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JP2019001754A - 化合物、化合物の製造方法及びグラフェンナノリボンの製造方法 - Google Patents

化合物、化合物の製造方法及びグラフェンナノリボンの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体装置への適用性に優れるグラフェンナノリボンの提供。【解決手段】グラフェンナノリボンの前駆体として、式（９）で表される化合物を用いて、真空中で加熱された触媒金属板上に蒸着してポリマーを合成、更に加熱して得る方法。（ＸはＢｒ等の脱離基；Ｒは各々独立にＨ、Ｆ、Ｃｌ又はＣ１〜１２のアルキル基）【選択図】なし

Description

本発明は、化合物、化合物の製造方法及びグラフェンナノリボンの製造方法に関する。
ナノカーボン材料の１つとして、グラフェンナノリボンが知られている。半導体装置へのグラフェンナノリボンの適用を考え、その幅及びエッジ構造を制御し、バンドギャップを有する半導体性のグラフェンナノリボンを得る試みがなされている。グラフェンナノリボンのエッジ構造の１つとして、アームチェア型エッジが知られている。また、グラフェンナノリボンを得る手法の１つとして、前駆体の化合物を重合してグラフェンナノリボンを合成する、ボトムアップ手法（ボトムアップ合成）が知られている。
国際公開第２０１３／０６１２５８号パンフレット
ネイチャー（Nature），２０１０年，第４６６巻，ｐ．４７０−４７３
グラフェンナノリボンの前駆体として知られるこれまでの化合物では、その構造上、半導体装置に適したバンドギャップ、即ち幅を有するグラフェンナノリボンを合成することができない場合があった。また、前駆体として用いる化合物の構造上、グラフェンナノリボンを合成する過程での制御が難しく、半導体装置に適したグラフェンナノリボンを合成することができない場合があった。
一観点によれば、下記一般式（１）で表される化合物が提供される。
〔前記一般式（１）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基であり、Ｒは、相互に独立して、水素原子、フッ素原子若しくは塩素原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基であり、ｐ、ｑ、ｒ及びｓはそれぞれ、０〜５の整数である。〕
また、一観点によれば、上記のような化合物の製造方法、及び上記のような化合物を用いたグラフェンナノリボンの製造方法が提供される。
半導体装置への適用性に優れるグラフェンナノリボンを実現することが可能になる。
グラフェンナノリボンの第１の合成例について説明する図である。 グラフェンナノリボンの第２の合成例について説明する図である。 前駆体合成ルートの一例を示す図である。 グラフェンナノリボン合成ルートの一例を示す図である。 グラフェンナノリボンのバンド構造について説明する図（その１）である。 グラフェンナノリボンのバンド構造について説明する図（その２）である。 前駆体から合成される分子間の相互作用について説明する図（その１）である。 前駆体から合成される分子間の相互作用について説明する図（その２）である。 前駆体から合成される分子間の相互作用について説明する図（その３）である。 前駆体及びグラフェンナノリボンの合成ルートの別例について説明する図（その１）である。 前駆体及びグラフェンナノリボンの合成ルートの別例について説明する図（その２）である。 前駆体合成ルートの別例について説明する図である。 半導体装置の第１の例を示す図である。 半導体装置の第２の例を示す図である。 半導体装置の第３の例を示す図である。 半導体装置の第４の例を示す図である。 電子装置について説明する図である。
はじめに、ボトムアップ合成によってグラフェンナノリボンを得る２通りの例について、図１及び図２を参照して説明する。
図１はグラフェンナノリボンの第１の合成例について説明する図、図２はグラフェンナノリボンの第２の合成例について説明する図である。
図１に示す第１の例は、１０，１０’−ジブロモ−９，９’−ビアントリル（10,10'-dibromo-9,9'-bianthryl；ＤＢＢＡ）１００を前駆体として、炭素原子７個分相当の幅を持ったアームチェア型エッジのグラフェンナノリボン（７ＡＣＧＮＲ）１２０を合成するものである。前駆体であるＤＢＢＡ１００を触媒金属基板上に蒸着して重合（ウルマン反応）させることにより、ポリマー鎖１１０を得て、そのポリマー鎖１１０の脱水素反応による芳香族化（芳香環化）により、７ＡＣＧＮＲ１２０を得る。尚、図１に示すポリマー鎖１１０及び７ＡＣＧＮＲ１２０におけるｎは重合度を表す。
図２に示す第２の例は、３’，６’−ジブロモ−１，１’：２’，１’’−テルフェニル（3',6'-dibromo-1,1':2',1''-terphenyl；ＤＢＴＰ）２００を前駆体として、炭素原子９個分相当の幅を持ったアームチェア型エッジのグラフェンナノリボン（９ＡＣＧＮＲ）２２０を合成するものである。前駆体であるＤＢＴＰ２００を触媒金属基板上に蒸着して重合（ウルマン反応）させることにより、ポリマー鎖２１０を得て、そのポリマー鎖２１０の脱水素反応による芳香環化により、９ＡＣＧＮＲ２２０を得る。尚、図２に示すポリマー鎖２１０及び９ＡＣＧＮＲ２２０におけるｎは重合度を表す。
一般にグラフェンナノリボンでは、その幅がバンドギャップに影響し、幅が大きくなるにつれてバンドギャップが小さくなる傾向がある。グラフェンナノリボンの幅は、第１の例に示すＤＢＢＡ１００や、第２の例に示すＤＢＴＰ２００のような、グラフェンナノリボンの前駆体に用いる化合物の構造で制御される。
図１及び図２に示すようなグラフェンナノリボンの合成には、次のような課題がある。
まず、図１に示す第１の例では、得られる７ＡＣＧＮＲ１２０のバンドギャップが比較的大きく、半導体装置への適用を考えた場合、良好な電極接合を形成することが必ずしも容易でない、或いは使用可能な電極材料の種類が限定されるといった課題がある。
一方、図２に示す第２の例では、得られる９ＡＣＧＮＲ２２０のバンドギャップは比較的小さいものの、前駆体であるＤＢＴＰ２００の分子量が小さく、昇華温度が低いために、蒸着レートの制御が難しいといった課題がある。ＤＢＴＰ２００は、一般的な水晶振動子膜圧計に室温で付着しないため、蒸着量を見積もることも難しい。
更に、第１の例及び第２の例に共通の課題として、７ＡＣＧＮＲ１２０及び９ＡＣＧＮＲ２２０の配向を制御すること、又はそれらの中間体であるポリマー鎖１１０及びポリマー鎖２１０の配向を制御することが、必ずしも容易でない点が挙げられる。
グラフェンナノリボンは、１次元材料であるため、半導体装置への適用を考えた場合、電極に対するグラフェンナノリボンの配向を制御することが重要になる。例えば、ソースドレイン電極間をグラフェンナノリボンで繋ぐような電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor；ＦＥＴ）の場合、グラフェンナノリボンがランダムな配向で成長してしまうと、安定な特性を示すＦＥＴを歩留り良く形成することが難しくなる。グラフェンナノリボンの合成に特定の触媒金属基板、例えば、高指数面を持つ単結晶金属基板を用いると、グラフェンナノリボンの配向を制御することが可能になるものの、大幅なコストの増大を招く場合がある。
以上のような点に鑑み、ここでは第１の実施の形態として、以下に示すような化合物を前駆体として用い、ボトムアップ合成によりグラフェンナノリボンを得る手法について説明する。
まず、グラフェンナノリボンの前駆体として用いる化合物について説明する。
グラフェンナノリボンの前駆体として用いる化合物は、式（２）に示すような構造を有する。
式（２）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基であり、好ましくは、臭素（Ｂｒ）原子、塩素（Ｃｌ）原子又はヨウ素（Ｉ）原子である。式（２）中、Ｒは、相互に独立して、水素（Ｈ）原子、フッ素（Ｆ）原子若しくは塩素（Ｃｌ）原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。
式（２）に示すような前駆体は、次のようにして合成される。
まず、式（３）に示すような化合物、及び式（４）に示すような化合物を準備する。
式（３）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基であり、例えば、Ｉ原子又はＢｒ原子である。式（４）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。式（４）中、Ｚは、ボロニル基（Ｂ（ＯＨ）2基）、又は、Ｂｒ原子若しくはＩ原子である。
式（３）の化合物と、式（４）の化合物とを、鈴木カップリングやウルマン反応によってカップリングし、式（５）に示すような化合物を得る。
式（５）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。
得られた式（５）の化合物のアミノ基（ＮＨ2基）を脱離基Ｘに変換し、式（６）に示すような化合物を得る。
式（６）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。式（６）中、Ｘは、Ｉ原子等の脱離基である。例えば、式（５）の化合物のＮＨ2基は、サンドマイヤー反応等によってＩ原子に変換される。
得られた式（６）の化合物と、式（７）に示すような化合物とを、鈴木カップリングやウルマン反応によってカップリングし、式（８）に示すような化合物を得る。
式（７）及び式（８）中、Ｘは、Ｂｒ原子等の脱離基である。式（７）中、Ｚは、Ｂ（ＯＨ）2基、又は、Ｂｒ原子若しくはＩ原子である。式（８）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。
得られた式（８）の化合物のニトロ基（ＮＯ2基）を脱離基Ｘに変換し、式（９）に示すような化合物を得る。
式（９）中、Ｘは、Ｂｒ原子等の脱離基である。式（９）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。例えば、式（８）の化合物のＮＯ2基は、ＮＨ2基に還元され、そのＮＨ2基がＢｒ原子等の脱離基に変換される。
この式（９）に示すような化合物が、グラフェンナノリボンの前駆体として用いられる。
上記のようなグラフェンナノリボンの前駆体の合成例を図３に示す。
図３は前駆体合成ルートの一例を示す図である。
図３には、式（３）に相当する化合物１０として、２，６−ジヨード−４−ニトロアニリン（2,6-diiodo-4-nitroaniline）を用い、式（４）に相当する化合物２０として、２−ビフェニルボロン酸（2-biphenyl-boronic acid）を用いる例を示している。化合物１０は、式（３）のＸがＩ原子である構造を有する。化合物２０は、式（４）のＲがＨ原子、ＺがＢ（ＯＨ）2基である構造を有する。
化合物１０及び化合物２０を出発物質とし、これらの化合物１０及び化合物２０を鈴木カップリングによりカップリングすることで、式（５）に相当する化合物３０（式（５）のＲがＨ原子）を得る。
得られた化合物３０をヨウ素化し、ＮＨ2基をＩ原子に変換することで、式（６）に相当する化合物４０（式（６）のＸがＩ原子、ＲがＨ原子）を得る。
更に、このようにして得られた化合物４０と、式（７）に相当する化合物５０（式（７）のＸがＢｒ原子、ＺがＢ（ＯＨ）2基）とを、鈴木カップリングによりカップリングする。これにより、式（８）に相当する化合物６０（式（８）のＸがＢｒ原子、ＲがＨ原子）を得る。
得られた化合物６０のＮＯ2基をＮＨ2基に還元し、更に臭素化してそのＮＨ2基をＢｒ原子に変換することで、式（９）に相当する化合物（式（９）のＸがＢｒ原子、ＲがＨ原子）、即ち４’’’’’−５’’−ジブロモ−１，１’：２’，１’’：２’’，１’’’’’：３’’，１’’’：２’’’，１’’’’−セキシフェニル（4'''''-5''-dibromo-1,1':2',1'':2'',1''''':3'',1''':2''',1''''-sexiphenyl；ＤＢＳＰ）７０を得る。
例えば、このようにして得られるＤＢＳＰ７０が、グラフェンナノリボンの前駆体として用いられる。
続いて、上記のような前駆体を用いたグラフェンナノリボンの合成について説明する。
グラフェンナノリボンの合成では、まず、式（２）又は式（９）に示すような前駆体が、真空中で、加熱された触媒金属基板上に蒸着される（真空蒸着）。この真空蒸着の際、触媒金属基板上に吸着した前駆体群が重合し、式（１０）に示すような芳香族化合物のポリマー鎖が合成される。
合成されるポリマー鎖は、更に真空中で、より高温で加熱される（高温加熱）。この高温加熱の際、触媒金属基板上のポリマー鎖で芳香環化が進行し、式（１１）に示すような、炭素原子９個分相当の幅を持ったアームチェア型エッジのグラフェンナノリボン（９ＡＣＧＮＲ）が合成される。
式（１０）及び式（１１）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。式（１０）及び式（１１）中、ｎは、重合度を表し、０〜１０００００の整数である。
上記のようなグラフェンナノリボンの合成例を図４に示す。
図４はグラフェンナノリボン合成ルートの一例を示す図である。
図４には、グラフェンナノリボンの前駆体としてＤＢＳＰ７０（図３）を用いる例を示している。ＤＢＳＰ７０を用いた合成では、まず、ＤＢＳＰ７０が、加熱された触媒金属基板上に真空蒸着される。触媒金属基板としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の（１１１）面のほか、（１１０）面や（１００）面、更には（７８８）面等の高指数面も用いられる。ここでは、Ａｕ（１１１）面を例にして説明する。超高真空中で清浄化されたＡｕ（１１１）面が、２００℃〜３００℃程度に保持され、ＤＢＳＰ７０が真空蒸着される。この時の蒸着量は、１分子層程度になるように調節することが望ましい。Ａｕ（１１１）面上では、吸着したＤＢＳＰ７０群がウルマン反応によって重合される。これにより、図４に示すようなポリマー鎖８０が合成される。
このような真空蒸着に続き、ポリマー鎖８０が合成されたＡｕ（１１１）面が、真空中、より高温の３５０℃〜４５０℃程度に加熱される。この高温加熱により、Ａｕ（１１１）面上のポリマー鎖８０において、脱水素反応等によって芳香環化が進行する。これにより、図４に示すようなグラフェンナノリボン、即ち９ＡＣＧＮＲ９０が合成される。
続いて、グラフェンナノリボンの前駆体として式（２）で表される化合物を用いることで得られる効果について説明する。
ここでは、上記図３及び図４に示したＤＢＳＰ７０とそれを用いて合成される、上記図４に示したポリマー鎖８０及び９ＡＣＧＮＲ９０を例にする。また、これとの比較には、上記図１に示したＤＢＢＡ１００とそれを用いて合成されるポリマー鎖１１０及び７ＡＣＧＮＲ１２０、並びに上記図２に示したＤＢＴＰ２００とそれを用いて合成されるポリマー鎖２１０及び９ＡＣＧＮＲ２２０を用いる。
まず、ＤＢＳＰ７０を用いて合成される９ＡＣＧＮＲ９０では、ＤＢＢＡ１００を用いて合成される、より幅の小さい７ＡＣＧＮＲ１２０に比べて、バンドギャップが小さくなる。
図５及び図６はグラフェンナノリボンのバンド構造について説明する図である。
図５（Ａ）には、ＤＢＳＰ７０を用いて合成される９ＡＣＧＮＲ９０を示し、図５（Ｂ）には、そのバンド構造を密度汎関数法で見積もった結果を示している。比較のため、図６（Ａ）には、ＤＢＢＡ１００を用いて合成される７ＡＣＧＮＲ１２０を示し、図６（Ｂ）には、そのバンド構造を密度汎関数法で見積もった結果を示している。
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に関し、７ＡＣＧＮＲ１２０のバンドギャップＥｇ２は、１．５６ｅＶと見積もられる。この値は、実験的に報告されている値よりも低く見積もられている。これはグラフェンナノリボンのバンドギャップの見積もりにおける密度汎関数法の限界として既知の問題であるが、相対的な大小関係は正しく見積もることができるとされている。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に関し、密度汎関数法によれば、９ＡＣＧＮＲ９０のバンドギャップＥｇ１は、０．７９ｅＶとなり、７ＡＣＧＮＲ１２０のバンドギャップＥｇ２の半分程度になる。
このように、ＤＢＳＰ７０を用いて合成される９ＡＣＧＮＲ９０では、ＤＢＢＡ１００を用いて合成される７ＡＣＧＮＲ１２０に比べて、より小さなバンドギャップを実現することが可能になる。
また、９ＡＣＧＮＲ９０の合成に用いられるＤＢＳＰ７０の分子量は６１６である。これに対し、７ＡＣＧＮＲ１２０の合成に用いられるＤＢＢＡ１００（図１）の分子量は５１２であり、９ＡＣＧＮＲ２２０の合成に用いられるＤＢＴＰ２００（図２）の分子量は３８８である。ＤＢＳＰ７０の分子量６１６は、ＤＢＴＰ２００の分子量３８８よりも十分に大きく、ＤＢＢＡ１００の分子量５１２よりも更に大きい。そのため、ＤＢＳＰ７０の昇華温度は、ＤＢＴＰ２００の昇華温度よりも高くなり、更にＤＢＢＡ１００の昇華温度よりも高くなる。
このように、ＤＢＳＰ７０では、その昇華温度が比較的高くなるため、それを用いる合成時（触媒金属基板上への蒸着時）の蒸着レートの制御を、ＤＢＴＰ２００やＤＢＢＡ１００を用いる場合に比べて、より容易に行うことが可能になる。
また、ＤＢＳＰ７０では、それを用いて合成される分子（ポリマー鎖８０又は９ＡＣＧＮＲ９０）間の相互作用による配向性の向上が見込まれる。
図７〜図９は前駆体から合成される分子間の相互作用について説明する図である。
図７（Ａ）には、ＤＢＳＰ７０から合成されるポリマー鎖８０を示し、図７（Ｂ）には、平面状に凝集させたポリマー鎖８０群の平面図を示し、図７（Ｃ）には、平面状に凝集させたポリマー鎖８０群の側面図を示している。比較のため、図８（Ａ）には、ＤＢＢＡ１００から合成されるポリマー鎖１１０を示し、図８（Ｂ）には、平面状に凝集させたポリマー鎖１１０群の斜視図を示している。図９（Ａ）には、ＤＢＴＰ２００から合成されるポリマー鎖２１０を示し、図９（Ｂ）には、平面状に凝集させたポリマー鎖２１０群の斜視図を示している。尚、図７（Ａ）、図８（Ａ）及び図９（Ａ）に示すｎは重合度を表し、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）、並びに図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すＤは、ポリマー伸張方向を表す。
図７（Ａ）に示すような、ＤＢＳＰ７０から合成されるポリマー鎖８０は、複数の芳香環が結合した芳香族化合物であり、π電子を含むことから、隣接するポリマー鎖８０の側鎖８１間には、π−π相互作用が働く。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）に示すように、ＤＢＳＰ７０から合成されるポリマー鎖８０を平面状に凝集させ、その際の凝集エネルギーを計算すると、ポリマー鎖８０の凝集体では、無限遠に比べて、π−π相互作用による１７．９ｍｅＶの利得があることが分かった。
図８（Ａ）に示すような、ＤＢＢＡ１００から合成されるポリマー鎖１１０や、図９（Ａ）に示すような、ＤＢＴＰ２００から合成されるポリマー鎖２１０でも同様に、隣接するポリマー鎖１１０間や、隣接するポリマー鎖２１０間には、π−π相互作用が働く。図８（Ｂ）に示すように、ＤＢＢＡ１００から合成されるポリマー鎖１１０を平面状に凝集させ、その際の凝集エネルギーを計算すると、ポリマー鎖１１０の凝集体のπ−π相互作用による利得は、８．７ｍｅＶにとどまることが分かった。図９（Ｂ）に示すように、ＤＢＴＰ２００から合成されるポリマー鎖２１０を平面状に凝集させ、その際の凝集エネルギーを計算すると、ポリマー鎖２１０の凝集体のπ−π相互作用による利得は、９．４ｍｅＶにとどまることが分かった。
このように、ＤＢＳＰ７０から合成されるポリマー鎖８０の凝集体のπ−π相互作用による利得は、ＤＢＢＡ１００から合成されるポリマー鎖１１０の凝集体、及びＤＢＴＰ２００から合成されるポリマー鎖２１０の凝集体のπ−π相互作用による利得よりも大きくなる。このことは、合成（ポリマー化）の段階で、ＤＢＳＰ７０から合成されるポリマー鎖８０が、ＤＢＢＡ１００から合成されるポリマー鎖１１０、及びＤＢＴＰ２００から合成されるポリマー鎖２１０に比べて、自己組織化的に配向し易いことを示している。
前駆体としてＤＢＳＰ７０を用いることで、自己組織化的に配向したポリマー鎖８０を得て、それにより、配向性の良好な９ＡＣＧＮＲを実現することが可能になる。
ここでは、前駆体としてＤＢＳＰ７０を用いることで得られる効果を説明したが、式（２）で表される各種化合物を用いた場合にも、上記同様の効果を得ることが可能である。
以上の説明では、式（２）で表される化合物の具体例としてＤＢＳＰ７０を挙げたが、例えば、合成されるグラフェンナノリボンのエッジを終端する官能基を変えると、更に別の効果を得ることもできる。
例えば、上記図３に示した前駆体合成ルートにおける出発物質を変えることで、エッジを終端する官能基を変えたグラフェンナノリボンを得ることができる。
図１０及び図１１は前駆体及びグラフェンナノリボンの合成ルートの別例について説明する図である。
図１０に示す例では、上記図３に示した出発物質の化合物１０及び化合物２０のうち、一方の化合物２０を、図１０に示すような化合物２０ａ、即ち２−ブロモ−２’，６’−ジフルオロビフェニル（2-bromo-2',6'-difluorobiphenyl）に置き換える。
このような化合物２０ａを用い、上記図３の例に従い、化合物１０（２，６−ジヨード−４−ニトロアニリン）とのカップリングを行い、その後、ＮＨ2基のＩ原子への変換、化合物５０とのカップリング、更にＮＯ2基のＢｒ原子への変換を行う。これにより、上記ＤＢＳＰ７０の一部のＨ原子をＦ原子に置換した、図１０に示すような化合物７０ａを合成する。
このようにして合成される化合物７０ａを前駆体として用い、上記図４の例に従い、触媒金属基板上への真空蒸着によるポリマー鎖の合成、及び高温加熱による芳香環化を行う。これにより、上記９ＡＣＧＮＲ９０の、一部のエッジのＨ原子をＦ原子に置換した、図１０に示すような９ＡＣＧＮＲ９０ａを合成する。
また、図１１に示す例では、上記図３に示した出発物質の化合物１０及び化合物２０のうち、一方の化合物２０を、図１１に示すような化合物２０ｂ、即ち２−ブロモ−ノナフルオロビフェニル（2-bromo-nonafluorobiphenyl）に置き換える。
このような化合物２０ｂを用い、上記図３の例に従い、化合物１０（２，６−ジヨード−４−ニトロアニリン）とのカップリングを行い、その後、ＮＨ2基のＩ原子への変換、化合物５０とのカップリング、更にＮＯ2基のＢｒ原子への変換を行う。これにより、上記ＤＢＳＰ７０の一部のＨ原子をＦ原子に置換した、図１１に示すような化合物７０ｂを合成する。
このようにして合成される化合物７０ｂを前駆体として用い、上記図４の例に従い、触媒金属基板上への真空蒸着によるポリマー鎖の合成、及び高温加熱による芳香環化を行う。これにより、上記９ＡＣＧＮＲ９０のエッジのＨ原子をＦ原子に置換した、図１１に示すような９ＡＣＧＮＲ９０ｂを合成する。
このように、前駆体を合成する際の出発物質を変えることで、エッジをＦ原子で終端した、図１０に示すような９ＡＣＧＮＲ９０ａや、図１１に示すような９ＡＣＧＮＲ９０ｂを得ることができる。
ここで、エッジをＦ原子で終端していない、即ちエッジがＨ原子で終端されている上記９ＡＣＧＮＲ９０（図４）の仕事関数を見積もると、その仕事関数は、３．５９ｅＶとなる。これに対し、エッジをＦ原子で終端した、図１０に示すような９ＡＣＧＮＲ９０ａの仕事関数を見積もると、その仕事関数は、３．８７ｅＶとなり、図１１に示すような９ＡＣＧＮＲ９０ｂの仕事関数を見積もると、その仕事関数は、４．９５ｅＶとなる。
このように、エッジをＦ原子で終端することで、上記９ＡＣＧＮＲ９０よりも仕事関数を増大させた９ＡＣＧＮＲ９０ａ（図１０）及び９ＡＣＧＮＲ９０ｂ（図１１）を得ることができる。
９ＡＣＧＮＲ９０ａ及び９ＡＣＧＮＲ９０ｂでは、仕事関数を増大させることで、例えば、仕事関数が比較的低い金属を電極として接続し、より容易にｎ型動作させることが可能になる。また、仕事関数が比較的高い９ＡＣＧＮＲ９０ｂを、仕事関数が比較的低い上記９ＡＣＧＮＲ９０又は９ＡＣＧＮＲ９０ａと組み合わせることで、ｐｎ接合を実現することが可能になる。
ここでは、上記図３に示した前駆体合成ルートにおける出発物質を変える例を示した。このほか、上記図３の例に従って合成されたＤＢＳＰ７０に対し、その所定のＨ原子をＦ原子に置換する処理を行い、それによって得られた化合物を前駆体として用い、所定のエッジをＦ原子で終端した９ＡＣＧＮＲを合成してもよい。
また、上記図３の例に従って合成されたＤＢＳＰ７０を用いて合成された９ＡＣＧＮＲ９０に対し、その所定のＨ原子をＦ原子に置換する処理を行い、所定のエッジをＦ原子で終端した９ＡＣＧＮＲを合成してもよい。
ＤＢＳＰ７０又はその誘導体を前駆体として９ＡＣＧＮＲを合成したり、合成された９ＡＣＧＮＲのエッジを置換したりする方法を採用することで、上記のようなＦ原子に限らず、Ｃｌ原子、メチル基（ＣＨ3基）等のアルキル基、更にはＮＨ2基、ヒドロキシル基（ＯＨ基）、メトキシ基（ＯＣＨ3基）といった各種官能基でエッジを終端した９ＡＣＧＮＲが実現され得る。
以上の説明では、式（１１）で表される９ＡＣＧＮＲの具体例として、上記のような９ＡＣＧＮＲ９０、９ＡＣＧＮＲ９０ａ及び９ＡＣＧＮＲ９０ｂを挙げた。これらの前駆体として、ＤＢＳＰ７０又はその誘導体を用いたが、用いる前駆体を適宜選択することで、上記のような炭素原子９個分相当の幅を持った９ＡＣＧＮＲに限らず、各種幅を持ったグラフェンナノリボンを合成することができる。
グラフェンナノリボンの前駆体として用いる化合物には、式（１２）に示すような構造を有するものを用いることができる。
式（１２）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基であり、好ましくは、Ｂｒ原子、Ｃｌ原子又はＩ原子である。式（１２）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。式（１２）中、ｐ、ｑ、ｒ及びｓはそれぞれ、０〜５の整数である。
この式（１２）に示すような化合物が前駆体として用いられ、上記図４の例に従い、触媒金属基板上への真空蒸着によるポリマー鎖の合成、及び高温加熱による芳香環化が行われることで、式（１３）に示すような構造を有するグラフェンナノリボンが合成される。
式（１３）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。式（１３）中、ｎは、重合度を表し、０〜１０００００の整数である。式（１３）中、ｐ、ｑ、ｒ及びｓはそれぞれ、０〜５の整数である。ｐ、ｑ、ｒ及びｓの値により、炭素原子９個分〜２９個分相当の幅を持ったアームチェア型エッジのグラフェンナノリボンが合成され得る。
一例として、次のような方法が用いられる。
図１２は前駆体合成ルートの別例について説明する図である。図１２（Ａ）には、前駆体合成ルートの第１の例を示し、図１２（Ｂ）には、前駆体合成ルートの第２の例を示している。
例えば、前駆体合成の出発物質として、図１２（Ａ）に示すような化合物１０ｃ及び化合物２０ｃ（ビナフチル誘導体）を用いる。ここで、Ｘは、Ｉ原子、Ｂｒ原子等の脱離基であり、Ｚは、Ｂ（ＯＨ）2基、Ｂｒ原子、Ｉ原子等である。このような化合物１０ｃ及び化合物２０ｃを用い、上記図３の例に従い、カップリング、ＮＨ2基の脱離基への変換、化合物５０とのカップリング、ＮＯ2基の脱離基への変換を行う。このようにして、図１２（Ａ）に示すような化合物７０ｃを合成してもよい。
また、例えば、図１２（Ｂ）に示すように、上記図３の例に従って得られた化合物７０ｄから化合物７０ｃを合成する。例えば、側鎖Ｒとして所定数の炭素を含む官能基が結合した出発物質を用い、上記図３の例に従って化合物７０ｄを得て、その側鎖Ｒの芳香環化を行う。或いは、上記図３のようにして得られたＤＢＳＰ７０に対し、側鎖Ｒとして所定数の炭素を含む官能基を導入して化合物７０ｄを得て、その側鎖Ｒの芳香環化を行う。このようにして、図１２（Ｂ）に示すような化合物７０ｃを合成してもよい。
このような化合物７０ｃ（図１２（Ａ）又は図１２（Ｂ））を前駆体として用い、その前駆体群の重合及び芳香環化を行うことで、炭素原子１３個分相当の幅を持ったグラフェンナノリボンを合成することができる。
ここでは、化合物７０ｃのような対照構造の前駆体を例にしたが、非対称構造の前駆体を合成し、グラフェンナノリボンを合成することもできる。例えば、中央のビフェニル骨格の一方側に結合するのがビナフチル基で他方側に結合するのがビフェニル基といった非対称構造の前駆体を合成し、これを用いて炭素原子１１個分相当の幅を持ったグラフェンナノリボンを合成することもできる。
式（１２）で示されるような構造を有する各種前駆体を合成し、式（１３）で示されるような構造を有する、所定の幅を持った各種グラフェンナノリボンを合成することが可能である。
上記観点から、式（１２）で示されるような構造を有する各種前駆体の合成に用いる出発物質（化合物１０，１０ｃ等とカップリングされるもの）として、式（１４）に示すような構造を有するものを用いることができる。
式（１４）中、Ｚは、Ｂ（ＯＨ）2基、又は、Ｂｒ原子若しくはＩ原子である。式（１４）中、Ｒは、相互に独立して、Ｈ原子、Ｆ原子若しくはＣｌ原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。式（１４）中、ｔ及びｕはそれぞれ、０〜５の整数である。この場合、式（１２）のｐ及びｑはそれぞれ、前駆体合成に用いられる式（１４）の化合物のそのｕ及びｔに相当する値となり、式（１２）のｒ及びｓはそれぞれ、前駆体合成に用いられる式（１４）の化合物のそのｔ及びｕに相当する値となる。
尚、式（１２）で示されるような構造を有する化合物は、グラフェンナノリボンの前駆体としての用途に限らず、その他の用途に用いることもできる。
次に、第２の実施の形態について説明する。
ここでは、上記第１の実施の形態で述べたような前駆体から合成されるグラフェンナノリボンを各種半導体装置に用いた例を、第２の実施の形態として説明する。
図１３は半導体装置の第１の例を示す図である。図１３には、半導体装置の要部断面図を模式的に図示している。
図１３に示す半導体装置５００は、ボトムゲート型ＦＥＴの一例である。半導体装置５００は、ゲート電極５１０、ゲート絶縁膜５２０、グラフェンナノリボン５３０、電極５４０ａ及び電極５４０ｂを有する。
ゲート電極５１０には、導電性を有する基板が用いられ、例えば、所定導電型の不純物元素を添加したシリコン（Ｓｉ）基板等の半導体基板が用いられる。このようなゲート電極５１０上に、ゲート絶縁膜５２０が設けられる。ゲート絶縁膜５２０には、酸化シリコン（ＳｉＯ）等の各種絶縁材料が用いられる。
グラフェンナノリボン５３０には、上記第１の実施の形態で述べたような、ＤＢＳＰ７０等を前駆体として用いたボトムアップ合成により得られるグラフェンナノリボンが用いられる。グラフェンナノリボン５３０は、例えば、ボトムアップ合成で得られたものを、ゲート電極５１０上のゲート絶縁膜５２０の上に転写することで、設けられる。
ゲート絶縁膜５２０の上に設けられたグラフェンナノリボン５３０の両端部上にそれぞれ、電極５４０ａ及び電極５４０ｂが設けられる。電極５４０ａ及び電極５４０ｂには、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属が用いられる。
ボトムゲート型ＦＥＴとして用いられる半導体装置５００では、グラフェンナノリボン５３０がチャネルとして用いられる。ゲート電極５１０の電位が制御されることで、電極５４０ａと電極５４０ｂとの間を繋ぐグラフェンナノリボン５３０、即ちチャネルのオン、オフの状態が制御される。グラフェンナノリボン５３０の高いキャリア移動度を活かした、高速のＦＥＴが実現される。
また、図１３に示すような半導体装置５００は、グラフェンナノリボン５３０の、分子吸着時に抵抗が変化する性質を利用し、ＦＥＴ型ガスセンサーとして用いることもできる。ＦＥＴ型ガスセンサーとして用いられる半導体装置５００では、グラフェンナノリボン５３０にガスが吸着した時の、電極５４０ａと電極５４０ｂとの間に流れる電流と、ゲート電極５１０の電圧との関係の変化が、測定される。グラフェンナノリボン５３０を用いることで、高感度のＦＥＴ型ガスセンサーが実現される。
図１４は半導体装置の第２の例を示す図である。図１４には、半導体装置の要部断面図を模式的に図示している。
図１４に示す半導体装置６００は、トップゲート型ＦＥＴの一例である。半導体装置６００は、支持基板６１０、グラフェンナノリボン６２０、電極６３０ａ、電極６３０ｂ、ゲート絶縁膜６４０及びゲート電極６５０を有する。
支持基板６１０には、サファイヤ等の絶縁性の各種基板、少なくとも表層に無機系又は有機系の絶縁材料が設けられた各種基板が用いられる。このような支持基板６１０の上に、グラフェンナノリボン６２０が設けられる。
グラフェンナノリボン６２０には、上記第１の実施の形態で述べたような、ＤＢＳＰ７０等を前駆体として用いたボトムアップ合成により得られるグラフェンナノリボンが用いられる。グラフェンナノリボン６２０は、例えば、ボトムアップ合成で得られたものを、支持基板６１０の上に転写することで、設けられる。
支持基板６１０の上に設けられたグラフェンナノリボン６２０の両端部上にそれぞれ、電極６３０ａ及び電極６３０ｂが設けられる。電極６３０ａ及び電極６３０ｂには、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属が用いられる。
このような電極６３０ａと電極６３０ｂとの間のグラフェンナノリボン６２０上に、ゲート絶縁膜６４０を介してゲート電極６５０が設けられる。ゲート絶縁膜６４０には、ＳｉＯ等の各種絶縁材料が用いられる。ゲート電極６５０には、ポリシリコンや金属等の各種導体材料が用いられる。
トップゲート型ＦＥＴとして用いられる半導体装置６００では、グラフェンナノリボン６２０がチャネルとして用いられる。ゲート電極６５０の電位が制御されることで、電極６３０ａと電極６３０ｂとの間を繋ぐグラフェンナノリボン６２０、即ちチャネルのオン、オフの状態が制御される。グラフェンナノリボン６２０の高いキャリア移動度を活かした、高速のＦＥＴが実現される。
図１５は半導体装置の第３の例を示す図である。図１５には、半導体装置の要部断面図を模式的に図示している。
図１５に示す半導体装置７００は、ショットキーバリアダイオードの一例である。半導体装置７００は、支持基板７１０、グラフェンナノリボン７２０、電極７３０及び電極７４０を有する。
支持基板７１０には、サファイヤ等の絶縁性の各種基板、少なくとも表層に無機系又は有機系の絶縁材料が設けられた各種基板が用いられる。このような支持基板７１０の上に、グラフェンナノリボン７２０が設けられる。
グラフェンナノリボン７２０には、上記第１の実施の形態で述べたような、ＤＢＳＰ７０等を前駆体として用いたボトムアップ合成により得られるグラフェンナノリボンが用いられる。グラフェンナノリボン７２０は、例えば、ボトムアップ合成で得られたものを、支持基板７１０の上に転写することで、設けられる。
支持基板７１０の上に設けられたグラフェンナノリボン７２０の一方の端部上に電極７３０が設けられ、グラフェンナノリボン７２０の他方の端部上に電極７４０が設けられる。一方の電極７３０には、グラフェンナノリボン７２０とショットキー接続されるＣｒ等の金属が用いられる。他方の電極７４０には、グラフェンナノリボン７２０とオーミック接続されるＴｉ等の金属が用いられる。
半導体装置７００では、グラフェンナノリボン７２０を用い、一方の端部側で電極７３０とのショットキー接続が実現され、他方の端部側で電極７４０とのオーミック接続が実現される。これにより、優れたダイオード特性を有するショットキーバリアダイオードが実現される。
尚、上記グラフェンナノリボン５３０，６２０，７２０は、各グラフェンナノリボン５３０，６２０，７２０に対するドーピング機能を有する材料、例えば、いわゆる自己組織化単分子膜（Self Assembled Monolayer；ＳＡＭ）の上に設けられてもよい。
上記グラフェンナノリボン５３０，６２０，７２０には、エッジを終端する官能基が異なるグラフェンナノリボン同士を繋げたものが用いられてもよいし、幅の異なるグラフェンナノリボン同士を繋げたものが用いられてもよい。いずれの場合も、各グラフェンナノリボン５３０，６２０，７２０内に、バンドギャップの異なる部位、又は仕事関数の異なる部位を形成することが可能になる。例えば、接続する電極５４０ａ及び電極５４０ｂ、電極６３０ａ及び電極６３０ｂ、電極７３０及び電極７４０の構成に基づき、このような部位を含むグラフェンナノリボン５３０，６２０，７２０を用いることで、接触抵抗や障壁高さを制御することが可能になる。
また、図１６は半導体装置の第４の例を示す図である。図１６には、半導体装置の要部断面図を模式的に図示している。
図１６に示す半導体装置８００は、積層型太陽電池の一例である。半導体装置８００は、下部電極８１０、グラフェンナノリボン８２０、キャリア輸送層８３０及び上部電極８４０を有する。
下部電極８１０及び上部電極８４０には、酸化インジウム（Indium Tin Oxide）等の透明な導体材料が用いられる。或いは下部電極８１０及び上部電極８４０のうちの一方、例えば下部電極８１０に透明な導体材料が用いられ、他方、例えば上部電極８４０には金属等の透明でない導体材料が用いられる。
下部電極８１０と上部電極８４０との間に設けられるキャリア輸送層８３０には、ｐｎ接合を含む量子ドット構造積層体や有機半導体材料積層体が用いられる。例えば、下部電極８１０とキャリア輸送層８３０との間に、グラフェンナノリボン８２０が設けられる。
グラフェンナノリボン８２０には、上記第１の実施の形態で述べたような、ＤＢＳＰ７０等を前駆体として用いたボトムアップ合成により得られるグラフェンナノリボンが用いられる。
半導体装置８００では、光が入射して、キャリア輸送層８３０内のｐｎ接合界面で生成された電子及び正孔が、例えば、それぞれ下部電極８１０及び上部電極８４０に到達することで、発電が行われる。この場合、キャリア輸送層８３０と下部電極８１０との間に設けられるグラフェンナノリボン８２０は、下部電極８１０への電子取り出し効率を向上させる、或いは下部電極８１０の仕事関数を調整する。また、グラフェンナノリボン８２０は、下部電極８１０と共に、積層型太陽電池の下部電極の一部として用いられてもよい。
尚、キャリア輸送層８３０と上部電極８４０との間に、下部電極８１０への正孔取り出し効率を向上させる、或いは上部電極８４０の仕事関数を調整するグラフェンナノリボンを設けてもよい。また、そのグラフェンナノリボンは、上部電極８４０と共に、積層型太陽電池の上部電極の一部として用いられてもよい。
次に、第３の実施の形態について説明する。
上記第２の実施の形態で述べたような半導体装置５００，６００，７００，８００等は、各種電子装置（電子機器とも称する）に搭載することができる。例えば、コンピュータ（パーソナルコンピュータ、スーパーコンピュータ、サーバ等）、スマートフォン、携帯電話、タブレット端末、センサ、カメラ、オーディオ機器、測定装置、検査装置、製造装置といった、各種電子装置に用いることができる。
図１７は電子装置について説明する図である。図１７には、電子装置の一例を模式的に図示している。
図１７に示すように、例えば、上記図１３に示したような半導体装置５００が、各種電子装置９００に搭載（内蔵）される。上記のように半導体装置５００では、グラフェンナノリボン５３０の高いキャリア移動度を活かした、高速のＦＥＴが実現される。そのような半導体装置５００を搭載した、高性能の電子装置９００が実現される。
ここでは、上記図１３に示したような半導体装置５００を例にしたが、他の半導体装置６００，７００，８００等も同様に、各種電子装置に搭載することができる。
１０，１０ｃ，２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，３０，４０，５０，６０，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ 化合物
７０ ＤＢＳＰ
８０，１１０，２１０ ポリマー鎖
８１ 側鎖
９０，９０ａ，９０ｂ，２２０ ９ＡＣＧＮＲ
１００ ＤＢＢＡ
１２０ ７ＡＣＧＮＲ
２００ ＤＢＴＰ
５００，６００，７００，８００ 半導体装置
５１０，６５０ ゲート電極
５２０，６４０ ゲート絶縁膜
５３０，６２０，７２０，８２０ グラフェンナノリボン
５４０ａ，５４０ｂ，６３０ａ，６３０ｂ，７３０，７４０ 電極
６１０，７１０ 支持基板
８１０ 下部電極
８３０ キャリア輸送層
８４０ 上部電極
９００ 電子装置
Ｄ ポリマー伸張方向
Ｅｇ１，Ｅｇ２ バンドギャップ

Claims (5)

  1. 下記一般式（１）で表されることを特徴とする化合物。
    〔前記一般式（１）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基であり、Ｒは、相互に独立して、水素原子、フッ素原子若しくは塩素原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基であり、ｐ、ｑ、ｒ及びｓはそれぞれ、０〜５の整数である。〕
  2. 前記Ｘは、相互に独立して、臭素原子、塩素原子又はヨウ素原子であることを特徴とする請求項１に記載の化合物。
  3. 下記一般式（２）で表される第１化合物と、下記一般式（３）で表される第２化合物とをカップリングし、アミノ基を脱離基に変換して、第３化合物を合成する工程と、
    前記第３化合物と、下記一般式（４）で表される第４化合物とをカップリングし、ニトロ基を脱離基に変換して、下記一般式（５）で表される第５化合物を合成する工程と
    を含むことを特徴とする化合物の製造方法。
    〔前記一般式（２）、（４）及び（５）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基である。前記一般式（３）及び（５）中、Ｒは、相互に独立して、水素原子、フッ素原子若しくは塩素原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基である。前記一般式（３）及び（４）中、Ｚは、ボロニル基、又は、臭素原子若しくはヨウ素原子である。前記一般式（３）中、ｔ及びｕはそれぞれ、０〜５の整数である。前記一般式（５）中、ｐ、ｑ、ｒ及びｓはそれぞれ、０〜５の整数である。〕
  4. 前記第５化合物を形成する工程後、前記第５化合物の誘導体を形成する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の化合物の製造方法。
  5. 下記一般式（６）で表される化合物群の重合及び芳香環化により、下記一般式（７）で表されるグラフェンナノリボンを合成する工程を含むことを特徴とするグラフェンナノリボンの製造方法。
    〔前記一般式（６）中、Ｘは、相互に独立して、脱離基である。前記一般式（６）及び（７）中、Ｒは、相互に独立して、水素原子、フッ素原子若しくは塩素原子、又は、炭素数１〜１２の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状のアルキル基であり、ｐ、ｑ、ｒ及びｓはそれぞれ、０〜５の整数である。〕
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