a silane coupling agent having an alkyl group having a high water-repellent effect or a fluorinated alkyl group as an organic functional group.
しかし、自己組織化膜の導電性は、膜に含まれるケイ素系化合物中の有機官能基によって決定されるが、市販のシランカップリング剤には、有機官能基にπ電子共役系分子が含まれる化合物はなく、そのため自己組織化膜に導電性を付与することが困難である。したがって、TFTのようなデバイスに適した、π電子共役系分子が有機官能基として含まれるケイ素系化合物が求められている。 However, the conductivity of the self-assembled film is determined by the organic functional group in the silicon-based compound contained in the film, but commercially available silane coupling agents contain π-electron conjugated molecules in the organic functional group. There are no compounds, so it is difficult to impart conductivity to the self-assembled film. Accordingly, there is a need for a silicon-based compound suitable for devices such as TFTs and containing a π-electron conjugated molecule as an organic functional group.
このようなケイ素系化合物として、分子の末端に官能基としてチオフェン環を1つ有し、チオフェン環が直鎖炭化水素基を介してケイ素原子と結合した化合物が提案されている(例えば、特許第2889768号公報:特許文献1)。更に、ポリアセチレン膜として、化学吸着法により、基板上に−Si−O−ネットワークを形成して、アセチレン基の部分を重合させるものが提案されている(例えば、特公平6−27140号公報:特許文献2)。また更に、有機材料として、チオフェン環の2、5位に直鎖炭化水素基がそれぞれ結合し、直鎖炭化水素の末端とシラノール基とが結合したケイ素化合物を用い、これを基板上に自己組織化させ、更に電界重合等により分子同士を重合させて導電性薄膜を形成し、この導電性薄膜を半導体層として使用した有機デバイスが提案されている(例えば、特許第2507153号公報:特許文献3)。更にまた、ポリチオフェンに含まれるチオフェン環にシラノール基を有するケイ素化合物を主成分とした半導体薄膜を利用した電界効果トランジスタが提案されている(例えば、特許第2725587号公報:特許文献4)。 As such a silicon compound, a compound having one thiophene ring as a functional group at the end of a molecule and a thiophene ring bonded to a silicon atom via a linear hydrocarbon group has been proposed (for example, Patent No. 1). No. 2889768: Patent Document 1). Furthermore, as a polyacetylene film, a film in which an —Si—O— network is formed on a substrate by a chemical adsorption method to polymerize a portion of an acetylene group has been proposed (for example, Japanese Patent Publication No. 6-27140: Patent). Reference 2). Further, as the organic material, a silicon compound in which a linear hydrocarbon group is bonded to the 2nd and 5th positions of the thiophene ring and the end of the linear hydrocarbon is bonded to the silanol group is used. In addition, an organic device has been proposed in which molecules are polymerized by electric field polymerization or the like to form a conductive thin film, and the conductive thin film is used as a semiconductor layer (for example, Japanese Patent No. 2507153: Patent Document 3). ). Furthermore, a field effect transistor using a semiconductor thin film whose main component is a silicon compound having a silanol group in a thiophene ring contained in polythiophene has been proposed (for example, Japanese Patent No. 2725587: Patent Document 4).
しかしながら、上記に提案されている化合物は、基板との化学吸着可能な自己組織化膜は作製可能であるが、TFTなどの電子デバイスに使用できる高い秩序性、結晶性、電気伝導特性を有する膜を必ずしも作製できなかった。更に、上記に提案されている化合物を有機TFTの半導体層に使用した場合、オフ電流が大きくなる問題点を有していた。これは、提案されている化合物が、いずれも分子の方向及び分子に垂直な方向に結合を有するためであると考えられる。 However, although the compounds proposed above can produce a self-assembled film that can be chemically adsorbed to a substrate, the film has high orderability, crystallinity, and electrical conductivity characteristics that can be used in electronic devices such as TFTs. Could not always be produced. Furthermore, when the compound proposed above is used for the semiconductor layer of the organic TFT, there is a problem that the off-current becomes large. This is thought to be because all of the proposed compounds have bonds in the direction of the molecule and in the direction perpendicular to the molecule.
高い秩序性、すなわち、高い結晶性を得るためには、分子間に高い引力相互作用が働く必要がある。分子間力とは、引力項と反発項により構成されており、前者は分子間距離の6乗に、後者は分子間距離の12乗に反比例する。したがって、引力項と反発項を足し合わせた分子間力は図3に示す関係を有する。ここで、図3での極小点(図中の矢印部分)が、引力項と反発項との兼ね合いから最も分子間に高い引力が作用するときの分子間距離である。すなわち、より高い結晶性を得るためには、分子間距離を極小点にできる限り近づけることが重要である。したがって、本来、抵抗加熱蒸着法や分子線蒸着法等の真空プロセスにおいては、ある特定の条件下においてのみ、π電子共役系分子同士の分子間相互作用をうまく制御することで、高い秩序性、すなわち結晶性が得られている。このように分子間相互作用により構築される結晶性でのみ、高い電気伝導特性を発現することが可能となる。 In order to obtain high order, that is, high crystallinity, a high attractive interaction must be exerted between molecules. The intermolecular force is composed of an attractive term and a repulsion term, the former being inversely proportional to the sixth power of the intermolecular distance and the latter being inversely proportional to the twelfth power of the intermolecular distance. Therefore, the intermolecular force obtained by adding the attractive force term and the repulsive term has the relationship shown in FIG. Here, the minimum point (arrow part in the figure) in FIG. 3 is the intermolecular distance when the highest attractive force acts between molecules due to the balance between the attractive term and the repulsive term. That is, in order to obtain higher crystallinity, it is important to make the intermolecular distance as close as possible to the minimum point. Therefore, originally, in vacuum processes such as resistance heating vapor deposition and molecular beam vapor deposition, high orderliness is achieved by controlling the intermolecular interaction between π-electron conjugated molecules only under certain conditions. That is, crystallinity is obtained. Thus, it becomes possible to express high electrical conduction characteristics only with the crystallinity constructed by the intermolecular interaction.
一方、上記化合物は、Si−O−Siの2次元ネットワークを形成することで基板と化学吸着し、かつ、特定の長鎖アルキル同士の分子間相互作用による秩序性が得られる可能性はあるが、官能基である1つのチオフェン分子がπ電子共役系に寄与するのみであるため、分子間の相互作用が弱く、また電気伝導性に不可欠なπ電子共役系の広がりが非常に小さいという問題があった。仮に、上記官能基であるチオフェン分子の分子数を増やすことができたとしても、膜の秩序性を形成する因子が、長鎖アルキル部とチオフェン部との間で、分子間相互作用を整合一致させることは困難である。 On the other hand, the above compound may be chemically adsorbed to the substrate by forming a two-dimensional network of Si-O-Si, and there is a possibility that ordering due to intermolecular interaction between specific long-chain alkyls may be obtained. However, since one thiophene molecule as a functional group only contributes to the π-electron conjugated system, there is a problem that the interaction between molecules is weak and the spread of the π-electron conjugated system essential for electrical conductivity is very small. there were. Even if the number of thiophene molecules, which are the above functional groups, can be increased, the factor that forms the order of the film matches the intermolecular interaction between the long-chain alkyl part and the thiophene part. It is difficult to make it.
更に、電気伝導特性としては、官能基である1つのチオフェン分子では、HOMO−LUMOエネルギーギャップが大きく、有機半導体層としてTFT等に使用しても、十分なキャリア移動度が得られないという課題が存在していた。 Furthermore, as an electrical conduction characteristic, a single thiophene molecule that is a functional group has a large HOMO-LUMO energy gap, and there is a problem that sufficient carrier mobility cannot be obtained even when used as an organic semiconductor layer in a TFT or the like. Existed.
一方、有機材料を用いて、結晶性を有する薄膜を形成する方法としては、例えば真空蒸着法が挙げられるが、真空蒸着法では真空中での加熱が必要となるため、熱分解を起こす有機化合物を使用することはできない。 On the other hand, as a method for forming a thin film having crystallinity using an organic material, for example, a vacuum vapor deposition method can be mentioned. However, since the vacuum vapor deposition method requires heating in a vacuum, an organic compound that causes thermal decomposition. Can not be used.
有機材料を用いて、結晶性を有する薄膜を形成する他の方法としては、LB法、キャスト法、シランカップリング剤を用いて化学吸着させる方法等がある。
ここで、上記各種方法について簡単に説明すると、キャスト法とは、分子性結晶を有する材料の溶液を基板に塗布した後、溶媒を蒸発させて乾燥し、結晶性を有する薄膜を得る方法である。
LB法とは、親水基、疎水基を分子内にもつ有機分子を水面上に展開し、配向した膜(LB膜)を基板上にすくい取る方法である。
As other methods for forming a crystalline thin film using an organic material, there are an LB method, a casting method, a chemical adsorption method using a silane coupling agent, and the like.
Here, the above-mentioned various methods will be briefly described. The casting method is a method for obtaining a thin film having crystallinity by applying a solution of a material having molecular crystals to a substrate and then evaporating the solvent to dry. .
The LB method is a method in which organic molecules having a hydrophilic group and a hydrophobic group in the molecule are developed on the water surface, and an oriented film (LB film) is scooped on the substrate.
シランカップリング剤を用いて化学吸着させる方法は、例えば、親水処理された基板表面の水酸基とシランカップリング剤を構成する分子末端基との加水分解による化学吸着により結晶性を有する薄膜を得る方法であり、主骨格を形成するアルキル鎖(もしくはフルオロアルキル鎖)同士の分子間相互作用(ファンデルワールス力)によるパッキングと、ケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成されるネットワークの形成により結晶性の高い膜が得られる。この手法は、材料分子同士の分子間相互作用を有効的に利用することによって自動的に配向が可能となる、いわゆる自己組織化を用いた方法である。その例として、化学吸着法によって帯電防止膜を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献5参照)。この方法は、シロキサン系単分子膜を介して導電性の化学吸着膜を表面に形成させ、導電性が10-10S/cm以下の基材の表面に10-5S/cm以上の導電性化学吸着膜を形成するものである。 The method of chemically adsorbing using a silane coupling agent is, for example, a method for obtaining a thin film having crystallinity by chemical adsorption by hydrolysis of a hydroxyl group on a hydrophilically treated substrate surface and a molecular end group constituting the silane coupling agent. It is crystallized by packing due to intermolecular interaction (van der Waals force) between alkyl chains (or fluoroalkyl chains) forming the main skeleton and formation of a network in which silicon atoms and oxygen atoms are formed in a network structure. A highly functional film is obtained. This method is a method using so-called self-organization in which orientation can be automatically performed by effectively utilizing the intermolecular interaction between material molecules. As an example, a method of forming an antistatic film by a chemical adsorption method has been proposed (for example, see Patent Document 5). In this method, a conductive chemisorption film is formed on the surface via a siloxane-based monomolecular film, and the conductivity is 10 −5 S / cm or more on the surface of a substrate having a conductivity of 10 −10 S / cm or less. It forms a chemisorbed film.
しかし、上記LB法やシランカップリング剤を用いて化学吸着させる方法ではいずれも、末端に反応部位を有する化合物を用いて、基板に直接形成するのが一般的である。したがって、材料分子に反応前に自己組織化能力を持つ官能基が含まれていることが必要である。しかしながら、有機材料を得る公知の合成技術では、特にπ電子共役系分子として利用できる材料の種類が限定されることが欠点である。これは、シラノール基の反応性が非常に高いことが原因である。
一般にシラノール基の反応性は非常に高く、大気中の水分とも反応を起こすほどである。したがって、例えばアルキル基のようなπ電子共役系分子を含まない有機分子を有機残基として含む有機シラン化合物を合成する場合、一般的にシラノール基との反応部位をあらかじめ活性化した上で、例えばテトラクロロシランのような、反応性の高いシラン化合物と反応させることで有機シラン化合物を作成する手法がとられる。
However, in any of the LB method and the method of chemical adsorption using a silane coupling agent, it is common to form directly on a substrate using a compound having a reactive site at the terminal. Accordingly, it is necessary that the material molecule contains a functional group having a self-organization ability before the reaction. However, the known synthesis technique for obtaining organic materials has a drawback in that the types of materials that can be used as π-electron conjugated molecules are particularly limited. This is due to the very high reactivity of the silanol group.
In general, the reactivity of silanol groups is so high that it reacts with moisture in the atmosphere. Therefore, for example, when synthesizing an organosilane compound containing an organic molecule that does not contain a π-electron conjugated molecule such as an alkyl group as an organic residue, the reaction site with a silanol group is generally activated in advance. A technique is employed in which an organosilane compound is prepared by reacting with a highly reactive silane compound such as tetrachlorosilane.
π電子共役系分子を含む場合、上記の手法により有機シラン化合物を合成すると、目的の反応部位のみにシラノール基を保持させることが困難であり、二箇所以上の反応部位にシラノール基を含む副生成物が多く生成される。これはたとえ反応部位の活性化を行ったとしてもπ電子共役系により反応性が緩和されることが原因である。さらに、シラノール基の反応性が非常に高いために、高温での再結晶や分留といった生成物の分離手法の使用が非常に困難である。
このように、特にπ電子共役系分子を有機残基として含む有機シラン化合物の合成は非常に困難であり、たとえ合成が可能だとしても必要な官能基を有するπ電子共役系分子を含む有機シラン化合物の収率は非常に小さくなると考えられる。したがって、経済性や量産化を考慮すると、あらかじめπ電子共役系分子を含む有機シラン化合物を基板と反応させる手法は最適な製造方法とは言えない。
このような課題から、特にπ電子共役系の材料の合成が困難であるため、より良好な製造方法として自己組織化膜形成段階とπ電子共役系分子の結合過程を分離することが求められる。
When a π-electron conjugated molecule is included, it is difficult to retain a silanol group only in the target reaction site when an organosilane compound is synthesized by the above method, and a by-product containing a silanol group in two or more reaction sites Many things are produced. This is because the reactivity is relaxed by the π-electron conjugated system even if the reaction site is activated. Furthermore, the reactivity of silanol groups is so high that it is very difficult to use product separation techniques such as recrystallization and fractional distillation at high temperatures.
In this way, it is very difficult to synthesize organosilane compounds containing π-electron conjugated molecules as organic residues, and organosilanes containing π-electron conjugated molecules having the necessary functional groups even if they can be synthesized. The compound yield is believed to be very small. Therefore, in consideration of economic efficiency and mass production, a method of reacting an organic silane compound containing a π-electron conjugated molecule with a substrate in advance is not an optimal manufacturing method.
Because of these problems, it is particularly difficult to synthesize π-electron conjugated materials, and as a better manufacturing method, it is required to separate the self-assembled film forming step and the π-electron conjugated molecule bonding process.
このように製造方法が、自己組織化膜形成段階と2層目分子との結合過程の二段階から構成される手法としては、例えば化学吸着単分子塁積膜及びその製造方法として提案されている(例えば、特許文献6参照)。この手法は、例えば水酸基やイミノ基など活性水素基を有するか付与した基板表面に、例えばSiCl4のようなクロロシラン化合物を反応させた後に、フルオロアルキル基を有するクロロシラン系吸着剤を反応させることでなされる単分子累積膜の製造方法である。 Thus, as a method in which the production method is composed of two steps of the self-assembled film formation step and the binding process of the second layer molecule, for example, a chemisorbed monolayer film and a method for producing the same are proposed. (For example, refer to Patent Document 6). In this method, for example, after reacting a chlorosilane compound such as SiCl 4 with a substrate surface having or having an active hydrogen group such as a hydroxyl group or an imino group, a chlorosilane-based adsorbent having a fluoroalkyl group is reacted. This is a method for producing a monomolecular cumulative film.
しかし、上記手法は、基板とシラン化合物との反応部位数の増加を狙った製造方法であり、一層目として作成されるネットワークから突出した官能基が周期的に配列していないことが特徴である。したがって、この手法にて累積膜を形成する場合、二層目としてシラン化合物が必要となり、よって上記の課題の解決にはならない。つまり、高度に自己組織化される膜を形成する製造方法であって、かつ、多くの基板材料に適用可能な有機薄膜の製造方法としては、基板上にあらかじめ作成したネットワークから、二層目用材料との反応部位が周期的に突出していることが必要である。 However, the above method is a production method aimed at increasing the number of reaction sites between the substrate and the silane compound, and is characterized in that the functional groups protruding from the network created as the first layer are not periodically arranged. . Therefore, when a cumulative film is formed by this method, a silane compound is required as the second layer, and thus the above problem cannot be solved. In other words, it is a manufacturing method for forming a highly self-assembled film and an organic thin film manufacturing method applicable to many substrate materials. It is necessary that the reaction site with the material protrudes periodically.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、より多くの基板(下地)材料に適用可能であり、かつ、薄膜の特性を決める要因である有機材料の化学構造と、膜の高次構造、例えば分子の結晶性、すなわち配向性とが両立した有機薄膜の形成、ひいては、膜を形成する分子の主骨格部を電気的、光学的、電気光学的等の機能性を任意にもたせることができる機能性有機薄膜を簡便な方法で製造することができる機能性有機薄膜の製造方法、及びこの製造方法により得られた分子薄膜、機能性有機薄膜を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is applicable to more substrate (underlying) materials, and has a chemical structure of an organic material that is a factor that determines the characteristics of a thin film, and a higher-order structure of the film. For example, it is possible to form an organic thin film in which both the crystallinity of molecules, that is, the orientation, and the main skeleton of the molecules forming the film can have any functionality such as electrical, optical, and electro-optical properties. It is an object to provide a method for producing a functional organic thin film capable of producing a functional organic thin film that can be produced by a simple method, and a molecular thin film and a functional organic thin film obtained by this production method.
かくして本発明によれば、基体の表面に、第1の官能基が周期的に突出した分子薄膜を形成させる第1の工程と、
有機化合物の第2の官能基を、前記分子薄膜の第1の官能基又は第1の官能基を変換した第3の官能基と反応させて、分子薄膜上に有機化合物が結合して周期的に配列してなる有機薄膜を形成させる第2の工程とを含む機能性有機薄膜の製造方法が提供される。ここで、「官能基が周期的に突出した」とは、分子薄膜を構成する分子(ここでは有機シラン化合物)の表面に側鎖として官能基が周期的に配向した状態を意味する。
Thus, according to the present invention, the first step of forming a molecular thin film in which the first functional group protrudes periodically on the surface of the substrate,
The second functional group of the organic compound is reacted with the first functional group of the molecular thin film or the third functional group obtained by converting the first functional group, and the organic compound is bonded onto the molecular thin film to cause periodicity. A method for producing a functional organic thin film is provided, which includes a second step of forming an organic thin film formed by arranging the organic thin film. Here, “the functional group protrudes periodically” means a state in which the functional group is periodically oriented as a side chain on the surface of the molecule constituting the molecular thin film (here, the organosilane compound).
つまり、本発明の機能性有機薄膜の製造方法は、先ず、周期的な反応可能部位を構築する第1の工程において、第1の官能基が周期的に突出した構造の自己組織化機能を有する分子薄膜を、基板の表面に形成し、第2の工程において、分子薄膜の第1の官能基又は第1の官能基を別の置換基に変換した第3の官能基のそれぞれと、有機化合物の第2の官能基を反応させて、分子薄膜上に前記有機化合物の主骨格が周期的に配列してなる機能性有機薄膜を形成する。 That is, the method for producing a functional organic thin film of the present invention has a self-organizing function of a structure in which the first functional group protrudes periodically in the first step of constructing a periodically reactive site. A molecular thin film is formed on the surface of the substrate, and in the second step, each of the first functional group of the molecular thin film or the third functional group obtained by converting the first functional group into another substituent, and an organic compound To form a functional organic thin film in which the main skeleton of the organic compound is periodically arranged on the molecular thin film.
本発明は、別の観点によれば、上述の製造方法にて形成された、基体の表面に同一の第1の官能基が周期的に突出した構造を有する分子薄膜を提供することができ、この分子薄膜を得ることによって、その上層に各種の機能性をもたせた有機薄膜を容易に形成することが可能となる。
また、本発明は、さらに、この分子薄膜上に有機化合物が結合して周期的に配列してなる機能性有機薄膜を提供することができ、各種の機能性が付加された基体を容易に得ることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
According to another aspect, the present invention can provide a molecular thin film formed by the above-described manufacturing method and having a structure in which the same first functional group protrudes periodically on the surface of the substrate. By obtaining this molecular thin film, it is possible to easily form an organic thin film having various functionalities on the upper layer.
Furthermore, the present invention can further provide a functional organic thin film in which organic compounds are bonded and periodically arranged on the molecular thin film, and a substrate with various functionalities can be easily obtained. be able to.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiment.
本発明の機能性有機薄膜の製造方法によれば、分子薄膜の突出した官能基と反応する官能基であれば有機材料(有機化合物)を自由に選択することができるので、目的とする機能に応じた有機材料を選択することにより様々な用途の機能性有機薄膜を容易に得ることができる。また、例えば、分子薄膜の形成材料にシラン化合物を用いることによって、基体上に形成された機能性有機薄膜は、ケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成された分子薄膜のネットワークにしたがって、その上部の有機化合物が周期的に配列するため、高度に結晶化した自己組織化単分子膜を構築することが可能である。また、例えば、π電子共役系分子を含む有機材料を用いれば、基板表面に対して垂直方向に高い導電性を有し、かつ平面方向には分子間の軌道の重なりが効率よく得られるように、分子間相互作用によりスタッキングされた構造の機能性有機薄膜を形成できるため、電気的に異方性を示す優れた半導体特性が得られる。つまり、ネットワークの上部に有するπ電子共役系分子間距離が小さくなるために、ホッピング伝導による分子平面と垂直な方向の導電性が高くなり、かつ、分子軸方向への高い導電性を有する機能性が得られ、導電性材料として、有機薄膜トランジスタ材料のみならず、太陽電池、燃料電池、センサー等に広く応用することが可能となる。また、従来のように反応性の高い有機材料を合成して作成する必要がないため、より汎用性の高い有機材料の使用、及びより汎用性の高い有機薄膜の製造が可能となり、さらに、脱真空プロセスも必要としないため、製造プロセスの簡略化を図ることができる。 According to the method for producing a functional organic thin film of the present invention, an organic material (organic compound) can be freely selected as long as it is a functional group that reacts with the protruding functional group of the molecular thin film. By selecting an appropriate organic material, functional organic thin films for various applications can be easily obtained. In addition, for example, by using a silane compound as a material for forming a molecular thin film, a functional organic thin film formed on a substrate can be obtained according to a network of molecular thin films in which silicon atoms and oxygen atoms are formed in a network structure. Since the upper organic compound is periodically arranged, a highly crystallized self-assembled monolayer can be constructed. Also, for example, if an organic material containing π-electron conjugated molecules is used, it has high conductivity in the direction perpendicular to the substrate surface, and the orbital overlap between molecules can be efficiently obtained in the plane direction. Since a functional organic thin film having a structure stacked by intermolecular interaction can be formed, excellent semiconductor characteristics exhibiting electrical anisotropy can be obtained. In other words, since the π-electron conjugated intermolecular distance at the top of the network is small, the conductivity in the direction perpendicular to the molecular plane due to hopping conduction is high, and the functionality has high conductivity in the molecular axis direction. As a conductive material, not only an organic thin film transistor material but also a solar cell, a fuel cell, a sensor and the like can be widely applied. In addition, since it is not necessary to synthesize and produce highly reactive organic materials as in the past, it is possible to use more versatile organic materials and to manufacture more versatile organic thin films. Since a vacuum process is not required, the manufacturing process can be simplified.
本発明において、基体としては、有機薄膜の用途により適宜選択することができるが、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、GaAs、InGaAs、ZnSe等の化合物半導体等の半導体;いわゆるSOI基板、多層SOI基板、SOS基板等;ガラス、石英ガラス;ポリイミド、PET、PEN、PES、テフロン(登録商標)等の高分子フィルム等の絶縁体;ステンレス鋼(SUS);金、白金、銀、銅、アルミニウム等の金属;チタン、タンタル、タングステン等の高融点金属;高融点金属とのシリサイド、ポリサイド等;シリコン酸化膜(熱酸化膜、低温酸化膜:LTO膜等、高温酸化膜:HTO膜)、シリコン窒化膜、SOG膜、PSG膜、BSG膜、BPSG膜等の絶縁体;PZT、PLZT、強誘電体又は反強誘電体;SiOF系膜、SiOC系膜もしくはCF系膜又は塗布で形成するHSQ(hydrogen silsesquioxane)系膜(無機系)、MSQ(methyl silsesquioxane)系膜、PAE(polyarylene ether)系膜、BCB系膜、ポーラス系膜もしくはCF系膜又は多孔質膜等の低誘電体;等の単層又は積層層等が挙げられる。なかでも、水酸基、カルボキシル基等の活性水素を表面に突出させることができる基体又は親水化処理により活性水素を突出させることができる基体が好ましい。なお、親水化処理は、例えば、過酸化水素と濃硫酸との混合溶液中に基体を浸漬すること等によって行うことができる。 In the present invention, the substrate can be appropriately selected depending on the use of the organic thin film. For example, elemental semiconductors such as silicon and germanium, semiconductors such as compound semiconductors such as GaAs, InGaAs, and ZnSe; so-called SOI substrates, multilayer SOI Substrate, SOS substrate, etc .; Glass, quartz glass; Insulator such as polymer film such as polyimide, PET, PEN, PES, Teflon (registered trademark); Stainless steel (SUS); Gold, platinum, silver, copper, aluminum, etc. High melting point metal such as titanium, tantalum, tungsten, etc .; Silicide with high melting point metal, polycide, etc .; Silicon oxide film (thermal oxide film, low temperature oxide film: LTO film, etc., high temperature oxide film: HTO film), silicon nitride Insulator such as film, SOG film, PSG film, BSG film, BPSG film; PZT, PLZT, ferroelectric, or antiferroelectric Electrical body: SiOF film, SiOC film or CF film, HSQ (hydrogen silsesquioxane) film (inorganic), MSQ (methyl silsesquioxane) film, PAE (polyarylene ether) film, BCB film formed by coating A low dielectric material such as a porous film, a CF film, or a porous film; Of these, a substrate capable of projecting active hydrogen such as a hydroxyl group and a carboxyl group to the surface or a substrate capable of projecting active hydrogen by a hydrophilization treatment is preferable. The hydrophilic treatment can be performed, for example, by immersing the substrate in a mixed solution of hydrogen peroxide and concentrated sulfuric acid.
本発明において、第1の工程で使用する分子薄膜の形成材料としては、分子薄膜を形成したときに表面から周期的に官能基を突出できる材料であることが重要であり、具体的にはシラン化合物を挙げることができる。このシラン化合物としては、構成原子であるケイ素原子及び酸素原子により網目状構造膜部(ネットワーク)を形成する部分と、分子薄膜形成後に2層目として積層する有機化合物と反応させる部分とを有したシラン化合物であれば、特に限定されるものではないが、なかでも、第1の工程にて基体上にケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成されるネットワークから周期的に官能基を突出させることを考慮すると、ケイ素原子が、ネットワーク形成するための3つの官能基と、2層目に積層させるための1つの官能基(第1の官能基)を有していることが好ましく、例えば、第1の官能基を有するトリハロゲノシラン、具体的にはビニルトリクロロシラン等、が挙げられる。ここで、第一の官能基としてビニル基を有するものを挙げたが、他の置換基、例えばアミノ基、カルボキシル基、アシル基、ホルミル基、カルボニル基、さらにニトロ基、ニトロソ基、アジド基、酸アジド基、酸塩化物基等であってもかまわない。
ここで、ケイ素原子及び酸素原子からなる網目状構造膜部を形成するための前記3つの官能基としては、加水分解により水酸基を与える基であれば、どのような官能基であってもよく、トリハロゲノシランのハロゲン原子(Cl、F、Br等)以外にも、炭素数1〜4のアルコキシ基等も挙げられる。
このように、分子薄膜の形成材料にシラン化合物を用いることによって、基体上に形成された機能性有機薄膜は、ケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成された分子薄膜のネットワークにしたがって、その上部の有機化合物が周期的に配列するため、高度に結晶化した自己組織化単分子膜を構築することが可能である。
In the present invention, it is important that the material for forming the molecular thin film used in the first step is a material capable of periodically protruding functional groups from the surface when the molecular thin film is formed. A compound can be mentioned. This silane compound had a part for forming a network structure film part (network) by silicon atoms and oxygen atoms as constituent atoms, and a part for reacting with an organic compound laminated as a second layer after the formation of the molecular thin film. Although it will not specifically limit if it is a silane compound, Especially, a functional group is made to project periodically from the network in which a silicon atom and an oxygen atom are formed in a network structure on the substrate in the first step. In view of this, it is preferable that the silicon atom has three functional groups for forming a network and one functional group (first functional group) for stacking in the second layer, for example, Examples thereof include trihalogenosilane having a first functional group, specifically vinyltrichlorosilane. Here, those having a vinyl group as the first functional group are listed, but other substituents such as amino group, carboxyl group, acyl group, formyl group, carbonyl group, nitro group, nitroso group, azide group, It may be an acid azide group or an acid chloride group.
Here, as the three functional groups for forming the network structure film portion composed of silicon atoms and oxygen atoms, any functional group may be used as long as it is a group that gives a hydroxyl group by hydrolysis. In addition to the halogen atom (Cl, F, Br, etc.) of trihalogenosilane, an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms is also exemplified.
Thus, by using a silane compound as a material for forming a molecular thin film, a functional organic thin film formed on a substrate has a structure according to a network of molecular thin films in which silicon atoms and oxygen atoms are formed in a network structure. Since the upper organic compound is periodically arranged, a highly crystallized self-assembled monolayer can be constructed.
このように、分子薄膜の形成材料としてシラン化合物を使用することによって、基体表面に形成された有機薄膜は、下部の分子薄膜のケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成されるネットワークにしたがって上部の有機化合物が周期的に配列するため、高度に結晶化した自己組織化単分子膜を構築することが可能である。 Thus, by using a silane compound as a material for forming the molecular thin film, the organic thin film formed on the surface of the base is formed in accordance with the network in which the silicon atoms and oxygen atoms of the lower molecular thin film are formed in a network structure. Since these organic compounds are periodically arranged, it is possible to construct a highly crystallized self-assembled monolayer.
また、シラン化合物における2層目と積層させる第1の官能基としては、2層目として反応させる有機化合物の反応部位(第2の官能基)と反応しうる官能基であればどのようなものでもよく、例えばアミノ基、カルボキシル基、アシル基、ホルミル基、カルボニル基、さらにニトロ基、ニトロソ基、アジド基、酸アジド基、酸塩化物基等の種々の官能基が挙げられる。
また、これらの第1の官能基は、任意に、保護基で保護されていてもよい。つまり、これらの第1の官能基は、第2の工程で反応させる有機化合物が有する置換基(第2の官能基)と反応しうるものに限定されるわけではなく、第1の工程と第2の工程の間に何段階かのプロセス(例えば、脱保護等を含む)を経て、第2の工程で反応させる有機化合物と反応しうる第3の官能基に変換できるものであってもよい。すなわち、本発明の製造方法は、第1の工程と第2の工程の間に、分子薄膜の第1の官能基を、有機化合物の第2の官能基と反応可能な第3の官能基に変換する工程を含むものであってもよい。この置換基変換のプロセスとしては、触媒反応や光変換反応等(例えば、ニッケル触媒存在下でのニトロ基からアミノ基への還元等)あるいは加水分解による脱保護が挙げられる。
The first functional group to be laminated with the second layer in the silane compound is any functional group that can react with the reaction site (second functional group) of the organic compound to be reacted as the second layer. For example, various functional groups such as amino group, carboxyl group, acyl group, formyl group, carbonyl group, nitro group, nitroso group, azide group, acid azide group, acid chloride group and the like can be mentioned.
Moreover, these 1st functional groups may be protected by the protective group arbitrarily. That is, these first functional groups are not limited to those capable of reacting with the substituent (second functional group) of the organic compound to be reacted in the second step. It may be capable of being converted into a third functional group capable of reacting with the organic compound to be reacted in the second step through several stages of processes (for example, including deprotection) between the two steps. . That is, in the production method of the present invention, the first functional group of the molecular thin film is converted into the third functional group capable of reacting with the second functional group of the organic compound between the first step and the second step. The process of converting may be included. Examples of this substituent conversion process include catalytic reaction, photoconversion reaction, etc. (for example, reduction from a nitro group to an amino group in the presence of a nickel catalyst) or deprotection by hydrolysis.
本発明において、第2の工程で反応させる有機化合物(2層目を形成するための有機化合物)としては、第1の工程で形成した分子薄膜から突出した官能基(前記第1又は第3の官能基)と反応する限り、いかなる化合物でもかまわないが、より導電性の高い有機薄膜を製造することを考慮すると、主骨格がπ電子共役系分子により構築された第2の官能基を有する化合物が好ましく、収率や経済性を考慮すると、π電子共役系分子に含まれるπ電子共役系を構成するユニットの数が30個以内であり、かつ各ユニットが直線状に結合してなる化合物であることが特に好ましい。
このようなπ電子共役系分子を有する機能性薄膜は、基板表面に対して垂直方向に高い導電性を有し、かつ平面方向には分子間の軌道の重なりが効率よく得られるように、分子間相互作用によりスタッキングされた構造を形成できるため、電気的に異方性を示す優れた半導体特性を有する。つまり、ネットワークの上部に有するπ電子共役系分子間距離が小さくなるために、ホッピング伝導による分子平面と垂直な方向の導電性が高くなり、かつ、分子軸方向への高い導電性を有する機能性が得られ、導電性材料として、有機薄膜トランジスタ材料のみならず、太陽電池、燃料電池、センサー等に広く応用することが可能となる。
In the present invention, the organic compound to be reacted in the second step (organic compound for forming the second layer) is a functional group protruding from the molecular thin film formed in the first step (the first or third layer). Any compound may be used as long as it reacts with the functional group). However, in consideration of manufacturing an organic thin film having higher conductivity, a compound having a second functional group in which the main skeleton is constructed of π-electron conjugated molecules. In consideration of the yield and economic efficiency, the number of units constituting the π-electron conjugated system included in the π-electron conjugated molecule is within 30 and each unit is a linearly bonded compound. It is particularly preferred.
The functional thin film having such a π-electron conjugated molecule has high conductivity in the direction perpendicular to the substrate surface, and the molecular orbital overlap is efficiently obtained in the plane direction. Since a stacked structure can be formed by the interaction between the layers, it has excellent semiconductor characteristics that are electrically anisotropic. In other words, since the π-electron conjugated intermolecular distance at the top of the network is small, the conductivity in the direction perpendicular to the molecular plane due to hopping conduction is high, and the functionality has high conductivity in the molecular axis direction. As a conductive material, not only an organic thin film transistor material but also a solar cell, a fuel cell, a sensor and the like can be widely applied.
2層目を形成するための有機化合物としては、例えば、芳香族炭化水素、縮合多環式炭化水素、単環式複素環、縮合複素環、アルケン、アルカジエン、アルカトリエン、からなる群から選択される1つの化合物又はこれらの化合物の2以上が結合した化合物が挙げられる。 The organic compound for forming the second layer is, for example, selected from the group consisting of aromatic hydrocarbons, condensed polycyclic hydrocarbons, monocyclic heterocyclic rings, condensed heterocyclic rings, alkenes, alkadienes, alkatrienes. Or a compound in which two or more of these compounds are bonded.
さらに詳しく説明すると、2層目を形成するための有機化合物としては、そのπ電子共役系分子に含まれるπ電子共役系を構成するユニットが、ベンゼン環の数2〜12のアセン骨格とすることができる。
あるいは、2層目を形成するための有機化合物としては、そのπ電子共役系分子に含まれるπ電子共役系を構成するユニットが、ヘテロ原子としてSi,Ge,Sn,P,Se,Te,Ti又はZrが含まれる単環の複素環化合物のユニットを少なくとも1つ以上含み、さらに、単環の芳香族炭化水素及び単環の複素環化合物に由来する基から選択されるユニットが1〜9個結合したπ電子共役系の有機残基であるようにすることもできる。
芳香族炭化水素としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、シメン、スチレン、ジビニルベンゼン等が挙げられる。なかでも、ベンゼンが好ましい。
縮合多環式炭化水素としては、アセン骨格(下記構造式1)を含む炭化水素化合物、アセナフテン骨格(下記構造式2)を含む炭化水素化合物、ペリレン骨格(下記構造式3)を含む炭化水素化合物、インデン、アズレン、フルオレン、アセナフチレン、ビフェニレン、ピレン、ペンタレン、フェナレン等が挙げられる。
More specifically, as an organic compound for forming the second layer, the unit constituting the π-electron conjugated system contained in the π-electron conjugated molecule is an acene skeleton having 2 to 12 benzene rings. Can do.
Alternatively, as an organic compound for forming the second layer, a unit constituting a π-electron conjugated system included in the π-electron conjugated molecule is Si, Ge, Sn, P, Se, Te, Ti as a hetero atom. Or at least one unit of a monocyclic heterocyclic compound containing Zr, and further 1 to 9 units selected from a group derived from a monocyclic aromatic hydrocarbon and a monocyclic heterocyclic compound It can also be a π-electron conjugated organic residue.
Aromatic hydrocarbons include benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene, cymene, styrene, divinylbenzene and the like. Of these, benzene is preferred.
The condensed polycyclic hydrocarbon includes a hydrocarbon compound containing an acene skeleton (the following structural formula 1), a hydrocarbon compound containing an acenaphthene skeleton (the following structural formula 2), and a hydrocarbon compound containing a perylene skeleton (the following structural formula 3). , Indene, azulene, fluorene, acenaphthylene, biphenylene, pyrene, pentalene, phenalene and the like.
ここで、本発明において、アセン骨格とは、2個以上のベンゼン環が直線状に縮合している炭化水素に限らず、3個以上のベンゼン環が非直線状に縮合している炭化水素をも包含する。本発明において、アセン骨格を含む直線状の炭化水素はベンゼン環の数が2〜12個であり、合成の工程数や生成物の収率を考慮すると、ベンゼン環の数が2〜9であるナフタレン、アントラセン、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、オクタセン、ノナセンが特に好ましい。また、アセン骨格を含む非直線状の炭化水素としてはフェナントレン、クリセン、ピセン、ペンタフェン、ヘキサフェン、ヘプタフェン、ベンゾアントラセン、ジベンゾフェナントレン、アントラナフタセン等が挙げられる。 Here, in the present invention, the acene skeleton is not limited to a hydrocarbon in which two or more benzene rings are linearly condensed, but is a hydrocarbon in which three or more benzene rings are condensed in a non-linear manner. Is also included. In the present invention, the linear hydrocarbon containing an acene skeleton has 2 to 12 benzene rings, and the number of benzene rings is 2 to 9 in consideration of the number of synthesis steps and product yield. Naphthalene, anthracene, naphthacene, pentacene, hexacene, heptacene, octacene and nonacene are particularly preferred. Examples of the non-linear hydrocarbon containing an acene skeleton include phenanthrene, chrysene, picene, pentaphen, hexaphen, heptaphene, benzoanthracene, dibenzophenanthrene, anthranaphthacene, and the like.
式(1)のアセン骨格の具体的な合成方法を下記する。なお、これらの合成方法は一例であり、他にも公知の合成方法が適用できる。
アセン骨格の合成方法としては、例えば(1)原料化合物の所定位置の2つの炭素原子に結合する水素原子をエチニル基で置換した後に、エチニル基同士を閉環反応させ工程を繰り返す方法、(2)原料化合物の所定位置の炭素原子に結合する水素原子をトリフラート基で置換し、フラン又はその誘導体と反応させ、続いて酸化させる工程を繰り返す方法等が挙げられる。これらの方法を用いたアセン骨格の合成法の一例を以下に示す。
A specific method for synthesizing the acene skeleton of the formula (1) will be described below. These synthesis methods are merely examples, and other known synthesis methods can be applied.
Examples of the method for synthesizing an acene skeleton include (1) a method in which a hydrogen atom bonded to two carbon atoms at a predetermined position of a raw material compound is substituted with an ethynyl group, and then the ethynyl group is subjected to a ring-closing reaction to repeat the process, (2) Examples include a method in which a hydrogen atom bonded to a carbon atom at a predetermined position of the raw material compound is substituted with a triflate group, reacted with furan or a derivative thereof, and subsequently oxidized. An example of a method for synthesizing an acene skeleton using these methods is shown below.
方法(1)
方法(2)
また、上記方法(2)では、アセン骨格のベンゼン環を一つずつ増やす方法であるため、例えば原料化合物の所定部分に反応性の小さな官能基あるいは保護基が含まれていても同様に有機ケイ素化合物を合成できる。この場合の例を以下に示す。 In the above method (2), since the benzene rings of the acene skeleton are increased one by one, for example, even if a predetermined part of the raw material compound contains a low-reactivity functional group or protective group, the organic silicon Compounds can be synthesized. An example of this case is shown below.
なお、Ra、Rbは、炭化水素基やエーテル基等の反応性の小さな官能基あるいは保護基であることが好ましい。
また、上記方法(2)の反応式中、2つのアセトニトリル基及びトリメチルシリル基を有する出発化合物を、これら基が全てトリメチルシリル基である化合物に変更してもよい。また、上記反応式中、フラン誘導体を使用した反応後、反応物をヨウ化リチウム及びDBU(1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセ−7−エン)下で、還流させることで、出発化合物よりベンゼン環数が1つ多く、かつヒドロキシル基が2つ置換した化合物を得ることができる。更に、この化合物のヒドロキシル基を公知の方法でブロモ化し、ブロモ基をグリニヤール反応に付せば、ブロモ基の位置に疎水基を導入することができる。アセナフテン骨格及びペリレン骨格も、上記方法(1)のアセン骨格の製法に準じて合成できる。製法の一例を下記する。
Ra and Rb are preferably a functional group having a low reactivity such as a hydrocarbon group or an ether group, or a protective group.
Further, in the reaction formula of the above method (2), the starting compound having two acetonitrile groups and a trimethylsilyl group may be changed to a compound in which these groups are all trimethylsilyl groups. In the above reaction formula, after the reaction using a furan derivative, the reaction product is refluxed under lithium iodide and DBU (1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene). A compound having one more benzene ring than the starting compound and two hydroxyl groups substituted can be obtained. Further, when the hydroxyl group of this compound is brominated by a known method and the bromo group is subjected to a Grignard reaction, a hydrophobic group can be introduced at the position of the bromo group. The acenaphthene skeleton and perylene skeleton can also be synthesized in accordance with the method for producing an acene skeleton in the above method (1). An example of the production method will be described below.
また、側鎖として、窒素原子が2個の芳香族環基で置換された2級アミノ基をペリレン骨格に挿入する手法としては、あらかじめ側鎖の挿入部分をハロゲン化させた後に、金属触媒存在下で上記2級アミノ基をカップリングさせる手法が挙げられる。例えば上記ペリレン分子の場合、例えば以下の手法により2級アミノ基を挿入できる。 In addition, as a method of inserting a secondary amino group in which a nitrogen atom is substituted with two aromatic ring groups as a side chain into a perylene skeleton, a metal catalyst is present after halogenating the insertion part of the side chain in advance. Below, a method of coupling the secondary amino group may be mentioned. For example, in the case of the perylene molecule, a secondary amino group can be inserted by the following method, for example.
また、上記合成例で使用した原料は、汎用の試薬であり、試薬メーカーより入手、利用できる。例えばテトラセンは東京化成より純度97%以上で入手できる。また、ペリレンは例えばキシダ化学より純度99%で入手できる。このようにして得られる有機ケイ素化合物は、公知の手段、例えば転溶、濃縮、溶媒抽出、分留、結晶化、再結晶、クロマトグラフィー等により反応溶液から単離、精製できる。
また、本発明の有機ケイ素化合物は、アセン骨格、アセナフテン骨格又はペリレン骨格に疎水基及び親水基(シリル基)が結合しているため、有機ケイ素化合物の薄膜を親水性の基板上に形成する場合、基板の親水基と化合物の親水基が結合しやすくなり、薄膜の基板への吸着性を高めることができる。すなわち、π電子共役系分子を含む有機ケイ素化合物と親水性の基板との反応部位であるシリル基以外の部分の親油性もしくは疎水性を高めることによって、基板との反応性を向上させるという効果を有する。更に、疎水基を有することで、有機ケイ素化合物の非水系溶液への溶解性を向上させることもできるので、溶液プロセスに容易に適用できる。
The raw materials used in the above synthesis examples are general-purpose reagents that can be obtained and used from reagent manufacturers. For example, tetracene is available from Tokyo Kasei with a purity of 97% or more. Perylene can be obtained with a purity of 99% from Kishida Chemical, for example. The organosilicon compound thus obtained can be isolated and purified from the reaction solution by known means such as phase transfer, concentration, solvent extraction, fractional distillation, crystallization, recrystallization, chromatography and the like.
In the organosilicon compound of the present invention, since a hydrophobic group and a hydrophilic group (silyl group) are bonded to an acene skeleton, an acenaphthene skeleton or a perylene skeleton, a thin film of an organosilicon compound is formed on a hydrophilic substrate. The hydrophilic group of the substrate and the hydrophilic group of the compound are easily bonded, and the adsorptivity of the thin film to the substrate can be enhanced. That is, by increasing the lipophilicity or hydrophobicity of the portion other than the silyl group that is the reaction site between the organosilicon compound containing a π-electron conjugated molecule and the hydrophilic substrate, the effect of improving the reactivity with the substrate is achieved. Have. Furthermore, since it can also improve the solubility to the non-aqueous solution of an organosilicon compound by having a hydrophobic group, it can be easily applied to a solution process.
単環式複素環としては、S,N,O,Si,Ge,Se,Te,P,Sn,Ti又はZr原子がヘテロ原子として含まれ、かつ、5員環〜12員環が好ましく、より好ましくは、5員環あるいは6員環である。S,N又はO原子がヘテロ原子として含まれる化合物としては、例えば、フランのような酸素原子含有化合物、ピロール、ピリジン、ピリミジン、ピロリン、イミダゾリン、ピラゾリン等の窒素原子含有化合物、チオフェンのような硫黄原子含有化合物、オキサゾール、イソキサゾール等の窒素及び酸素原子含有化合物、チアゾール、イソチアゾール等の硫黄及び窒素原子含有化合物等が挙げられ、なかでも、チオフェンが特に好ましい。また、Si,Ge,Se,Te,P,Sn,Ti又はZr原子がヘテロ原子として含まれる化合物としては、具体的には例えば5員環のユニットとしては以下の構造ユニットが挙げられる。 As the monocyclic heterocycle, an S, N, O, Si, Ge, Se, Te, P, Sn, Ti or Zr atom is included as a heteroatom, and a 5-membered to 12-membered ring is preferable. Preferably, it is a 5-membered ring or a 6-membered ring. Examples of the compound containing an S, N or O atom as a hetero atom include oxygen atom-containing compounds such as furan, nitrogen atom-containing compounds such as pyrrole, pyridine, pyrimidine, pyrroline, imidazoline and pyrazoline, and sulfur such as thiophene. Atom-containing compounds, nitrogen and oxygen atom-containing compounds such as oxazole and isoxazole, sulfur and nitrogen atom-containing compounds such as thiazole and isothiazole, and the like, among which thiophene is particularly preferable. In addition, specific examples of compounds containing Si, Ge, Se, Te, P, Sn, Ti, or Zr atoms as heteroatoms include, for example, the following structural units as 5-membered ring units.
また、6員環としては以下の構造ユニットが含まれる。 The 6-membered ring includes the following structural units.
これらの複素環化合物ユニットは同様のユニットあるいは異なるユニット間に直接あるいは間接の結合を有し、かつ、全体として、1〜30個結合してπ電子共役系の有機残基となる。さらに、上記ユニットは、収率、経済性、量産化を考慮すると、1〜9個結合していることがより好ましい。さらに、上記複素環化合物ユニットは、芳香族炭化水素化合物のユニットと直接あるいは間接に結合を有していてもかまわない。芳香族炭化水素化合物のユニットとしては上記の縮合多環式炭化水素と同様である。
これら複素環化合物ユニットは、複数個、分岐状に結合していてもよいが、直線状に結合していることが好ましい。また、有機残基は、同じユニットが結合していてもよいし、すべて異なるユニットが結合していてもよいし、複数種類のユニットが規則的に又はランダムな順序で結合していてもよい。また、結合の位置は、ユニットの構成分子が5員環の場合には、2,5−位、3,4−位、2,3−位、2,4−位等のいずれでもよいが、なかでも、2,5−位が好ましい。また、Si,Ge,Se,Te,P,Sn,Ti又はZr原子がヘテロ原子として含まれる単環の複素環化合物が、5員環であるときは、上記以外に、1,1−位であってもかまわない。6員環の場合には、1,4−位、1,2−位、1,3−位等のいずれでもよいが、なかでも、1,4−位が好ましい。
さらに、複素環化合物ユニット間には、ビニレン基が位置していてもよい。ビニレン基を与える炭化水素としては、アルケン、アルカジエン、アルカトリエン等が挙げられる。アルケンとしては、炭素数2〜4の化合物、例えば、エチレン、プロピレン、ブチレン等が挙げられる。なかでも、エチレンが好ましい。アルカジエンとしては、炭素数4〜6の化合物、ブタジエン、ペンタジエン、ヘキサジエン等が挙げられる。アルカトリエンとしては、炭素数6〜8の化合物、例えば、ヘキサトリエン、ヘプタトリエン、オクタトリエン等が挙げられる。
以上より、単環の複素環化合物を含むπ電子共役系分子としては例えば以下の化合物が挙げられる。なお、Rは第1の工程で形成した分子薄膜から突出した官能基と反応する限りいかなる官能基であってもよい。
These heterocyclic compound units have direct or indirect bonds between similar units or different units, and as a whole, 1 to 30 bonds form a π-electron conjugated organic residue. Furthermore, in consideration of yield, economy, and mass production, it is more preferable that 1 to 9 units are bonded. Furthermore, the heterocyclic compound unit may have a bond directly or indirectly with the unit of the aromatic hydrocarbon compound. The unit of the aromatic hydrocarbon compound is the same as the above condensed polycyclic hydrocarbon.
A plurality of these heterocyclic compound units may be bonded in a branched manner, but are preferably bonded linearly. Moreover, the same unit may couple | bond with the organic residue, all different units may couple | bond, and several types of units may couple | bond together in regular or random order. In addition, the position of the bond may be any of 2,5-position, 3,4-position, 2,3-position, 2,4-position, etc. when the constituent molecule of the unit is a 5-membered ring, Of these, the 2,5-position is preferred. When the monocyclic heterocyclic compound containing a Si, Ge, Se, Te, P, Sn, Ti, or Zr atom as a heteroatom is a 5-membered ring, in addition to the above, It does not matter. In the case of a 6-membered ring, any of 1,4-position, 1,2-position, 1,3-position and the like may be used, but among them, 1,4-position is preferable.
Furthermore, a vinylene group may be located between the heterocyclic compound units. Examples of hydrocarbons that give a vinylene group include alkenes, alkadienes, and alkatrienes. Alkenes include compounds having 2 to 4 carbon atoms, such as ethylene, propylene, butylene and the like. Of these, ethylene is preferable. Examples of the alkadiene include compounds having 4 to 6 carbon atoms, butadiene, pentadiene, hexadiene and the like. Examples of the alkatriene include compounds having 6 to 8 carbon atoms such as hexatriene, heptatriene, and octatriene.
From the above, examples of the π-electron conjugated molecule containing a monocyclic heterocyclic compound include the following compounds. R may be any functional group as long as it reacts with the functional group protruding from the molecular thin film formed in the first step.
縮合複素環としては、インドール、イソインドール、ベンゾフラン、ベンゾチオフェン、インドリジン、クロメン、キノリン、イソキノリン、プリン、インダゾール、キナゾリン、シンノリン、キノキサリン、フタラジン等が挙げられる。
アルケンとしては、炭素数2〜4の化合物、例えば、エチレン、プロピレン、ブチレン等が挙げられる。なかでも、エチレンが好ましい。アルカジエンとしては、炭素数4〜6の化合物、ブタジエン、ペンタジエン、ヘキサジエン等が挙げられる。
アルカトリエンとしては、炭素数6〜8の化合物、例えば、ヘキサトリエン、ヘプタトリエン、オクタトリエン等が挙げられる。
これらの化合物中で、π電子共役系分子を主骨格とする有機化合物として好ましいものは、3個〜10個のベンゼン環あるいはチオフェン環が直鎖状に結合されてなる化合物である。
以上、第2の工程で結合させる有機化合物について説明したが、第2の工程で用いる有機化合物は、基体の表面に周期的に突出した第1の官能基と反応する官能基を有するのであれば、上記のいずれの化合物を積層させてもかまわない。
Examples of the condensed heterocyclic ring include indole, isoindole, benzofuran, benzothiophene, indolizine, chromene, quinoline, isoquinoline, purine, indazole, quinazoline, cinnoline, quinoxaline, phthalazine and the like.
Alkenes include compounds having 2 to 4 carbon atoms, such as ethylene, propylene, butylene and the like. Of these, ethylene is preferable. Examples of the alkadiene include compounds having 4 to 6 carbon atoms, butadiene, pentadiene, hexadiene and the like.
Examples of the alkatriene include compounds having 6 to 8 carbon atoms such as hexatriene, heptatriene, and octatriene.
Among these compounds, a preferable organic compound having a π-electron conjugated molecule as a main skeleton is a compound in which 3 to 10 benzene rings or thiophene rings are linearly bonded.
Although the organic compound to be bonded in the second step has been described above, the organic compound used in the second step has a functional group that reacts with the first functional group protruding periodically on the surface of the substrate. Any of the above compounds may be laminated.
本発明の製造方法において、基体と1層目のシラン化合物との反応である第1の工程、及び基体上に形成した分子薄膜上に2層目を反応させる第2の工程の反応温度は、例えば、−100〜150℃であり、好ましくは−20〜100℃であり、反応時間はどちらも、例えば、0.1〜48時間程度である。第1、第2の工程の反応は、通常、反応に悪影響のない有機溶媒中で行われる。反応に悪影響のない有機溶媒としては、例えば、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエンなどの炭化水素、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)などのエーテル系溶媒、ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素類などが挙げられ、これらは単独で又は混合液として用いることができる。なかでも、ジエチルエーテル、THFが好適である。反応は、任意に触媒を用いてもよい。触媒としては、白金触媒、パラジウム触媒、ニッケル触媒等、この種の反応の触媒として公知のものを用いることができる。
また、第2の工程で反応させる有機化合物に含まれる第2の官能基としては、基体上に形成した分子薄膜の突出状の官能基(第1又は第3の官能基)と反応するものであれば特に限定されず、分子薄膜の場合と同様の各種の官能基を選択することができる。
In the production method of the present invention, the reaction temperature of the first step, which is a reaction between the substrate and the first layer of the silane compound, and the second step of reacting the second layer on the molecular thin film formed on the substrate is: For example, it is -100-150 degreeC, Preferably it is -20-100 degreeC, and both reaction time is about 0.1 to 48 hours, for example. The reaction in the first and second steps is usually performed in an organic solvent that does not adversely influence the reaction. Examples of organic solvents that do not adversely affect the reaction include hydrocarbons such as hexane, pentane, benzene, and toluene, ether solvents such as diethyl ether, dipropyl ether, dioxane, and tetrahydrofuran (THF), and aromatic solvents such as benzene and toluene. Hydrocarbons etc. are mentioned, These can be used individually or as a liquid mixture. Of these, diethyl ether and THF are preferable. The reaction may optionally use a catalyst. As the catalyst, a known catalyst such as a platinum catalyst, a palladium catalyst, or a nickel catalyst can be used.
The second functional group contained in the organic compound reacted in the second step reacts with the protruding functional group (first or third functional group) of the molecular thin film formed on the substrate. If it is, it will not specifically limit, The various functional groups similar to the case of a molecular thin film can be selected.
図1は本発明の機能性有機薄膜の製造方法を分子レベルで示した模式図であって、同図(a)は第1の工程を表し、同図(b)は第2の工程を表し、同図(c)は基板上に形成された機能性有機薄膜を表している。 FIG. 1 is a schematic view showing a method for producing a functional organic thin film of the present invention at a molecular level, wherein FIG. 1 (a) shows a first step and FIG. 1 (b) shows a second step. FIG. 5C shows a functional organic thin film formed on the substrate.
図1(c)に示すように、本発明は、所望の基体、例えば基板1の表面に、所望の機能をもたせた機能性有機薄膜5であり、この機能性有機薄膜5は、基体1の表面と結合した1層目の網目状構造膜部3aと、網目状構造膜部3aの表面に周期的に配列した2層目の有機膜部4bとからなる。
As shown in FIG. 1 (c), the present invention is a functional organic
この本発明の機能性有機薄膜の製造方法は、先ず、図1(a)に示すように、第1の工程において、基板1(例えば石英)に、例えばシラン化合物2を化学吸着法によって反応させる。反応後は、図1(b)に示すように、ケイ素原子及び酸素原子が基体1の表面に網目状に結合し、かつ官能基R1が周期的に突出した自己組織化機能を有する分子薄膜3が形成される。続いて、第2の工程では、官能基R1と反応しうる官能基R2を有する有機化合物、例えばπ電子共役系分子4aを主骨格とする有機化合物4を、例えば化学吸着法にて反応させることにより、網目状構造の分子薄膜3上に有機化合物4を化学結合させて、図1(c)で説明した網目構造膜部3a及び網目構造膜部3aにπ電子共役系分子4aが周期的に配列してなる有機膜部4bから構成された機能性有機薄膜5が形成される。
In the method for producing a functional organic thin film of the present invention, first, as shown in FIG. 1A, in a first step, for example, a
以下に、本発明の機能性有機薄膜及びその製造方法の実施例を説明する。 Below, the Example of the functional organic thin film of this invention and its manufacturing method is described.
[実施例1]:ビニルトリクロロシランを用いた分子薄膜の形成、カルボキシ末端分子薄膜への変換、及び、前記分子薄膜を利用したターチオフェンを含む機能性有機薄膜の形成
本発明の製造方法の実施例1であるターチオフェンを含む機能性有機薄膜の製造方法を、図2を参照しながら説明する。なお、図2はターチオフェンを含む機能性有機薄膜の各工程の分子レベルの模式図であって、同図(a)は第1の工程にて形成された分子薄膜を示し、同図(b)は分子薄膜の官能基を別の官能基に変換した状態を示し、同図(c)は第2の工程にて形成された機能性有機薄膜を示している。
[Example 1]: Formation of a molecular thin film using vinyltrichlorosilane, conversion to a carboxy-terminated molecular thin film, and formation of a functional organic thin film containing terthiophene using the molecular thin film Implementation of the production method of the present invention A method for producing a functional organic thin film containing terthiophene as Example 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram at the molecular level of each step of the functional organic thin film containing terthiophene. FIG. 2A shows the molecular thin film formed in the first step, and FIG. ) Shows a state in which the functional group of the molecular thin film is converted to another functional group, and FIG. 5C shows the functional organic thin film formed in the second step.
先ず、石英基板11を、過酸化水素と濃硫酸との混合溶液(混合比3:7)中に1時間浸漬し、石英基板11の表面を親水化処理した。その後、得られた基板11を不活性雰囲気下において、ビニルトリクロロシランを非水系溶媒(例えば、n−ヘキサデカン)に溶解した10mM溶液に5分間浸漬させ、ゆっくりと引き上げ、溶媒洗浄を行うことで、図2(a)に示すような、石英基板11上に結合したケイ素原子及び酸素原子からなる網目状構造膜部12aと、網目状構造膜部12aの表面から周期的に突出したビニル基とからなる分子薄膜12を形成した。
この分子薄膜12を形成した石英基板11を、赤外吸収分光光度計にて測定したところ、C−H伸縮振動由来の波長3090cm-1の吸収が得られた。
First, the
When the
続いて、得られた分子薄膜12を、例えば過マンガン酸カリウム存在下で酸化させたのち、過ヨウ素酸を加え、溶媒洗浄を行うことで、図2(b)に示すような、網目状構造膜部12aの表面から周期的にカルボキシル基が突出した分子薄膜13を形成した。
この分子薄膜13を形成した石英基板11を、赤外吸収分光光度計にて測定したところ、カルボキシル基由来の波長3450〜3200cm-1にカルボキシル基特有の吸収が得られたことより、基板11から突出した官能基がビニル基からカルボキシル基に変換されたことを確認した。
Subsequently, the obtained molecular
When the
さらに、10mMアミノターチオフェンを非水系溶媒(例えば、トルエン)に溶解させた溶液中に、上述のごとくビニル基をカルボキシル基に変換した分子薄膜13を、2時間浸漬させ、ゆっくりと引き上げ、溶媒洗浄を行うことで、図2(c)に示すように、網目状構造膜部12aの上に有機膜部であるターチオフェン単分子膜14bを形成し、機能性有機薄膜15を得た。
この機能性有機薄膜15を形成した石英基板11を、紫外可視吸収分光光度計にて測定を行ったところ、π電子共役系分子であるターチオフェンの吸収波長に起因する360nmを検出した。また、エリプソメトリーによる、膜厚測定から、分子長に相当する1.5nmという測定結果が得られた。これにより、石英基板11上にケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成されるネットワークを介してπ電子共役系分子であるターチオフェンを含む単分子膜が形成されていることを確認できた。
Furthermore, the molecular
When the
[実施例2]:カルボキシ末端分子薄膜を利用したターフェニルを含む機能性有機薄膜の形成
実施例1と同様の手法により作製したカルボキシル基を有する分子薄膜13(図2(b)参照)を、ターフェニルトリクロロシランを非水系溶媒(例えば、n−ヘキサデカン)に溶解した10mM溶液に2時間浸漬させ、ゆっくりと引き上げ、溶媒洗浄を行うことで、分子薄膜上にターフェニル単分子膜を形成し、機能性有機薄膜を得た。
この機能性有機薄膜を形成した石英基板を、紫外可視吸収分光光度計にて測定を行ったところ、π電子共役系分子であるターフェニルの吸収波長に起因する270nmを検出した。また、エリプソメトリーによる、膜厚測定から、分子長に相当する1.6nmという測定結果が得られた。これにより、石英基板上にケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成されるネットワークを介してπ電子共役系分子であるターフェニルを含む単分子膜が形成されていることを確認できた。
[Example 2]: Formation of a functional organic thin film containing terphenyl using a carboxy-terminated molecular thin film A molecular
When the quartz substrate on which this functional organic thin film was formed was measured with an ultraviolet-visible absorption spectrophotometer, 270 nm due to the absorption wavelength of terphenyl which is a π-electron conjugated molecule was detected. Moreover, a measurement result of 1.6 nm corresponding to the molecular length was obtained from the film thickness measurement by ellipsometry. Thereby, it was confirmed that a monomolecular film containing terphenyl which is a π-electron conjugated molecule was formed on a quartz substrate through a network in which silicon atoms and oxygen atoms were formed in a network structure.
[実施例3]:カルボキシ末端分子薄膜のアミノ末端分子薄膜への変換及び、前記アミノ末端分子薄膜を利用したオクタデカンを含む機能性有機薄膜の形成
実施例1と同様の手法により作製したカルボキシル基を有する分子薄膜13(図2(b)参照)を、SOCl2中でのアシル化及びHofmann分解反応を利用することで、カルボキシル基からアミノ基へ変換した。なお、Hofmann分解反応とは、アシル基を有する化合物にNH3、OBr処理を順次行うことで、アミド基(R−CONH2)、アミノ基に変換する公知の合成技術である。
[Example 3]: Conversion of a carboxy terminal molecular thin film into an amino terminal molecular thin film and formation of a functional organic thin film containing octadecane using the amino terminal molecular thin film A carboxyl group prepared by the same method as in Example 1 was used. The molecular thin film 13 (see FIG. 2B) was converted from a carboxyl group to an amino group by using acylation in SOCl 2 and Hofmann decomposition reaction. The Hofmann decomposition reaction is a known synthesis technique for converting an amide group (R-CONH 2 ) and an amino group by sequentially treating the compound having an acyl group with NH 3 and OBr.
続いて、10mMステアリン酸を非水系溶媒(例えば、トルエン)に溶解した溶液中に、前記アミノ基を有する分子薄膜を2時間浸漬させ、ゆっくりと引き上げ、溶媒洗浄を行うことで、分子薄膜上にアミド結合を介したオクタデカン単分子膜を形成した。
このオクタデカン単分子膜を形成した石英基板を、赤外吸収分光光度計にて測定を行ったところ、波長1690cm-1及び波長1540cm-1のアミド基由来の吸収が確認された。このことは膜中にアミド結合が含まれていることを示しており、ステアリン酸が基板上に結合していることが確認できた。また、X線回折において、2θ=21.3°にピークが確認され、面間隔0.416nmの結晶性膜が形成されていることがわかった。
これにより、石英基板上にケイ素原子及び酸素原子が網目状構造に形成されるネットワークを介してオクタデカンを含む単分子膜が形成されていることを確認できた。
Subsequently, the molecular thin film having the amino group is immersed in a solution obtained by dissolving 10 mM stearic acid in a non-aqueous solvent (for example, toluene) for 2 hours, slowly pulled up, and then washed with a solvent. An octadecane monolayer was formed through an amide bond.
The quartz substrate with the this octadecane monomolecular film was subjected to measurement by infrared absorption spectrometer, the absorption derived from amide groups of wavelengths 1690 cm -1 and a wavelength 1540 cm -1 was confirmed. This indicates that an amide bond is contained in the film, and it was confirmed that stearic acid was bonded on the substrate. Further, in X-ray diffraction, a peak was confirmed at 2θ = 21.3 °, and it was found that a crystalline film having a plane spacing of 0.416 nm was formed.
As a result, it was confirmed that a monomolecular film containing octadecane was formed on the quartz substrate via a network in which silicon atoms and oxygen atoms were formed in a network structure.
[実施例4]:アミノ末端分子薄膜を利用したクオーターフェニルを含む機能性有機薄膜の形成、及び、その機能性有機薄膜の膜厚方向の電気伝導度測定
ハイドープすることにより導電性(0.1〜0.2Ω・cm)を付与したSi基板を、酸化水素と濃硫酸との混合溶液(混合比3:7)中において1時間浸漬し、基板表面を親水化処理した。
[Example 4]: Formation of a functional organic thin film containing quarterphenyl using an amino-terminated molecular thin film, and measurement of electric conductivity in the film thickness direction of the functional organic thin film. The Si substrate provided with ~ 0.2Ω · cm) was immersed in a mixed solution of hydrogen oxide and concentrated sulfuric acid (mixing ratio 3: 7) for 1 hour to hydrophilize the substrate surface.
このSi基板上に、実施例3と同様の手法によりエトキシトリクロロシラン分子薄膜を形成させ、続いて実施例2と同様の手法により1−アシルクオーターフェニルを用いて、クオーターフェニルを含む機能性薄膜の作成を行った。
SPM(走査型プローブ顕微鏡)を用いて、単分子膜の膜厚方向(基板に対して垂直方向)の電気伝導度を測定した結果、10-4S/cmの高い値が得られた。
On this Si substrate, an ethoxytrichlorosilane molecular thin film is formed by the same method as in Example 3, and then a functional thin film containing quarterphenyl is formed by using 1-acyl quarterphenyl by the same method as in Example 2. Created.
As a result of measuring the electrical conductivity in the film thickness direction (perpendicular to the substrate) of the monomolecular film using an SPM (scanning probe microscope), a high value of 10 −4 S / cm was obtained.
[実施例5]:アミノ末端分子薄膜を利用したクオーターフェニルを含む機能性有機薄膜の形成、及び、その機能性有機薄膜の平面方向の電気伝導度測定
実施例4で作製したクオーターフェニルを含む機能性有機薄膜を有する石英基板上に、Auの蒸着によって一対の電極端子を作成した。その後、両端子間に所定の電圧を印加するための直流電源と、両端子間の電流を検知するための電流計導電率測定手段を設けた。
このクオーターフェニルを含む機能性有機薄膜の電気伝導度を測定したところ、10-6S/cmという値が得られた。また、TOF法(タイムオブフライト法)による移動度の測定の結果、0.1cm2/V・sという値を示した。これらの結果より、この機能性有機薄膜が平面方向(膜と平行な方向)に非常に優れた半導体特性を有することが明白となった。
[Example 5]: Formation of a functional organic thin film containing quarterphenyl using an amino-terminated molecular thin film, and measurement of electric conductivity in the planar direction of the functional organic thin film Function containing quarterphenyl prepared in Example 4 A pair of electrode terminals was prepared on a quartz substrate having a conductive organic thin film by vapor deposition of Au. Thereafter, a DC power source for applying a predetermined voltage between both terminals and an ammeter conductivity measuring means for detecting a current between both terminals were provided.
When the electrical conductivity of the functional organic thin film containing quarterphenyl was measured, a value of 10 −6 S / cm was obtained. Further, as a result of measuring the mobility by the TOF method (time of flight method), a value of 0.1 cm 2 / V · s was shown. From these results, it became clear that this functional organic thin film has very excellent semiconductor characteristics in the planar direction (direction parallel to the film).
[実施例6]:カルボキシ末端分子薄膜を利用したアントラセンを含む機能性有機薄膜の形成
実施例1と同様の手法により作成したカルボキシル基を有する分子薄膜を有する石英基板を、2mMの1−アミノアントラセン溶液中に20分浸漬し、引き上げた後に溶媒洗浄することで、分子箔膜上にアントラセンを含む単分子膜を形成した。上記石英基板の紫外可視吸収は360nmであり、アントラセンの吸収とほぼ一致した。また、石英基板のIR評価結果より、1650cm-1のNHCO由来の吸収を確認した。これより、アミド結合が形成されていることを確認した。以上のことより、石英基板上にケイ素原子及び酸素原子の網目状組織を介してアントラセンを含む有機薄膜が形成されていることを確認した。
[Example 6]: Formation of functional organic thin film containing anthracene using carboxy-terminated molecular thin film A quartz substrate having a molecular thin film having a carboxyl group, prepared by the same method as in Example 1, was applied to 2 mM 1-aminoanthracene. A monomolecular film containing anthracene was formed on the molecular foil film by immersing it in the solution for 20 minutes, lifting it, and washing the solvent. The ultraviolet-visible absorption of the quartz substrate was 360 nm, which almost coincided with the anthracene absorption. Further, from the IR evaluation result of the quartz substrate, 1650 cm −1 NHCO-derived absorption was confirmed. This confirmed that an amide bond was formed. From the above, it was confirmed that an organic thin film containing anthracene was formed on a quartz substrate via a network of silicon atoms and oxygen atoms.
[実施例7]:カルボキシ末端分子薄膜を利用したペリレンを含む機能性有機薄膜の形成
まず、1mMペリレンとニトロ化試薬(HNO3/H2SO4)を反応させ、ニトロペリレンを形成した後に、H2,Ni触媒下で加圧し還元することで1−アミノペリレンを合成した。
実施例1と同様の手法により作成したカルボキシル基を有する分子薄膜を有する石英基板を、5mMの前記1−アミノペリレン溶液中に30分浸漬し、引き上げた後に溶媒洗浄することで、分子箔膜上にペリレンを含む単分子膜を形成した。上記有機薄膜を含む石英基板の紫外可視吸収は380nmであり、ペリレンの吸収とほぼ一致した。また、石英基板のIR評価結果より、1630cm-1のNHCO由来の吸収を確認した。これより、アミド結合が形成されていることを確認した。以上のことより、石英基板上にケイ素原子及び酸素原子の網目状組織を介してペリレンを含む有機薄膜が形成されていることを確認した。
[Example 7]: Formation of functional organic thin film containing perylene using carboxy-terminated molecular thin film First, after reacting 1 mM perylene with a nitrating reagent (HNO 3 / H 2 SO 4 ) to form nitroperylene, 1-Aminoperylene was synthesized by pressurization and reduction under H 2 , Ni catalyst.
A quartz substrate having a carboxyl group-containing molecular thin film prepared by the same method as in Example 1 was immersed in 5 mM of the 1-aminoperylene solution for 30 minutes, pulled up, and then washed with a solvent to obtain a molecular foil film. A monomolecular film containing perylene was formed. The ultraviolet-visible absorption of the quartz substrate including the organic thin film was 380 nm, which almost coincided with the absorption of perylene. Further, absorption from NHCO at 1630 cm −1 was confirmed from the IR evaluation result of the quartz substrate. This confirmed that an amide bond was formed. From the above, it was confirmed that an organic thin film containing perylene was formed on a quartz substrate via a network of silicon atoms and oxygen atoms.
[実施例8]:カルボキシ末端分子薄膜を利用したジセレノフェンを含む機能性有機薄膜の形成
ジセレノフェンはPolymer、2003年、44巻、5597−5603頁に記載された製造方法に基づいて合成することができる。さらに、セレノフェンとニトロ化試薬(HNO3/H2SO4)を反応させ、ニトロジセレノフェンを形成した後に、H2,Ni触媒下で加圧し還元することで1−アミノジセレノフェンを合成した。続いて実施例1と同様の手法により作成したカルボキシル基を有する分子薄膜を有する石英基板を、5mMの前記2−アミノジセレノフェン溶液中に2時間浸漬し、引き上げた後に溶媒洗浄することで、分子薄膜上にジセレノフェンを含む単分子膜を形成した。石英基板のIR評価結果より、1670cm-1のNHCO由来の吸収を確認した。これより、アミド結合が形成されていることを確認した。また、ジセレノフェントリクロロシラン反応前後にエリプソメトリーにより膜厚評価を行ったところ、前後の膜厚の差が0.9nmであった。これはジセレノフェンの分子長に相当する。以上のことより、石英基板上にケイ素原子及び酸素原子の網目状組織を介してジセレノフェンを含む有機薄膜が形成されていることを確認した。
[Example 8]: Formation of functional organic thin film containing diselenophene using carboxy-terminated molecular thin film Diselenophene can be synthesized based on the production method described in Polymer, 2003, 44, 5597-5603. . Furthermore, after reacting selenophene with a nitrating reagent (HNO 3 / H 2 SO 4 ) to form nitrodiselenophene, 1-aminodiselenophene is synthesized by pressurizing and reducing under H 2 , Ni catalyst. did. Subsequently, a quartz substrate having a molecular thin film having a carboxyl group prepared by the same method as in Example 1 was immersed in 5 mM of the 2-aminodiselenophene solution for 2 hours, and then pulled up and washed with a solvent. A monomolecular film containing diselenophene was formed on the molecular thin film. From the IR evaluation results of the quartz substrate, 1670 cm −1 NHCO-derived absorption was confirmed. This confirmed that an amide bond was formed. Moreover, when the film thickness was evaluated by ellipsometry before and after the diselenophenetrichlorosilane reaction, the difference in film thickness before and after was 0.9 nm. This corresponds to the molecular length of diselenophene. From the above, it was confirmed that an organic thin film containing diselenophene was formed on a quartz substrate via a network of silicon atoms and oxygen atoms.
本発明の機能性有機薄膜は、導電性材料として、有機薄膜トランジスタ材料のみならず、太陽電池、燃料電池、センサー等に広く応用することが可能となる。 The functional organic thin film of the present invention can be widely applied not only to organic thin film transistor materials but also to solar cells, fuel cells, sensors and the like as conductive materials.
1、11 基体(基板)
2 シラン化合物
3、12 分子薄膜
3a、12a 網目状構造膜部
4 有機化合物
4a π電子共役系分子
4b 有機膜部
5、14 機能性有機薄膜
14b 有機膜部(ターチオフェン単分子膜)
1,11 Base (substrate)
2
Claims (12)
有機化合物の第2の官能基を、前記分子薄膜の第1の官能基又は第1の官能基を変換した第3の官能基と反応させて、分子薄膜上に有機化合物が結合して周期的に配列してなる有機薄膜を形成させる第2の工程とを含むことを特徴とする機能性有機薄膜の製造方法。 A first step of forming a molecular thin film in which a first functional group protrudes periodically on a surface of a substrate;
The second functional group of the organic compound is reacted with the first functional group of the molecular thin film or the third functional group obtained by converting the first functional group, and the organic compound is bonded onto the molecular thin film to cause periodicity. And a second step of forming an organic thin film that is arranged on the substrate. A method for producing a functional organic thin film.
第1の工程において、前記シラン化合物の構成原子であるケイ素原子及び酸素原子により形成された網目状構造膜部が基体の表面に結合し、かつ前記網目状構造膜部から第1の官能基が周期的に突出して、分子薄膜が形成される請求項1に記載の機能性有機薄膜の製造方法。 The material for forming the molecular thin film used in the first step is a silane compound having a first functional group,
In the first step, a network structure film portion formed by silicon atoms and oxygen atoms which are constituent atoms of the silane compound is bonded to the surface of the substrate, and the first functional group is bonded from the network structure film portion. The method for producing a functional organic thin film according to claim 1, wherein the molecular thin film is formed protruding periodically.
その後、第1の工程において、ビニルトリハロゲノシランを非水系溶媒に溶解した溶液中に上記親水化処理した基体を浸漬させ、基体の表面に網目状構造膜部が結合し、かつ網目状構造膜部の表面からビニル基が周期的に突出した分子薄膜を形成し、
第2の工程の前に、得られた分子薄膜を、酸化し、前記ビニル基をカルボキシル基に変換し、
第3の工程において、アミノターチオフェンを非水系溶媒に溶解した溶液中に上記カルボキシル基を有する分子薄膜が形成された基体を浸漬させ、網目状構造膜部上にターチオフェン単分子膜が形成されてなる機能性有機薄膜を得る請求項3〜9の何れか1つに記載の機能性有機薄膜の製造方法。 Prior to the first step, the surface of the substrate is hydrophilized,
Thereafter, in the first step, the hydrophilically treated substrate is immersed in a solution in which vinyltrihalogenosilane is dissolved in a non-aqueous solvent, the network structure film portion is bonded to the surface of the substrate, and the network structure film A molecular thin film in which vinyl groups protrude periodically from the surface of the part,
Before the second step, the obtained molecular thin film is oxidized to convert the vinyl group into a carboxyl group,
In the third step, the substrate on which the molecular thin film having a carboxyl group is formed is immersed in a solution in which aminoterthiophene is dissolved in a non-aqueous solvent, and a terthiophene monomolecular film is formed on the network structure film portion. The method for producing a functional organic thin film according to any one of claims 3 to 9, wherein a functional organic thin film is obtained.
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2004
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| JP2006239504A (en) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Ricoh Co Ltd | Formation method of organic monolayer |
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