JP2018039804A - 有機無機金属化合物 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に除去できる溶剤を用いて製造できる化合物を提供する。【解決手段】カチオンとアニオンとを含む化合物であって、前記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が第１４族元素カチオンであり、前記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が有機分子カチオンであり、前記有機分子カチオンの１モル％以上１００モル％以下が、炭素数が２以上３０以下、かつフッ素数が３以上５０以下の有機分子カチオンＡであり、前記アニオンの３０モル％以上１００モル％以下が第１７族元素アニオンである、化合物。【選択図】 なし

Description

本発明は、化合物、その製造方法、及びその使用に関する。

近年、ペロブスカイト構造を有する金属ハロゲン化物が、様々な用途で注目されている。ペロブスカイト構造を有する化合物は、Ａサイト及びＢサイトのカチオンと、Ｘサイトのアニオンとから構成される。そのような化合物の例として、ＣＨ₃ＮＨ₃ＰｂＩ₃を挙げることができ、この例において、ＡサイトのカチオンはＣＨ₃ＮＨ₃ ⁺に、Ｂサイトのカチオン：Ｐｂ²⁺、ＸサイトのアニオンはＩ^-に、それぞれ対応する。Ｂサイトのカチオンは、Ｘサイトのアニオンに６配位で結合しており、対称又は非対称な八面体を形成している。３次元構造のみからなるペロブスカイト構造は、一般式としてＡＢＸ₃等で表される。また、層構造を有するペロブスカイト構造の化合物、例えば、層構造のみから構成されるペロブスカイト構造の化合物は、一般式としてＡ₂ＢＸ₄等で表される。ペロブスカイト構造を有することで、材料中での電荷の移動や、光などによる励起キャリア（電子や正孔など）の長寿命化に有利であることが知られている。

非特許文献１には、ＣＨ₃ＮＨ₂・ＨＩと、ＰｂＩ₂とを、沸点が１５３℃、誘電率が３８Ｆｍ^-1であるＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（以降、「ＤＭＦ」と記す。）溶剤に溶解させた溶液を用いて、不純物が少なく、ペロブスカイト構造のＣＨ₃ＮＨ₃ＰｂＩ₃を調製できることが開示されている。

非特許文献２には、アルキルアンモニウムカチオンと、鉛カチオンと、臭素アニオン、又は塩素アニオンから構成される層状ペロブスカイト材料に対して、沸点が５７℃、誘電率が２１Ｆｍ^-1であるアセトンが、溶解度の低い貧溶媒となることが開示されている。

Science 2012, 338, 644. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2006, 79, 1607.

ペロブスカイト構造を有する金属ハロゲン化物は励起子吸収を有することができ、例えば室温程度で励起子吸収を有することができると、励起子寿命が比較的長いことを示しており、例えば発光材料として有利になる。特に、この励起子吸収がより急峻であると、励起子寿命がより長いこと、及び／又は、よりエネルギー分布の小さな励起子を有すること、といった励起子特性に優れていることを示しており、例えば発光材料としてより優れるようになる。

しかしながら、非特許文献１に記載のＣＨ₃ＮＨ₃ＰｂＩ₃の製造には、沸点の高い溶剤が用いられている。そこで、低沸点で容易に除去できる溶剤を用いて製造できる化合物が求められている。

非特許文献２に記載の化合物は、アセトンのような沸点の低い溶剤には溶解することができない。そこで、容易に除去できる溶剤を用いて製造できる化合物の開発が求められている。

さらには、例えば、発光材料として優れる観点から、金属ハロゲン化物の中でも、より励起子特性に優れる材料の開発が望まれている。

本発明は、上記の従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、容易に除去できる溶剤を用いて製造できる、及び／又は、励起子特性に優れる化合物、その製造方法、及びその使用を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記従来技術の課題を解決すべく鋭意研究し実験を重ねた結果、所定のカチオンと所定のアニオンとを含む化合物とすることにより上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明は下記のとおりのものである。
［１］カチオンとアニオンとを含む化合物であって、前記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が第１４族元素カチオンであり、前記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が有機分子カチオンであり、前記有機分子カチオンの１モル％以上１００モル％以下が、炭素数が２以上３０以下、かつフッ素数が３以上５０以下の有機分子カチオンＡであり、前記アニオンの３０モル％以上１００モル％以下が第１７族元素アニオンである、化合物。
［２］前記カチオンの２０モル％以上７０モル％以下が、前記有機分子カチオンである、［１］に記載の化合物。
［３］前記有機分子カチオンＡのフッ素数が３以上２０以下である、［１］又は［２］に記載の化合物。
［４］前記有機分子カチオンＡの炭素数が２以上１６以下である、［１］〜［３］のいずれか１つに記載の化合物。
［５］前記有機分子カチオンがアンモニウム基を有する、［１］〜［４］のいずれか１つに記載の化合物。
［６］前記有機分子カチオンの前記アンモニウム基の数が１以上３以下である、［５］に記載の化合物。
［７］前記有機分子カチオンは、前記アンモニウム基と結合する炭素原子以外の炭素原子がパーフルオロアルキル基を構成する有機分子アンモニウムカチオンである、［５］又は［６］に記載の化合物。
［８］前記有機分子カチオンの炭素鎖が非環状である、［１］〜［７］のいずれか１つに記載の化合物。
［９］前記有機分子カチオンの炭素鎖が直鎖のみである、［１］〜［８］のいずれか１つに記載の化合物。
［１０］前記カチオンの２０モル％以上７０モル％以下が、前記第１４族元素カチオンである、［１］〜［９］のいずれか１つに記載の化合物。
［１１］前記第１４族元素カチオンが、錫カチオン又は鉛カチオンである、［１］〜［１０］のいずれか１つに記載の化合物。
［１２］前記アニオンの５５モル％以上１００モル％以下が、前記第１７族元素アニオンである、［１］〜［１１］のいずれか１つに記載の化合物。
［１３］前記アニオンが、塩素アニオン、臭素アニオン及びヨウ素アニオンからなる群より選ばれる少なくとも１種のアニオンを含む、［１］〜［１２］のいずれか１つに記載の化合物。
［１４］層構造を有する結晶を含む、［１］〜［１３］のいずれか１つに記載の化合物。
［１５］前記層構造の層間距離が８Å以上４０Å以下である、［１］〜［１４］のいずれか１つに記載の化合物。
［１６］結晶構造がペロブスカイト構造である結晶を含む、［１５］に記載の化合物。
［１７］薄膜の形態である、［１］〜［１６］のいずれか１つに記載の化合物。
［１８］固体粉体の形態である、［１］〜［１６］のいずれか１つに記載の化合物。
［１９］［１］〜［１８］のいずれか１つに記載の化合物の製造方法であって、有機アミン・ハロゲン化水素塩と、第１４族元素ハロゲン化物と、沸点が１５０℃以下の非プロトン性溶剤と、を少なくとも含む溶液から、前記溶剤を除去する工程を含む、製造方法。
［２０］前記溶剤の誘電率が３０Ｆｍ^-1以下である、［１９］に記載の化合物の製造方法。
［２１］前記溶剤がケトンである、［１９］又は［２０］に記載の化合物の製造方法。
［２２］前記溶剤がアセトンである、［１９］〜［２１］のいずれか１つに記載の化合物の製造方法。
［２３］前記溶剤を除去する工程における前記溶液の温度が、０℃以上１１０℃以下である、［１９］〜［２２］のいずれか１つに記載の化合物の製造方法。
［２４］［１］〜［１８］のいずれか１つに記載の化合物の半導体材料としての使用。
［２５］［１］〜［１８］のいずれか１つに記載の化合物の発光材料としての使用。
［２６］［１］〜［１８］のいずれか１つに記載の化合物の太陽電池材料としての使用。
［２７］［１］〜［１８］のいずれか１つに記載の化合物の太陽電池の光吸収層としての使用。
［２８］［１］〜［１８］のいずれか１つに記載の化合物の光センサーとしての使用。

本発明によると、容易に除去できる溶剤を用いて製造できる、及び／又は、励起子特性に優れる化合物、その製造方法、及びその使用を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について、詳細に説明する。以下の本実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。

本実施形態の化合物は、カチオンとアニオンとを含む化合物であって、上記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が第１４族元素カチオンであり、上記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が有機分子カチオンであり、その有機分子カチオンの１モル％以上１００モル％以下が、炭素数が２以上３０以下、かつフッ素数が３以上５０以下の有機分子カチオンＡであり、上記アニオンの３０モル％以上１００モル％以下が第１７族元素のアニオンである化合物である。このように構成されているため、本実施形態の化合物は、容易に除去できる溶剤を用いて製造でき、及び／又は、励起子特性に優れる。なお、本実施形態における「容易に除去できる溶剤」とは、例えば、該溶剤の沸点が低温（例えば１５０℃以下。）であることを意味する。これに加えて、該化合物は比較的イオン性の強いカチオンとアニオンとから構成されるために、誘電率の小さい溶剤も、該化合物から容易に除去できる。そのため、誘電率の小さい溶剤は、「容易に除去できる溶剤」として、有利に使用することができる。比較的誘電率の小さな、例えば、３０Ｆｍ^-1以下の溶剤を用いた際にも、好適に該化合物を製造することができる。容易に除去できる溶剤を該化合物の原料に対する溶剤として用いると、化合物の製造に有利であるだけでなく、化合物のパターニングなどのためのエッチングにも有利とすることができる。また、該化合物は、該溶剤を用いることで、より不純物が少ない、及び／又は、より結晶性が高い化合物とすることもできる。なお、「結晶性が高い」とは、該化合物の結晶子径が大きいこと、及び／又は、該化合物が層状化合物である場合、励起子吸収があることを意味する。特に、その化合物が励起子吸収を有する場合は、その吸収の急峻さが大きいことからも結晶性が高いことを評価することができる。さらに、「励起子特性に優れる」とは、励起子寿命がより長いこと、及び／又は、よりエネルギー分布の小さな励起子を有することなどを示しており、励起子吸収の急峻さが大きいこと（例えば、励起子吸収ピークの半値幅が狭いこと）などから、励起子特性に優れるか否かを判定することができる。

（化合物）
本実施形態における化合物は、カチオンとアニオンとを含む化合物であって、上記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が第１４族元素カチオンである。該化合物を形成するために有利となる観点から、化合物における第１４族元素カチオンの含有量は２０モル％以上が好ましく、３０モル％以上がより好ましく、４０モル％以上がさらに好ましい。また、層状構造の形成に有利となる観点から、上記化合物における第１４族元素カチオンの含有量は８０モル％以下が好ましく、７５モル％以下がより好ましく、７０モル％以下がさらに好ましく、６５モル％以下が特に好ましい。

上記第１４族元素カチオンとしては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ⁴⁺、Ｇｅ²⁺、Ｇｅ⁴⁺、Ｓｎ²⁺、Ｓｎ⁴⁺、及びＰｂ²⁺が挙げられる。第１４族元素カチオンと第１７族元素アニオンとの八面体構造の形成により有利である観点から、第１４族元素カチオンは２価のカチオンであることが好ましく、具体的には、Ｇｅ²⁺、Ｓｎ²⁺又はＰｂ²⁺が好ましい。また、酸化に対して比較的安定である観点から、第１４族元素カチオンは、Ｓｎ²⁺、又はＰｂ²⁺がより好ましく、Ｐｂ²⁺がさらに好ましい。本実施形態においては、第１４族元素カチオンが、錫カチオン及び鉛カチオンの少なくとも一方を含むことが特に好ましく、錫カチオン又は鉛カチオンであることが極めて好ましい。第１４族元素カチオンは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いられる。

本実施形態における化合物において、カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が、有機分子カチオンである。なお、本実施形態における「有機分子カチオン」とは、炭素原子を有する分子カチオンを意味する。容易に除去できる溶剤への溶解度を高めた化合物を形成する観点から、その化合物に含まれるカチオンの１０モル％以上９０モル％以下が有機分子カチオンであることが重要である。同様の観点から、該化合物に含まれる有機分子カチオンの量は、化合物に含まれるカチオンの全量に対して、２０モル％以上であると好ましく、２５モル％以上であるとより好ましい、一方、該化合物の形成に有利である観点から、その化合物に含まれる有機分子カチオンの量は、化合物に含まれるカチオンの全量に対して、８０モル％以下であると好ましく、７０モル％以下であるとより好ましい。

有機分子カチオンは、容易に除去できる溶剤への溶解度を更に高めることのできる化合物を形成することに有利となる観点から、アンモニウム基を有することが好ましい。該化合物を形成することにさらに有利となる観点、及び、化合物の結晶性向上にさらに有利となる観点から、上記化合物が有するアンモニウム基の数は、１以上３以下であることが好ましく、１以上２以下であることがより好ましく、１であることが最も好ましい。

本実施形態において、有機分子カチオンの１モル％以上１００モル％以下が、炭素数が２以上３０以下、かつフッ素数が３以上５０以下の有機分子カチオンＡである。

有機分子カチオンＡのフッ素数が３以上５０以下であることにより、化合物調製時に容易に除去できる溶剤への溶解度を一層高め、該化合物を有利に形成することができる。さらに加えて、化合物について、半導体特性の向上、蛍光波長の短波長化、バンドギャップの拡大、及び自由電荷生成の促進をさらに有利にすることもできる。容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度をさらに高めることができる観点、半導体特性が向上する観点、バンドギャップを一層大きくできる観点、蛍光波長をより短波長化できる観点、及び自由電荷生成をさらに促進する観点から、有機分子カチオンＡのフッ素数は、５以上であると好ましく、７以上であるとより好ましい。該化合物の形成にさらに有利である観点から、有機分子カチオンＡのフッ素数は３５以下であると好ましく、２５以下であるとより好ましく、１５以下であるとさらに好ましい。

本実施形態において、有機分子カチオンＡの炭素数が２以上３０以下であることにより、有機分子カチオンＡが安定となり、容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度を一層高め、該化合物を有利に形成することができる。さらに加えて、化合物について、半導体特性の向上、蛍光波長の短波長化、バンドギャップの拡大、及び自由電荷生成の促進をさらに有利にすることもできる。有機分子カチオンＡ中の正に帯電している部位、特にプロトンを生成しやすい官能基、より具体的にはアンモニウム基など、と結合している炭素原子にフッ素原子が結合している分子は安定に存在することが難しい。そこで、その帯電している部位に結合している炭素原子には、フッ素原子が結合していないことが重要である。そのために、有機分子カチオンＡの炭素数は、特に、炭素数が２以上であることが重要である。より多くフッ素原意を含むことができる観点、容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度をさらに高めることができる観点、半導体特性が向上する観点、バンドギャップを一層大きくできる観点、蛍光波長をより短波長化できる観点、及び自由電荷生成をさらに促進する観点から、有機分子カチオンＡの炭素数は、３以上であると好ましく、４以上であるとより好ましい。

また、該化合物の形成に有利である観点から、有機分子カチオンＡの炭素数は、２０以下であると好ましく、１６以下であるとより好ましく、１０以下であるとさらに好ましく、８以下であるとなおもさらに好ましく、６以下であると特に好ましい。

より多くのフッ素原子を含むことができる観点、容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度をさらに高めることができる観点、半導体特性が向上する観点、バンドギャップを一層大きくできる観点、蛍光波長をより短波長化できる観点、及び自由電荷生成をさらに促進する観点から、有機分子カチオンの炭素鎖は、環状の構造を有さない（すなわち、炭素鎖が非環状である。）ことが好ましく、直鎖のみであることがさらに好ましい。ここで、「直鎖」とは、分岐鎖のない炭素鎖などを含み、芳香環は含まない。より多くのフッ素原子を含むことができる観点、容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度をさらに高めることができる観点、半導体特性が向上する観点、バンドギャップを一層大きくできる観点、蛍光波長をより短波長化できる観点、及び自由電荷生成をさらに促進する観点から、有機分子カチオンは、アンモニウム基と結合する炭素原子以外の炭素原子がパーフルオロアルキル基を構成する有機分子アンモニウムカチオンであることが好ましい。

具体的な有機分子カチオンとしては、特に限定されないが、例えば、エチルアンモニウムカチオン、プロピルアンモニウムカチオン、ブチルアンモニウムカチオン、ペンチルアンモニウムカチオン、ヘキシルアンモニウムカチオン、ヘプチルアンモニウムカチオン、オクチルアンモニウムカチオン、ノニルアンモニウムカチオン、デシルアンモニウムカチオン、ジエチルアンモニウムカチオン、ジプロピルアンモニウムカチオン、及びトリエチルアンモニウムカチオン、並びに、これらのカチオンの異性体、における３つ以上の水素原子をフッ素原子に置換したものが挙げられる。より具体的には、２，２，２−トリフルオロエチルアンモニウム、２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロピルアンモニウム、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアンモニウム、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアンモニウム、及び２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアンモニウムが挙げられ、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアンモニウム、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアンモニウム、及び２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアンモニウムが好ましい。

本実施形態の化合物は、第１４族元素カチオン及び有機分子カチオン以外のカチオンを含んでもよい。そのようなカチオンとしては、例えば、炭素数と窒素数との和が１以上５以下の有機分子カチオン、及び単一元素カチオンが挙げられ、これらを含むことは、第１４族元素カチオンに後述のアニオンが６配位することで形成される八面体ネットワーク構造を、複数層有するペロブスカイト構造を形成することに有利となる。炭素数と窒素数との和が１以上５以下の有機分子カチオンとしては、より具体的には、炭素数と窒素との和が１以上５以下の有機アンモニウムカチオンが挙げられ、さらに具体的には、メチルアンモニウムカチオン及びホルムアミジウムカチオンが挙げられる。単一元素カチオンの具体例には、第１族元素カチオンが挙げられ、より具体的には、セシウムカチオンが挙げられる。

化合物は、そこに含まれるアニオンの全量（１００モル％）に対して、第１７族元素アニオンを３０モル％以上１００モル％以下含む。化合物が第１７族元素アニオンを３０モル％以上１００モル％以下含むことは、容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度を高め、該化合物を有利に形成するために重要である。化合物に含まれるアニオンの全量に対する第１７族元素の含有量は、化合物が異なる種類の第１７族元素アニオンを含む場合は、それらのモル比率の総和である。容易に除去できる溶剤への化合物の溶解度を高め、該化合物を有利に形成するのにより有利となる観点から、化合物に含まれるアニオンの全量に対する第１７族元素アニオンの含有量は、５５モル％以上であることが好ましく、６５％以上であることがより好ましく、８０モル％以上であることがさらに好ましい。具体的な第１７族元素アニオンとしては、特に限定されないが、例えば、ヨウ素アニオン、臭素アニオン、及び塩素アニオンが挙げられる。結晶化に有利である観点から、第１７族元素アニオンは、ヨウ素アニオン又は臭素アニオンを含むことが好ましい。バンドギャップをより小さくする観点から、第１７族元素アニオンは、ヨウ素アニオンを含むことがより好ましい。結晶性を向上させる観点から、第１７族元素アニオンは、臭素アニオンを含むことがより好ましい。第１７族元素は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いられる。

本実施形態において、化合物は、層構造を有する結晶を含むと好ましく、また、結晶構造として複数層連なるペロブスカイト構造を含むことが好ましい。本実施形態のペロブスカイト構造とは、後述の八面体ネットワークの層数が複数であるペロブスカイト構造、及び層状ペロブスカイト構造、並びにその両方を含む構造を意味する。なお、層状ペロブスカイト構造とは、結晶構造において層構造を有するペロブスカイト構造を意味する。ペロブスカイト構造を有することで、電荷の移動により有利になる。本実施形態におけるペロブスカイト構造の化合物、例えば層状ペロブスカイト構造とは、Ａ₂ＢＸ₄という一般式で表され、Ａサイト及びＢサイトのカチオンと、Ｘサイトのアニオンとから構成される。そのような化合物としては、例えば、（Ｃ₅Ｆ₁₁ＣＨ₂ＮＨ₃）₂ＰｂＩ₄が挙げられる。この化合物において、ＡサイトのカチオンはＣ₅Ｆ₁₁ＣＨ₂ＮＨ₃ ⁺に、ＢサイトのカチオンはＰｂ²⁺に、ＸサイトのカチオンはＩ^-に、それぞれ対応する。Ｂサイトのカチオンは、Ｘサイトのアニオンに６配位で結合しており、八面体を形成している。この八面体構造の少なくとも一部は、隣り合う八面体構造と頂点共有をしている。本実施形態における層状構造とは、層構造を有する構造を意味し、層構造とは、ＢサイトのカチオンとＸサイトのアニオンによる八面体構造が頂点共有していない面を有する構造を指す。化合物は層構造を有することで、励起子の束縛エネルギーを大きくすることにより有利になる。なお、本実施形態において、励起子の束縛エネルギーが大きいことは、その化合物について、室温での励起子吸収が観察されるか否かにより判定することができる。また、本実施形態の化合物は、励起子の束縛エネルギーが大きいことにより、後述の発光材料などとして、より好適に利用できる。化合物の励起子の束縛エネルギーについて、化合物の結晶性が高いことにより、層構造を形成するバリア層による量子閉じ込め効果を顕著にすることができる。よって、層構造を有する化合物が室温にて励起子吸収を有すること、すなわち励起子の束縛エネルギーが大きくなることは、化合物の結晶性が比較的高いことを意味する。また、層状ペロブスカイト構造とは、層構造を有し、かつ八面体が連なった平面構造（以下、「八面体平面構造」という。）を有する構造を意味する。さらに、八面体ネットワークとは、上記八面体平面構造が２層以上重なった構造を意味し、例えば各八面体の５つ以上が頂点共有している構造である。第１４族元素カチオンとアニオンとによる八面体ネットワークは、八面体平面構造が２層以上重なった構造であり、例えば各八面体の５つ以上が頂点共有している構造である。この結晶構造は、Ｘ線結晶構造解析や透過型電子顕微鏡像の格子像などの種々公知の手法により評価することができる。特に、ペロブスカイト構造であるか否かは、ＰｂカチオンとＢｒアニオンによる八面体が頂点共有している構造において、Ｐｂカチオンと臭素アニオンとによる面間の回折に由来する、２θ＝１４〜１５°の回折ピークを薄膜のｉｎ−ｐｌａｎｅＸＲＤ測定などから検出することで判定できる。

本実施形態の化合物がペロブスカイト構造を有する場合、Ａサイトは有機分子カチオン、Ｂサイトは第１４族元素カチオン、Ｘサイトは第１７族元素アニオンであることが好ましい。化合物が層構造を有する結晶である場合（例えば層状ペロブスカイト構造を有する場合）、その層間距離は、層状構造（例えば層状ペロブスカイト構造）の形成により有利である観点から、８Å以上４０Å以下であることが好ましい。本実施形態において、層状ペロブスカイト構造に含まれる八面体ネットワークの層数が複数層である構造は、八面体平面構造が２層以上５層以下重なった構造であると好ましい。八面体平面構造が２層以上５層以下重なった構造を有することで、励起子の束縛エネルギーがより大きく、かつバンドギャップがさらに小さく、キャリアの移動に一層有利とすることができる。

光励起をさせるための光の発生がより容易である観点から、化合物のバンドギャップは、５．０ｅＶ以下であると好ましく、４．０ｅＶ以下であるとより好ましい。一方、光の透過により有利である観点から、化合物のバンドギャップは、１．０ｅＶ以上であると好ましく、１．５ｅＶ以上であるとより好ましい。

本実施形態の化合物は、様々な形態をとりうるが、取り扱いがより容易である観点から、固体粉末や薄膜の形態であることが好ましく、積層構造により有利である観点から、薄膜の形態であることがより好ましい。

化合物の結晶子径は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。結晶性向上により有利である観点から、結晶子径は５ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍ以上がさらに好ましい。凹凸の小さな薄膜とするためにより有利である観点から、結晶子径は２００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が好ましい。

（化合物の製造方法）
本実施形態の化合物の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、後述する所定の原料及び溶剤を用い、所定の工程を経るものとすることができる。特に、組成がより均一な化合物を調製するためには、溶剤を用いて化合物を調製することが望ましく、この溶剤は容易に除去できる、例えば沸点が低い溶剤であることが望ましい。そのため、本実施形態の化合物の製造方法は、有機アミン・ハロゲン化水素塩と、第１４族元素ハロゲン化物と、沸点が１５０℃以下の非プロトン性溶剤とを少なくとも含む溶液から、上記溶剤を除去する工程を含むことが好ましい。容易に除去できる溶剤を化合物の製造方法に適用することで、溶剤除去の工程を簡便にできる観点から、化合物が上述の構成を有することが重要である。また、該化合物の製造の際に、沸点が１５０℃以下の非プロトン性溶剤を用いることにより、該化合物について、不純物をより少なくしたり、結晶性をより高めたり、束縛エネルギーをより大きくしたりすることができる。

本実施形態の化合物は、溶剤を用いない方法、あるいは、溶剤を用いる方法により製造することもできる。溶剤を用いない方法として、以下に限定されないが、例えば、蒸着法及び固相法が挙げられる。組成がより均一な化合物を製造する観点から、本実施形態の化合物は、溶剤を用いる方法、すなわち、化合物の原料を溶剤に溶解させた溶液から、溶剤を除去することで結晶化させる方法で製造することが好ましい。すなわち、本実施形態に係る化合物の製造方法は、上述の所定のカチオンとアニオンとを含む物質を、非プロトン性溶剤に溶解させて溶液を得る工程と、当該溶液から溶剤を除去する工程とを含むことが好ましい。また、溶剤除去の工程を簡便にできる観点から、容易に除去できる溶剤を化合物の製造方法に用いることが好ましい。溶剤の除去がより容易になる観点から、溶剤の沸点は低いことが好ましく、具体的には、１５０℃以下であることが好ましく、１００℃以下であることがより好ましく、７０℃以下であることがさらに好ましい。該化合物は比較的イオン性の強いカチオンとアニオンとから構成されるので、より容易に溶剤を除去できる観点から、化合物の製造に用いる溶剤の誘電率は小さいことが好ましく、具体的には、３７Ｆｍ^-1以下であると好ましく、３０Ｆｍ^-1以下であるとより好ましく、２５Ｆｍ^-1以下であるとさらに好ましい。該化合物の前駆体の溶解性に優れる観点から、その溶剤はケトンであることが好ましく、より具体的にはアセトンであると好ましい。

本実施形態の化合物の原料としては、該化合物を構成するカチオン元素を含む物質、及び構成するアニオン元素を含む物質が好ましい。特に、非プロトン性溶剤と、有機分子カチオンと、第１４族元素カチオンと、第１７族元素アニオンとを含む溶液であって、第１７族元素アニオンと第１４族元素カチオンとのモル比（第１７族元素アニオン／第１４族元素カチオン）が０．１以上１０以下である溶液を調製する工程と、その溶液から溶剤を除去する工程とを含むことが好ましい。

上記化合物は、具体的には、ハロゲン化金属、及び塩基とハロゲン化水素との塩などを原料とすることが好ましい。上記ハロゲン化金属を構成するハロゲン種は、新ＩＵＰＡＣの周期表における第１７族元素が好ましい。具体的な第１７族元素としては、特に限定されないが、例えば、ヨウ素、臭素、及び塩素が挙げられ、化合物の結晶化に有利である観点から、ヨウ素及び臭素が好ましい。化合物のバンドギャップを小さくするために好ましい観点から、第１７族元素はヨウ素であるとより好ましい。また、結晶性を向上させる観点から、第１７族元素は臭素であるとより好ましい。同様の観点から、ハロゲン化金属は、第１４族元素ハロゲン化物であると好ましく、具体的には、ゲルマニウムハロゲン化物、錫ハロゲン化物、及び鉛ハロゲン化物が挙げられ、２価の第１４族カチオンが安定である観点から、錫ハロゲン化物、及び鉛ハロゲン化物が好ましく、鉛ハロゲン化物がより好ましい。より具体的には、上記と同様の観点から、ヨウ化鉛及び臭化鉛が好ましい。ハロゲン化金属は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いられる。

上記塩基とハロゲン化水素との塩としては、有機アミン・ハロゲン化水素塩が好ましい。その具体例としては、以下に限定されないが、２，２，２−トリフルオロエチルアミン・ヨウ化水素塩、２，２，２−トリフルオロエチルアミン・臭化水素塩、２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロピルアミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロピルアミン・臭化水素塩、２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロピルアミン・塩化水素塩、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアンミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアンミン・臭化水素塩、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアンミン・塩化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・臭化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・塩化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・臭化水素塩、及び、２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・塩化水素塩が挙げられる。これらの中では、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアミン・臭化水素塩、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアンミン・塩化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・臭化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・塩化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・ヨウ化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・臭化水素塩、及び２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・塩化水素塩が好ましく、２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアミン・臭化水素塩、２，２，３，３，４，４，５，５，５−ノナフルオロペンタアミン・臭化水素塩、及び２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・臭化水素塩がより好ましい。塩基とハロゲン化水素との塩は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いられる。

上記溶液には、化合物に含まれる有機分子カチオンと、第１４族元素カチオンと、第１７族元素アニオンとが含まれることが好ましい。第１７族元素アニオンと、第１４族元素カチオンとのモル比（第１７族元素カチオン／第１４族元素カチオン）は、０．１以上１０以下であると好ましく、０．５以上８以下であるとより好ましく、１以上５以下であるとさらに好ましい。本実施形態の化合物の製造方法は、上記のように調製された溶液から溶剤を除去する工程をさらに有することがとりわけ好ましい。上記溶液から溶剤を除去する工程としては、特に限定されないが、例えば、室温にて若しくは加熱により溶剤を蒸発除去する工程、並びに、貧溶媒との接触や混合により、良溶媒である溶剤を除去する工程が挙げられる。

該化合物を製造するための原料の固定化、例えば薄膜の形態の化合物の製造方法としては、以下に限定されないが、例えば、溶液を基板に塗布するスピンコート法及びスプレー法が挙げられる。また、塗布した後の塗膜において液相反応をさせる液相反応法を採用してもよい。溶液の引火などの危険性がより少ない、及び／又は、調製方法の調整がより容易である観点から、スピンコート法が好ましい。また、貧溶媒を用いて、過剰な溶媒の除去や、核生成を促進することもできる。

該化合物を製造するときの温度、特に溶剤を除去する工程における溶液の温度は、０℃以上１１０℃以下であると好ましい。この温度が０℃以上であると、溶剤の除去がより容易となり、１１０℃以下であると、加熱により消費されるエネルギーをより少なくすることができる。より小さなエネルギーで該化合物を製造できる観点から、該化合物を製造するときの温度、特に溶剤を除去する工程における温度は、８０℃以下であるとより好ましく、５０℃以下であるとさらに好ましい。一方、本実施形態の化合物をより高い収率で得る観点から、溶媒を除去する工程における温度は、室温以上であると好ましく、具体的には２０℃以上であると好ましく、４０℃を超えるとより好ましく、４５℃以上であるとさらに好ましい。上記温度の調整方法としては、例えば、溶液を基板に塗布する場合に、塗布前に予め基板を加熱しておく方法、並びに、塗布した後の塗膜を加熱する方法（基板を加熱することによって塗膜を加熱する方法、塗膜に直接温風を当てる方法、塗膜を輻射熱により加熱する方法など）が挙げられる。

該化合物を製造するときの雰囲気は、特に限定されず、例えば、大気中や不活性雰囲気中であってもよいが、より簡便に化合物を調製できる観点から、大気中で化合物を調製することが好ましい。また、化合物の純度を更に高くできる観点から、不活性雰囲気中で化合物を調製することが好ましい。

（用途）
本実施形態の化合物は、半導体材料として利用することができる。本実施形態における半導体材料としては、例えば、バンドギャップが２ｅＶ以下である材料が挙げられる。

本実施形態の化合物は、他の用途に用いることもできる。具体的には、電子若しくは正孔又はイオンを伝導する材料、光吸収による光励起キャリアの生成を利用する材料、及びその再結合による発光を利用する材料が挙げられる。より具体的には、発光材料、太陽電池材料、太陽電池の光吸収層、光センサー、光触媒、イオン伝導材料、導電性材料、圧電素子、及びパワーデバイスが挙げられる。本実施形態でのイオンとは、該材料を構成するカチオン又はアニオンのことを指す。該化合物は、励起子の束縛エネルギーがより大きい観点から、発光材料としての使用が好ましい。化合物は太陽光に含まれる波長の光を吸収できる観点から、太陽電池の光吸収層用の化合物であることが好ましい。さらに、特定波長の光を利用できる観点から、化合物は、光センサーとして利用することが好ましい。

本実施形態の化合物は、優れた発光特性を有するため、該化合物を含む発光素子などに適用することが好ましい。本実施形態の化合物は、発光のストークスシフトを小さくできる、発光量子収率を大きくできるなどの特徴と相俟って、好適に発光材料として使用できる。

本実施形態の化合物は、優れた光吸収特性を有するため、太陽電池セルに含ませると好ましく、特に、太陽電池セルに備えられる光吸収層が該化合物を含むと好まし。このような化合物の使用によると、さらに、光電流密度、開放電圧、及びフィルファクターの少なくとも一つを向上させることで、当該化合物が有する光吸収特性と相俟って太陽光変換効率を向上させることができる。

以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態はその要旨を超えない限り、これらの実施例と比較例によって何ら限定されるものではない。後述する実施例及び比較例における各種物性及び反応条件は、以下に示す方法により測定及び設定した。

（結晶構造）
化合物の結晶構造は、Ｘ線回折装置（製品名「ＳｍａｒｔＬａｂ」、リガク社製）を用いて測定したＣｕα線によるＸ線回折（ＸＲＤ）パターンから評価した。層構造を有するか否かの判定は、該化合物のＸＲＤパターンに、２θ＝１１°（ｄ＝８Å）よりも低角度の回折ピークを有する場合は層構造が存在するとして「○」と判定し、そのような回折ピークを有しない場合は層構造が存在しないとして「×」と判定し、その低角度のピークの回折角から層間距離を求めた。結晶子径は、層構造に由来する回折ピークの半値幅からシェラー式により算出することで求めた。

（化合物の組成）
溶剤に原料が目視で完全に溶解した場合は、薄膜を調製し、その薄膜のＸＲＤから化合物の組成を同定した。溶剤に原料が完全に溶解しなかった場合は、化合物を×と表記した。

（生成物）
化合物のＸＲＤパターンにおける、回折ピークの一番大きな材料を主生成物と判断してその組成を表記し、該化合物と異なる材料が回折ピークの一番大きな材料である場合は、「混合物」と表記した。

（励起子吸収）
励起子吸収の評価は、該化合物の室温における吸収スペクトルを紫外可視近赤外分光計（製品名「ＵＶ−ＰＣ３１００」、ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製）を用いて測定し、その吸収スペクトルが励起子吸収を有するか否かにより、判定した。励起子吸収を有する場合を「○」、有しない場合を「×」とした。室温にて励起子吸収を有する場合は励起子の束縛エネルギーが大きく、有しない場合は励起子の束縛エネルギーが小さいことを意味する。また、一部の実施例及び比較例では、この励起子吸収の半値幅も算出し、励起子特性の指標とした。

（加熱温度）
一部の実施例及び比較例では、スピンコートの前の基板又はスピンコート後の塗膜を加熱することがあり、以下、スピンコート後の塗膜を加熱することを「後加熱」、後加熱時に塗膜に加えた最も高い温度を「後加熱温度」、スピンコート前に基板を加熱した際の基板の温度を、「基板加熱温度」とした。

下記に示すとおり、実施例１〜４及び比較例１〜２に係る薄膜を調製し、その物性を評価した。

（実施例１）
溶剤としてアセトンを用い、これに２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアミン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように溶解させて、溶液１を得た。基板として石英板を用い、溶液１をその基板に１００μＬ滴下した。その後、２０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートし、２５℃にて６０分間乾燥させて溶剤を除去することで基板上に薄膜サンプルを得た。サンプルの結晶構造及び吸収スペクトルを評価した。結果を表１に示す。

（実施例２）
溶剤としてアセトンを用い、これに２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように溶解させて、溶液２を得た。溶液１に代えて溶液２を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、薄膜サンプルを得た。評価した結果を表１に示す。

（実施例３）
溶剤としてＤＭＦを用い、これに２，２，３，３，４，４，４−ヘプタフルオロブチルアミン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように溶解させて、溶液３を得た。溶液１に代えて溶液３を用い、スピンコート後の塗膜の乾燥条件（後加熱条件）を、２５℃にて６０分間から４０℃の後加熱温度（基板を加熱した際の塗膜の温度）にて５分間に変更した以外は実施例１と同様に操作を行い、薄膜サンプルを得た。評価した結果を表１に示す。

（実施例４）
スピンコート後の塗膜の後加熱温度を４０℃から１２０℃に変更した以外は実施例３と同様に操作を行い、薄膜サンプルを得た。評価した結果を表１に示す。

（実施例５）
溶剤としてＤＭＦを用い、これに２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，６−ウンデカフルオロヘキサンアミン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように溶解させて、溶液４を得た。溶液１に代えて溶液４を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、薄膜サンプルを得た。評価した結果を表１に示す。

（比較例１）
溶剤としてアセトンを用い、これにノルマルブチルアニオン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように混合して試料５を得た。原料は溶剤に完全には溶解しなかった。評価した結果を表１に示す。

（比較例２）
溶剤としてアセトンを用い、これにノルマルヘキシルアニオン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように混合して試料６を得た。原料は溶剤に完全には溶解しなかった。評価した結果を表１に示す。

実施例１〜５の結果から、本実施形態の化合物は、層間距離が８Å以上の層構造を有する化合物であることが分かった。

実施例１及び２と比較例１及び２とを比較すると、沸点が低く誘電率の小さなアセトンを溶剤として試料を調製した際に、比較例１及び２における原料は溶解せず、溶液を調製できなかった。この結果から、本実施形態の化合物は、除去が容易な溶剤を用いて調製できる化合物であることが分かった。

実施例３〜５の結果から、沸点が高く誘電率の大きなＤＭＦ溶剤を用いても、本実施形態の化合物の調製が可能であることが分かった。また、試料の加熱温度が４０℃以下の実施例３及び５では、主生成物が不純物となり、試料の後加熱温度が１２０℃の実施例４では、本実施形態の化合物が主生成物となった。これらのことから、沸点が高く誘電率の大きな溶剤を用いる場合、主生成物として本実施形態の化合物を製造するためには、比較的高温での加熱を必要とすることが分かった。

実施例１及び２と実施例３〜５とを比較すると、実施例１及び２のみに励起子吸収がみられたことから、沸点が低く誘電率の小さな溶剤を用いることで、量子閉じ込めに十分な結晶性の層状化合物を得ることができ、特に、発光材料などとして好適に用いることが可能であることが示された。

（実施例６）
溶剤としてＤＭＦを用い、２，２，３，３，３−テトラフルオロプロピルアミン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように溶解させて、溶液７を得た。溶液１に代えて溶液７を用い、基板をスピンコート前に７０℃に加熱した以外は実施例１と同様に操作を行い、薄膜サンプルを得た。評価した結果を表２に示す。

（比較例３）
溶剤としてＤＭＦを用い、ノルマルプロピルアミン・臭化水素塩と、臭化鉛とを、それぞれ０．２６６Ｍ及び０．１３３Ｍとなるように溶解させて、溶液８を得た。溶液１に代えて溶液８を用いた以外は実施例６と同様に操作を行い、薄膜サンプルを得た。評価した結果を表２に示す。

実施例６の結果から、本実施形態の化合物は、層間距離が８Å以上の層構造を有する化合物であることが分かった。

実施例６と比較例３の結果を比較すると、実施例６の方が比較例３よりも、小さな励起子吸収の半値幅を示した。このことから、本実施形態の化合物は、優れた励起子特性、すなわち励起子寿命がより長い、及び／又は、よりエネルギー分布の小さな励起子を有することが分かった。

本発明によると、容易に除去できる溶剤を用いて製造できる化合物を提供でき、その化合物は、半導体材料、より具体的には、発光材料、太陽電池の光吸収層などの太陽電池材料等の分野に産業上の利用可能性がある。

Claims (28)

1. カチオンとアニオンとを含む化合物であって、
   前記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が第１４族元素カチオンであり、
   前記カチオンの１０モル％以上９０モル％以下が有機分子カチオンであり、
   前記有機分子カチオンの１モル％以上１００モル％以下が、炭素数が２以上３０以下、かつフッ素数が３以上５０以下の有機分子カチオンＡであり、
   前記アニオンの３０モル％以上１００モル％以下が第１７族元素アニオンである、
   化合物。
2. 前記カチオンの２０モル％以上７０モル％以下が、前記有機分子カチオンである、請求項１に記載の化合物。
3. 前記有機分子カチオンＡのフッ素数が３以上２０以下である、請求項１又は２に記載の化合物。
4. 前記有機分子カチオンＡの炭素数が２以上１６以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の化合物。
5. 前記有機分子カチオンがアンモニウム基を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の化合物。
6. 前記有機分子カチオンの前記アンモニウム基の数が１以上３以下である、請求項５に記載の化合物。
7. 前記有機分子カチオンは、前記アンモニウム基と結合する炭素原子以外の炭素原子がパーフルオロアルキル基を構成する有機分子アンモニウムカチオンである、請求項５又は６に記載の化合物。
8. 前記有機分子カチオンの炭素鎖が非環状である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の化合物。
9. 前記有機分子カチオンの炭素鎖が直鎖のみである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の化合物。
10. 前記カチオンの２０モル％以上７０モル％以下が、前記第１４族元素カチオンである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の化合物。
11. 前記第１４族元素カチオンが、錫カチオン又は鉛カチオンである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の化合物。
12. 前記アニオンの５５モル％以上１００モル％以下が、前記第１７族元素アニオンである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の化合物。
13. 前記アニオンが、塩素アニオン、臭素アニオン及びヨウ素アニオンからなる群より選ばれる少なくとも１種のアニオンを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の化合物。
14. 層構造を有する結晶を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の化合物。
15. 前記層構造の層間距離が８Å以上４０Å以下である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の化合物。
16. 結晶構造がペロブスカイト構造である結晶を含む、請求項１５に記載の化合物。
17. 薄膜の形態である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の化合物。
18. 固体粉体の形態である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の化合物。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の化合物の製造方法であって、
    有機アミン・ハロゲン化水素塩と、第１４族元素ハロゲン化物と、沸点が１５０℃以下の非プロトン性溶剤と、を少なくとも含む溶液から、前記溶剤を除去する工程を含む、製造方法。
20. 前記溶剤の誘電率が３０Ｆｍ^-1以下である、請求項１９に記載の化合物の製造方法。
21. 前記溶剤がケトンである、請求項１９又は２０に記載の化合物の製造方法。
22. 前記溶剤がアセトンである、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の化合物の製造方法。
23. 前記溶剤を除去する工程における前記溶液の温度が、０℃以上１１０℃以下である、請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の化合物の製造方法。
24. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の化合物の半導体材料としての使用。
25. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の化合物の発光材料としての使用。
26. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の化合物の太陽電池材料としての使用。
27. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の化合物の太陽電池の光吸収層としての使用。
28. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の化合物の光センサーとしての使用。