JP6230051B2 - Coordination polymer thin film and method for producing thin film solar cell comprising the same - Google Patents
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Description
本発明は、金属イオンと架橋配位子とからなるポリマー構造を有する配位高分子の薄膜と、それを備えた薄膜太陽電池を製造する方法に関する。 The present invention relates to a coordination polymer thin film having a polymer structure composed of a metal ion and a bridging ligand, and a method for producing a thin film solar cell including the coordination polymer thin film.
金属イオンと架橋配位子とからなるポリマー構造を有する配位高分子は、金属イオンの特性と柔軟な有機分子の特性とを併せ持つ、新しい無機・有機複合ポリマー材料であり、多孔性材料や触媒に応用されている。また、配位高分子に導電性や強誘電性といった特性を持たせることも可能である。 Coordination polymers with a polymer structure consisting of metal ions and bridging ligands are new inorganic / organic composite polymer materials that combine the properties of metal ions and flexible organic molecules, such as porous materials and catalysts. Has been applied. It is also possible to give the coordination polymer properties such as conductivity and ferroelectricity.
例えば、特許文献1には、バルクヘテロ構造を形成する2種類以上の有機半導体中に、粒子状の配位高分子が取り込まれた薄膜太陽電池が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a thin film solar cell in which a particulate coordination polymer is incorporated into two or more types of organic semiconductors that form a bulk heterostructure.
また、特許文献2には、ジチオカルバミン酸の誘導体と塩素イオンと銅イオンとによって構成された配位高分子であって、強誘電性を示すものが開示されている。 Patent Document 2 discloses a coordination polymer composed of a derivative of dithiocarbamic acid, a chlorine ion, and a copper ion and exhibiting ferroelectricity.
ところで、一般に知られているように、薄膜化した導電体や強誘電体を太陽電池やメモリ素子などに用いることにより、その性能を向上させることができる。 By the way, as is generally known, the performance can be improved by using a thinned conductor or ferroelectric for a solar cell or a memory element.
しかし、例えば以下の理由により、配位高分子の薄膜化は困難である。すなわち、真空蒸着などの湿式法は加熱を要するため、一般に高分子の薄膜化には適さない。また、アルキル基の存在に起因して、高分子はそのポリマー構造を保ったまま有機溶媒に溶解することが多いが、配位高分子は多くの有機溶媒への溶解度が低く、スピンコートなどの湿式法による薄膜化も困難である。 However, for example, it is difficult to make a coordination polymer thin film for the following reasons. That is, wet methods such as vacuum deposition require heating, and are generally not suitable for thinning a polymer. In addition, due to the presence of alkyl groups, polymers often dissolve in organic solvents while maintaining their polymer structure, but coordination polymers have low solubility in many organic solvents, such as spin coating. Thinning by a wet method is also difficult.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、配位高分子薄膜の簡易な製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a simple method for producing a coordination polymer thin film.
上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、本発明者らは、金属イオンと架橋配位子とが好適な比で存在する溶液中で自己組織化を誘起することにより、配位高分子の薄膜が形成されることを見いだした。本発明は、この新たな知見に基づく発明である。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found that a coordination polymer is induced by inducing self-assembly in a solution in which a metal ion and a bridging ligand are present in a suitable ratio. It was found that a thin film was formed. The present invention is based on this new knowledge.
すなわち、本発明は、1種類または2種類以上の金属イオンと、1種類または2種類以上の架橋配位子との繰り返し単位からなる配位高分子の薄膜を製造する方法であって、
当該金属イオンの少なくとも1種類に配位可能な極性溶媒を含む溶媒中に当該金属イオンと架橋配位子とが存在する溶液を準備する工程と、
準備した溶液を基材の上に塗布して溶媒を蒸発させ、金属イオンと架橋配位子との自己組織化を誘起する工程とを含み、
溶液を準備する工程では、金属イオンと架橋配位子とが、これらの自己組織化に適した比で存在する溶液を準備することを特徴とする。
That is, the present invention is a method for producing a coordination polymer thin film comprising repeating units of one or more kinds of metal ions and one or more kinds of bridging ligands,
Preparing a solution containing the metal ion and a bridging ligand in a solvent containing a polar solvent capable of coordinating to at least one of the metal ions;
Applying the prepared solution onto a substrate to evaporate the solvent and inducing self-assembly of metal ions and bridging ligands,
The step of preparing the solution is characterized by preparing a solution in which the metal ions and the bridging ligand are present in a ratio suitable for self-assembly.
本発明によれば、金属イオンと架橋配位子との自己組織化により、配位高分子薄膜の簡易な製造方法が実現される。 According to the present invention, a simple method for producing a coordination polymer thin film is realized by self-organization of a metal ion and a bridging ligand.
以下、本発明の実施の形態に係る配位高分子薄膜の製造方法について説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the coordination polymer thin film which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.
まず、配位高分子の単結晶を準備する(工程S1)。
「配位高分子」は、金属イオンを中心として、その周囲に有機化合物の配位子が結合した金属錯体が繋がった、一次元構造、二次元構造または三次元構造を有する高分子を指す。換言すると、配位高分子は、1種類または2種類以上の金属イオンと1種類または2種類以上の架橋配位子との繰り返し単位を含んでいる。
First, a single crystal of a coordination polymer is prepared (step S1).
“Coordination polymer” refers to a polymer having a one-dimensional structure, a two-dimensional structure, or a three-dimensional structure in which a metal complex in which a ligand of an organic compound is bonded around a metal ion. In other words, the coordination polymer includes a repeating unit of one type or two or more types of metal ions and one type or two or more types of bridging ligands.
また、配位高分子は、錯体の各ユニットを架橋する、配位子とは別の架橋剤成分、例えばハロゲン化物イオンを必要に応じて含んでもよい。それゆえ「配位高分子」には、当該架橋剤成分によって架橋された繰り返し構造を有するものも含まれるものとする。 Further, the coordination polymer may contain a crosslinking agent component other than the ligand, for example, a halide ion, which crosslinks each unit of the complex, if necessary. Therefore, the “coordinating polymer” includes those having a repeating structure crosslinked by the crosslinking agent component.
さらに、例えば配位高分子骨格が電荷を帯びている場合には、その電荷を打ち消すように、フェロセニウムイオンやアンモニウムイオンなどのカチオンやアニオンが配位高分子骨格の間に入り込んでいてもよい。 Furthermore, for example, when the coordination polymer skeleton is charged, a cation or anion such as a ferrocenium ion or an ammonium ion may enter between the coordination polymer skeletons so as to cancel the charge. Good.
この配位高分子の単結晶は、架橋配位子を含む錯体と金属化合物(金属塩)とを有機溶媒中で混合するなど、公知の方法により作製できる。これにより、1種類または2種類以上の金属イオンと1種類または2種類以上の架橋配位子との繰り返し単位からなる配位高分子の単結晶が作製される。 A single crystal of this coordination polymer can be produced by a known method such as mixing a complex containing a bridging ligand and a metal compound (metal salt) in an organic solvent. Thereby, a single crystal of a coordination polymer composed of repeating units of one type or two or more types of metal ions and one type or two or more types of bridging ligands is produced.
実施例の項で詳説するが、架橋剤成分として例えば臭素イオンまたはヨウ素イオンを用いる場合には、まず単核錯体を作製した後、当該単核錯体と臭素イオン化合物またはヨウ素イオン化合物とを混合することによって配位高分子を作製する。具体的には、例えば、銅塩とヘキサメチレンジチオカルバミン酸を用いて銅イオンにヘキサメチレンジチオカルバミン酸が配位した単核錯体を作製しておき、その後、作製した単核錯体と臭化銅とを有機溶媒中で混合して作製する。もちろん、単核錯体として既製のものを用いてもよい。 As will be described in detail in the Examples section, when, for example, bromine ions or iodine ions are used as the cross-linking agent component, a mononuclear complex is first prepared, and then the mononuclear complex is mixed with the bromine ion compound or iodine ion compound. To produce a coordination polymer. Specifically, for example, a mononuclear complex in which hexamethylene dithiocarbamic acid is coordinated to a copper ion using a copper salt and hexamethylene dithiocarbamic acid is prepared, and then the produced mononuclear complex and copper bromide are combined. Made by mixing in an organic solvent. Of course, you may use a ready-made thing as a mononuclear complex.
なお、特許請求の範囲の「バルク状態の配位高分子」は、薄膜状でない配位高分子を指しており、この工程S1で作製される配位高分子の単結晶の他、多結晶、非晶質のようないずれの形態でもよい。 The “bulk state coordination polymer” in the claims refers to a coordination polymer that is not in the form of a thin film. In addition to the single crystal of the coordination polymer produced in this step S1, polycrystal, Any form such as amorphous may be used.
配位高分子を構成する金属イオンとしては、例えば遷移金属元素の中から選ばれる元素のイオンを用いることができる。 As a metal ion constituting the coordination polymer, for example, an ion of an element selected from transition metal elements can be used.
また、架橋配位子としては、含硫黄化合物、含窒素化合物、含酸素化合物、含燐化合物などを用いることができる。含硫黄化合物の例としては、ジチオオキサレート、テトラチオオキサレート、ジチオカルボン酸置換基を有する配位子などが挙げられる。含窒素化合物の例としては、ピラジン、ビピリジン、イミダゾール骨格を有する配位子などが挙げられる。含酸素化合物の例としては、オキサレート、クロラニルレート、2,5−ジヒドロキシ−1,4−ベンゾキノン、ベンゼンジカルボキシレート、カテコールなどが挙げられる。含燐化合物の例としては、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィノエタン、ジフェニルホスフィノプロパン、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンなどが挙げられる。 As the bridging ligand, a sulfur-containing compound, a nitrogen-containing compound, an oxygen-containing compound, a phosphorus-containing compound, or the like can be used. Examples of the sulfur-containing compound include dithiooxalate, tetrathiooxalate, and a ligand having a dithiocarboxylic acid substituent. Examples of nitrogen-containing compounds include pyrazine, bipyridine, ligands having an imidazole skeleton, and the like. Examples of oxygen-containing compounds include oxalate, chloranilate, 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone, benzenedicarboxylate, catechol and the like. Examples of the phosphorus-containing compound include triphenylphosphine, diphenylphosphinoethane, diphenylphosphinopropane, 1,1'-bis (diphenylphosphino) ferrocene and the like.
次に、工程S1で作製した配位高分子を構成する金属イオンの少なくとも1種類に配位可能な極性溶媒と、非極性溶媒とを含む混合溶媒を調製する(工程S2)。
極性溶媒としては、金属イオンに比較的弱く配位するいずれかの溶媒を用いることができる。例えばニトリル基を有する極性溶媒であるアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトンなどを使用でき、特にアセトニトリルが好ましいことが判っている。ニトリル基は、一価の銅イオンと相性がよいことが判っている。例えば、実施例で説明する配位高分子P8:[Cu7 ICuIIBr7(nBu2−dtc)2]nでは、ジチオカルバミン酸誘導体のイオンであるnBu2−dtc−が二価の銅イオンにキレート配位する。それゆえ、アセトニトリルなどを含む溶媒に配位高分子P8を溶解させたときには、ニトリル基は二価の銅イオンには配位せず、一価の銅イオンに対して比較的弱く配位していると考えられる。
Next, a mixed solvent containing a polar solvent capable of coordinating to at least one of the metal ions constituting the coordination polymer prepared in step S1 and a nonpolar solvent is prepared (step S2).
As the polar solvent, any solvent that coordinates relatively weakly to the metal ion can be used. For example, acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, butyronitrile, tetrahydrofuran, methanol, ethanol, propanol, acetone and the like which are polar solvents having a nitrile group can be used, and acetonitrile has been found to be particularly preferable. Nitrile groups have been found to be compatible with monovalent copper ions. For example, in the coordination polymer P8: [Cu 7 I Cu II Br 7 (nBu 2 -dtc) 2 ] n described in the examples, nBu 2 -dtc − which is an ion of a dithiocarbamic acid derivative is a divalent copper ion. To chelate. Therefore, when the coordination polymer P8 is dissolved in a solvent containing acetonitrile or the like, the nitrile group is not coordinated to the divalent copper ion, but is relatively weakly coordinated to the monovalent copper ion. It is thought that there is.
非極性溶媒としては、クロロホルム、トルエン、ジクロロメタン、ベンゼン、四塩化炭素、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなど、公知の非極性有機溶媒を用いることができる。 Nonpolar solvents can be used chloroform, toluene, dichloromethane, benzene, carbon tetrachloride, dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, chlorobenzene, etc. dichlorobenzene, a known non-polar organic solvents.
ここで、極性溶媒に対する非極性溶媒の割合が小さい、または非極性溶媒を含まない混合溶媒を用いた場合、配位高分子を溶解させたときに、金属イオンに対する極性溶媒からの配位能が高くなりすぎるため、自己組織化の妨げになる場合がある。このような場合、極性溶媒と非極性溶媒とが好適な割合で混合された混合溶媒を用いることが好ましい。
さらに、例えばジチオカルバミン酸誘導体のイオンを配位子とした配位高分子の場合、アルキル基の存在に起因して、極性の高い溶媒には溶解しにくい。それゆえ、配位高分子の溶解度を考慮して、極性溶媒と非極性溶媒との混合比を決定することが好ましい。
Here, when a mixed solvent having a small ratio of the nonpolar solvent to the polar solvent or containing no nonpolar solvent is used, the coordination ability from the polar solvent to the metal ion is reduced when the coordination polymer is dissolved. Since it becomes too high, self-organization may be hindered. In such a case, it is preferable to use a mixed solvent in which a polar solvent and a nonpolar solvent are mixed at a suitable ratio.
Further, for example, in the case of a coordination polymer having a dithiocarbamic acid derivative ion as a ligand, it is difficult to dissolve in a highly polar solvent due to the presence of an alkyl group. Therefore, it is preferable to determine the mixing ratio of the polar solvent and the nonpolar solvent in consideration of the solubility of the coordination polymer.
次に、工程S2で調製した混合溶媒に、工程S1で作製した配位高分子の単結晶を溶解させる(工程S3)。
このとき、混合溶媒の温度を約20℃から約30℃としておくことが好ましい。混合溶媒中では、極性溶媒に配位された金属イオンと、架橋配位子とが分離した形で存在していると考えられる。
Next, the single crystal of the coordination polymer prepared in step S1 is dissolved in the mixed solvent prepared in step S2 (step S3).
At this time, the temperature of the mixed solvent is preferably set to about 20 ° C. to about 30 ° C. In the mixed solvent, it is considered that the metal ion coordinated with the polar solvent and the bridging ligand exist in a separated form.
次に、工程S3で作製した溶液を基板の上に塗布して混合溶媒を蒸発させる(工程S4)。
工程S4は、例えば標準環境温度(約25℃)の大気圧下で実施できるが、窒素などの異なる雰囲気下で実施してもよい。この工程S4により、溶液中に存在する金属イオンと架橋配位子との自己組織化が誘起され、基板の上に薄膜が作製される。
Next, the solution prepared in step S3 is applied on the substrate to evaporate the mixed solvent (step S4).
Step S4 can be performed, for example, under atmospheric pressure at a standard environmental temperature (about 25 ° C.), but may be performed under a different atmosphere such as nitrogen. By this step S4, self-organization of the metal ions present in the solution and the bridging ligand is induced, and a thin film is produced on the substrate.
なお、「基板」は、配位高分子薄膜の用途に合わせた大きさや材料、形状の基板を用いることができ、フレキシブル基板や曲面状の基板でもよい。また、特許請求の範囲の「基材」は、配位高分子薄膜を上に形成可能なベース材料であって、当該「基板」に限定されることなく、例えば基板の上に設けられた材料層も「基材」に含まれるものとする。 As the “substrate”, a substrate having a size, material, and shape suitable for the application of the coordination polymer thin film can be used, and a flexible substrate or a curved substrate may be used. Further, the “base material” in the claims is a base material on which a coordination polymer thin film can be formed, and is not limited to the “substrate”. For example, a material provided on the substrate Layers are also included in the “substrate”.
溶液の塗布と成膜は、公知の方法、例えば、スピンコート、ディップコート、静電スプレー、インクジェット、ロールツーロール、ナノインプリント、スクリーンプリントなどを用いて行うことができる。 Application of the solution and film formation can be performed by a known method, for example, spin coating, dip coating, electrostatic spraying, ink jet, roll-to-roll, nanoimprint, or screen printing.
薄膜の厚さは、基板の上に塗布する溶液の量を変化させることにより制御できる。例えばスピンコートであれば、ステージの回転数、回転時間、雰囲気(蒸発速度)などを調製することにより薄膜の厚さを制御できる。これは他の塗布方法でも同様である。さらに、予め加熱した基板の上に溶液を塗布することにより、さらに厚い膜を形成できることが判っている。
なお、本明細書では、一般的な定義に従って、例えば厚さが数μm以下のものを「薄膜」としているが、上記の通り膜の厚さは制御可能であって、厚さが数10μm以上の、いわゆる厚膜を製造することも当然に可能である。
The thickness of the thin film can be controlled by changing the amount of solution applied onto the substrate. For example, in the case of spin coating, the thickness of the thin film can be controlled by adjusting the rotation speed, rotation time, atmosphere (evaporation speed), and the like of the stage. The same applies to other coating methods. Furthermore, it has been found that a thicker film can be formed by applying a solution on a preheated substrate.
In this specification, according to a general definition, for example, a thin film having a thickness of several μm or less is referred to as a “thin film”. However, as described above, the thickness of the film can be controlled and the thickness is several tens of μm or more. Of course, it is possible to produce a so-called thick film.
ここで、配位高分子を構成する金属イオンと架橋配位子とを自己組織化させて再度配位高分子のポリマー構造を構築するためには、金属イオンと架橋配位子とが、これらの自己組織化に適した比で混合溶媒中に存在する溶液を準備することが必要となる。「比」は、粒子数比(モル比)を指す。この状態は、配位高分子の単結晶を混合溶媒に溶解させることにより容易に実現されることになる。 Here, in order to self-assemble the metal ion and the bridging ligand constituting the coordination polymer to construct the polymer structure of the coordination polymer again, the metal ion and the bridging ligand It is necessary to prepare a solution present in the mixed solvent at a ratio suitable for self-assembly. “Ratio” refers to the particle number ratio (molar ratio). This state is easily realized by dissolving a single crystal of a coordination polymer in a mixed solvent.
あるいは、極性溶媒に溶解した金属化合物(金属塩)と非極性溶媒に溶解した架橋配位子の溶液をそれぞれ準備し、金属イオンと架橋配位子とがこれらの自己組織化に適した比で存在するよう混合した溶液を調製してもよい。このとき、「自己組織化に適した比」は、配位高分子を構成する金属イオンと架橋配位子との厳密な比だけでなく、多少のずれが許容される。 Alternatively, a solution of a metal compound (metal salt) dissolved in a polar solvent and a cross-linking ligand dissolved in a non-polar solvent is prepared, and the metal ion and the cross-linking ligand are in a ratio suitable for these self-organizations. Mixed solutions may also be prepared. At this time, the “ratio suitable for self-assembly” is not limited to a strict ratio between the metal ions constituting the coordination polymer and the bridging ligand, and a slight deviation is allowed.
さらに、配位高分子薄膜を基板の上に作製した後、薄膜を基板ごと加熱してもよい(工程S5)。
これにより、基板の平滑性や導電性などを向上させることができる。これは、配位高分子薄膜の結晶化度が増加するからであると考えられる。加熱温度は、本明細書で例示している配位高分子であれば、例えば約50℃から約150℃とすることができる。
Further, after the coordination polymer thin film is formed on the substrate, the thin film may be heated together with the substrate (step S5).
Thereby, the smoothness of a board | substrate, electroconductivity, etc. can be improved. This is presumably because the crystallinity of the coordination polymer thin film increases. The heating temperature can be, for example, about 50 ° C. to about 150 ° C. in the case of the coordination polymer exemplified in this specification.
以上のようにして製造した配位高分子薄膜は、例えば多孔性固体触媒として用いることができる。また、金属イオンや架橋配位子の選択により、配位高分子の導電性(絶縁性)、半導体特性、誘電性(強誘電性、常誘電性)などを制御可能である。それゆえ、配位高分子薄膜の用途として、リチウムイオン電池の電極、薄膜太陽電池の半導体層、有機トランジスタの半導体層や絶縁膜、キャパシタの誘電体などが想定され、さらに、これらの有機トランジスタやキャパシタを備えた強誘電体メモリも想定される。なお、配位高分子における強誘電性は、配位高分子骨格内に埋め込まれた金属イオンが協同的に変位することで発現されると考えられる。 The coordination polymer thin film produced as described above can be used as, for example, a porous solid catalyst. Further, by selecting a metal ion or a bridging ligand, it is possible to control the conductivity (insulation), semiconductor characteristics, dielectric properties (ferroelectricity, paraelectricity), etc. of the coordination polymer. Therefore, applications of coordination polymer thin films are envisioned for lithium ion battery electrodes, thin film solar cell semiconductor layers, organic transistor semiconductor layers and insulating films, capacitor dielectrics, and the like. A ferroelectric memory with a capacitor is also envisaged. In addition, it is considered that the ferroelectricity in the coordination polymer is manifested by cooperative displacement of metal ions embedded in the coordination polymer skeleton.
例えば、図1に示す薄膜太陽電池10は、以下のようにして製造できる。すなわち、電極2が形成された基板1の上に、本実施の形態に係る方法に従ってp型半導体層としての配位高分子薄膜3を設ける。次に、本実施の形態に係る方法(溶液塗布)に従って、配位高分子薄膜3(基材)の上にn型半導体層としての配位高分子薄膜4を設け、その上に電極5を形成する。例えば、電極2はITO(酸化インジウムスズ)またはFTO(フッ素ドープ酸化スズ)であり、基板1は例えばガラス基板である。電極2が形成された市販の基板1を使用してもよい。また、電極5は例えばアルミニウムであって、真空蒸着により形成できる。上記の方法とは逆に、電極5の上に配位高分子薄膜4,3、電極2を設けてもよい。 For example, the thin film solar cell 10 shown in FIG. 1 can be manufactured as follows. That is, the coordination polymer thin film 3 as a p-type semiconductor layer is provided on the substrate 1 on which the electrode 2 is formed according to the method according to the present embodiment. Next, according to the method (solution application) according to the present embodiment, a coordination polymer thin film 4 as an n-type semiconductor layer is provided on the coordination polymer thin film 3 (base material), and an electrode 5 is formed thereon. Form. For example, the electrode 2 is ITO (indium tin oxide) or FTO (fluorine-doped tin oxide), and the substrate 1 is, for example, a glass substrate. A commercially available substrate 1 on which the electrode 2 is formed may be used. The electrode 5 is, for example, aluminum and can be formed by vacuum deposition. Contrary to the above method, the coordination polymer thin films 4 and 3 and the electrode 2 may be provided on the electrode 5.
なお、作製した配位高分子がp型半導体として機能するかn型半導体として機能するかは、例えば配位高分子をチャネル層として用いた電界効果トランジスタの出力特性を調べるなど、公知の方法で判別できる。この方法で、配位高分子p8がp型半導体として機能することを確認している。表1中、LUMOの値の高いものはn型半導体として、LUMOの値の低いものはp型半導体として機能することが考えられる。 Whether the prepared coordination polymer functions as a p-type semiconductor or an n-type semiconductor can be determined by a known method, for example, by examining the output characteristics of a field effect transistor using the coordination polymer as a channel layer. Can be determined. With this method, it has been confirmed that the coordination polymer p8 functions as a p-type semiconductor. In Table 1, it can be considered that a high LUMO value functions as an n-type semiconductor, and a low LUMO value functions as a p-type semiconductor.
薄膜太陽電池の構造は、図1に示したいわゆるpn接合型に限られず、p型半導体層を電極2,5で挟持したいわゆるショットキー型でもよい。また、p型半導体とn型半導体を混合して作製した複数種の配位高分子からなる薄膜を電極2,5で挟持した構造でもよい。また、いわゆるp−i−nバルクへテロ接合型の構造でもよい。 The structure of the thin-film solar cell is not limited to the so-called pn junction type shown in FIG. 1, but may be a so-called Schottky type in which a p-type semiconductor layer is sandwiched between electrodes 2 and 5. Further, a structure in which a thin film made of a plurality of kinds of coordination polymers prepared by mixing a p-type semiconductor and an n-type semiconductor is sandwiched between the electrodes 2 and 5 may be used. Also, a so-called p-i-n bulk heterojunction structure may be used.
また、電極2,5と配位高分子薄膜3,4との間にそれぞれバッファ層を介在させてもよい。電極2側のバッファ層は、例えばPEDOT−PSS被膜であって、ポリスチレンスルホン酸を添加したポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)をスピンコートにより塗布して形成できる。また、電極5側のバッファ層は、例えばTiO2層であって、Tiアルコキシドのエタノール溶液をスピンコートにより塗布して形成できる。 Further, a buffer layer may be interposed between the electrodes 2 and 5 and the coordination polymer thin films 3 and 4, respectively. The buffer layer on the electrode 2 side is, for example, a PEDOT-PSS film, and can be formed by applying poly (3,4-ethylenedioxythiophene) added with polystyrene sulfonic acid by spin coating. The buffer layer on the electrode 5 side is, for example, a TiO 2 layer, and can be formed by applying an ethanol solution of Ti alkoxide by spin coating.
配位高分子薄膜3,4の一方を、n型、p型半導体として機能し、従来から薄膜太陽電池に用いられる化合物で代用してもよい。
このような化合物として、例えば、フラーレン、フラーレン誘導体、オリゴチオフェン、オリゴチオフェン誘導体、ポリチオフェン、ポリチオフェン誘導体、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、金属フタロシアニン、金属フタロシアニン誘導体、ポリフェニレン、ポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリシラン、ポリシラン誘導体、ポリフルオレン、ポリフルオレン誘導体、ペンタセン、ペンタセン誘導体、アントラセン、アントラセン誘導体、ルブレン、ルブレン誘導体、ペリレン、ペリレン誘導体、テトラシアノキノジメタン、テトラシアノキノジメタン誘導体、テトラチアフルバレン、テトラチアフルバレン誘導体、オキサジアゾール、オキサジアゾール誘導体などが挙げられる。そしてこれらの化合物の中でも、より高い変換効率を発現させることができることから、1−(3−メトキシカルボニル)プロピル−1−フェニル−[6,6]−C61(PCBM)およびポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)を用いることが好ましい。
One of the coordination polymer thin films 3 and 4 may function as an n-type or p-type semiconductor, and may be substituted with a compound conventionally used in a thin film solar cell.
Examples of such compounds include fullerene, fullerene derivatives, oligothiophene, oligothiophene derivatives, polythiophene, polythiophene derivatives, phthalocyanines, phthalocyanine derivatives, metal phthalocyanines, metal phthalocyanine derivatives, polyphenylene, polyphenylene derivatives, polyphenylene vinylene, polyphenylene vinylene derivatives, polyvinyl Carbazole, polyvinylcarbazole derivative, polysilane, polysilane derivative, polyfluorene, polyfluorene derivative, pentacene, pentacene derivative, anthracene, anthracene derivative, rubrene, rubrene derivative, perylene, perylene derivative, tetracyanoquinodimethane, tetracyanoquinodimethane derivative Tetrathiafulvalene, tetrathiafulvalene derivatives, Sajiazoru, and an oxadiazole derivative. Among these compounds, since higher conversion efficiency can be expressed, 1- (3-methoxycarbonyl) propyl-1-phenyl- [6,6] -C61 (PCBM) and poly-3-hexylthiophene It is preferable to use (P3HT).
また、金属イオンとして、Fe,Co,Ni,Cu,Ru,Rh,Pd,Ag,Os,Ir,Pt,Auという、いわゆる8族および1B族の元素のイオンを用いることが好ましい。特に、Cuを用い、かつ、例示した前述の架橋配位子を配位することにより、配位高分子全体に電子を非局在化させることができるという利点がある。なお、互いに異なる複数の金属イオンを併用することによって、それぞれの金属イオンが有する特性を発現させることも可能である。例えば、銅イオンとともにプラチナイオンやイリジウムイオンなど重原子効果を有する金属イオンを用いることにより、銅イオンが有する電子の非局在化効果に加えて、プラチナイオンやイリジウムイオンが有する励起寿命延長効果を発揮させることができる。 Further, it is preferable to use ions of so-called Group 8 and Group 1B elements such as Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, and Au as metal ions. In particular, there is an advantage that electrons can be delocalized in the entire coordination polymer by using Cu and coordinating the exemplified bridging ligand described above. In addition, it is also possible to express the characteristics of each metal ion by using a plurality of different metal ions in combination. For example, by using metal ions with heavy atom effects such as platinum ions and iridium ions together with copper ions, in addition to the delocalization effect of electrons that copper ions have, the excitation life extension effect that platinum ions and iridium ions have It can be demonstrated.
また、架橋配位子としては、下記の化1で表わされるジチオカルボン酸誘導体のイオン(R1は、脂肪族炭化水素基、置換脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、置換芳香族炭化水素基、複素環基または置換複素環基)を用いることが好ましい。 Further, as a bridging ligand, an ion of a dithiocarboxylic acid derivative represented by the following chemical formula 1 (R 1 is an aliphatic hydrocarbon group, a substituted aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, a substituted aromatic carbon group. It is preferable to use a hydrogen group, a heterocyclic group or a substituted heterocyclic group.
また、上記化1のイオンの中でも、下記の化2で表されるジチオカルバミン酸誘導体のイオン(R2およびR3は、同一または異なる脂肪族炭化水素基、置換脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、置換芳香族炭化水素基、複素環基または置換複素環基)を用いることが好ましい。 Among the above-mentioned ions of the chemical formula 1, the ions of the dithiocarbamic acid derivative represented by the chemical formula 2 below (R 2 and R 3 may be the same or different aliphatic hydrocarbon group, substituted aliphatic hydrocarbon group, aromatic carbonization. It is preferable to use a hydrogen group, a substituted aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group or a substituted heterocyclic group.
なお、R2およびR3については、炭素数が1〜50のものが好ましく、さらには1〜30のものが好ましい。 R 2 and R 3 preferably have 1 to 50 carbon atoms, and more preferably 1 to 30 carbon atoms.
R1の具体例としては、下記の化3で表される脂肪族炭化水素基、置換脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、置換芳香族炭化水素基、複素環基および置換複素環基が挙げられる。 Specific examples of R 1 include an aliphatic hydrocarbon group, a substituted aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, a substituted aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group, and a substituted heterocyclic group represented by the following chemical formula 3 Is mentioned.
前述の通り、配位高分子は、金属イオンと配位子以外に金属イオン同士を架橋するハロゲン化物イオンなどを含んでもよい。その中でも、電子の非局在化効果を向上させるという点では、臭素イオンまたはヨウ素イオンを用いることが好ましい。このような架橋剤成分を用いることによって、それぞれの成分のHOMO(最高被占軌道)とLUMO(最低空軌道)の軌道がそれぞれエネルギーバンドを形成し、生成した電子や正孔の輸送特性を向上させることができる。例えば、下記の化4に示すように、金属イオンとして銅イオンを用い、配位子としてヘキサメチレンジチオカルバミン酸を用いた単核錯体同士を臭素イオンまたはヨウ素イオン(化4中のX)を用いて架橋することで、それぞれの軌道の重なりによってエネルギーバンドが形成され、高いキャリア輸送特性を実現できる。 As described above, the coordination polymer may include a halide ion that crosslinks metal ions in addition to the metal ion and the ligand. Among them, it is preferable to use bromine ions or iodine ions in terms of improving the delocalization effect of electrons. By using such crosslinker components, the HOMO (highest occupied orbit) and LUMO (lowest empty orbit) orbital of each component forms an energy band, improving the transport properties of the generated electrons and holes. Can be made. For example, as shown in chemical formula 4 below, a mononuclear complex using copper ions as metal ions and hexamethylenedithiocarbamic acid as a ligand is used as bromine ions or iodine ions (X in chemical formula 4). By crosslinking, an energy band is formed by overlapping each orbit and high carrier transport characteristics can be realized.
また、例えば有機トランジスタなどの半導体層として配位高分子薄膜を用いる場合、金属イオンとして、遷移金属元素の中でも、Cu,Ni,Feなどの元素を用いることが好ましい。 For example, when a coordination polymer thin film is used as a semiconductor layer of an organic transistor or the like, it is preferable to use an element such as Cu, Ni, or Fe among the transition metal elements as the metal ion.
例示した用途に用いる場合、配位高分子の分子量や繰り返し単位(n)数としては特に限定されるものではなく、用いられる有機半導体に応じて適宜設定されるものであるが、分子量としては1000以上であることが好ましく、繰り返し単位数としては100以上であることが好ましい。なお、分子量と繰り返し単位(n)数の上限については、使用に支障がない範囲において適宜設定できる。 When used in the exemplified applications, the molecular weight and the number of repeating units (n) of the coordination polymer are not particularly limited, and are appropriately set according to the organic semiconductor used. The number of repeating units is preferably 100 or more. In addition, about the upper limit of molecular weight and the number of repeating units (n), it can set suitably in the range which does not have trouble in use.
(実施例)
次に、以下の実施例により、本発明の実施の形態に係る配位高分子薄膜の製造方法について具体的に説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。
(Example)
Next, a method for producing a coordination polymer thin film according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the following examples. The following examples are merely examples of the present invention and do not limit the technical scope of the present invention.
[単核錯体の作製]
まず、単核錯体C1〜C8の作製方法について説明する。
[Preparation of mononuclear complex]
First, a method for producing the mononuclear complexes C1 to C8 will be described.
(単核錯体C1:Cu(Pip−dtc)2)
まず、10mmolの水酸化ナトリウムを溶かしたメタノール溶液100mlに10mmolのピペリジンを加え、さらに10mmolの二硫化炭素を反応させた。次に、この溶液に5mmolの塩化銅二水和物を100mlのメタノールに溶かした溶液を加え、5分間撹拌し反応させた。得られた沈殿物をろ過して集めた後、クロロホルム200mlに溶かし、その溶解液に200mlのメタノールを加え、約100mlに減圧濃縮した。さらにメタノール200mlを加え、約50mlに減圧濃縮した後、得られた微結晶を吸引ろ過によって集め、少量のエーテルで洗浄し乾燥させることで、下記の化5に示す単核錯体C1:Cu(Pip−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C1: Cu (Pip-dtc) 2 )
First, 10 mmol of piperidine was added to 100 ml of a methanol solution in which 10 mmol of sodium hydroxide was dissolved, and further 10 mmol of carbon disulfide was reacted. Next, a solution obtained by dissolving 5 mmol of copper chloride dihydrate in 100 ml of methanol was added to this solution, and the mixture was stirred and reacted for 5 minutes. The resulting precipitate was collected by filtration, dissolved in 200 ml of chloroform, 200 ml of methanol was added to the solution, and the mixture was concentrated under reduced pressure to about 100 ml. Further, 200 ml of methanol was added and concentrated under reduced pressure to about 50 ml. The obtained microcrystals were collected by suction filtration, washed with a small amount of ether and dried to give a mononuclear complex C1: Cu (Pip -Dtc) 2 was obtained.
(単核錯体C2:Cu(Hm−dtc)2)
単核錯体C1の作製に使用したピペリジンの代わりにヘキサメチレンイミンを用いた以外は単核錯体C1と同様にして、下記の化6に示す単核錯体C2:Cu(Hm−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C2: Cu (Hm-dtc) 2 )
The mononuclear complex C2: Cu (Hm-dtc) 2 shown in the following chemical formula 6 is obtained in the same manner as the mononuclear complex C1 except that hexamethyleneimine is used instead of piperidine used for the production of the mononuclear complex C1. It was.
(単核錯体C3:Cu(Pyr−dtc)2)
単核錯体C1の作製に使用したピペリジンの代わりにピロリジンを用いた以外は単核錯体C1と同様にして、下記の化7に示す単核錯体C3:Cu(Pyr−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C3: Cu (Pyr-dtc) 2 )
The mononuclear complex C3: Cu (Pyr-dtc) 2 shown below was obtained in the same manner as the mononuclear complex C1 except that pyrrolidine was used instead of piperidine used for the production of the mononuclear complex C1.
(単核錯体C4:Cu(Ocm−dtc)2)
単核錯体C1の作製に使用したピペリジンの代わりにオクタメチレンイミンを用いた以外は単核錯体C1と同様にして、下記の化8に示す単核錯体C4:Cu(Ocm−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C4: Cu (Ocm-dtc) 2 )
A mononuclear complex C4: Cu (Ocm-dtc) 2 shown in the following chemical formula 8 is obtained in the same manner as the mononuclear complex C1 except that octamethyleneimine is used instead of piperidine used for the production of the mononuclear complex C1. It was.
(単核錯体C5:Cu(nPr2−dtc)2)
単核錯体C1の作製に使用したピペリジンの代わりにジプロピルアミンを用いた以外は単核錯体C1と同様にして、下記の化9に示す単核錯体C5:Cu(nPr2−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C5: Cu (nPr 2 -dtc) 2)
The mononuclear complex C5: Cu (nPr 2 -dtc) 2 shown in the following chemical formula 9 is obtained in the same manner as the mononuclear complex C1 except that dipropylamine is used instead of piperidine used for the production of the mononuclear complex C1. Obtained.
(単核錯体C6:Cu(nBu2−dtc)2)
単核錯体C1の作製に使用したピペリジンの代わりにジブチルアミンを用いた以外は単核錯体C1と同様にして、下記の化10に示す単核錯体C6:Cu(nBu2−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C6: Cu (nBu 2 -dtc) 2 )
The mononuclear complex C6: Cu (nBu 2 -dtc) 2 shown below is obtained in the same manner as the mononuclear complex C1, except that dibutylamine is used instead of piperidine used for the production of the mononuclear complex C1. It was.
(単核錯体C7:Ni(Hm−dtc)2)
まず、10mmolの水酸化ナトリウムを溶かしたメタノール溶液100mlに10mmolのピペリジンを加え、さらに10mmolの二硫化炭素を反応させた。次に、この溶液に5mmolの塩化ニッケル六水和物を100mlのメタノールに溶かした溶液を加え、5分間撹拌し反応させた。得られた沈殿物をろ過して集めた後、クロロホルム200mlに溶かし、その溶解液に200mlのメタノールを加え、約100mlに減圧濃縮した。さらにメタノール200mlを加え、約50mlに減圧濃縮した後、得られた微結晶を吸引ろ過によって集め、少量のエーテルで洗浄し乾燥させることで、下記の化11に示す単核錯体C7:Ni(Hm−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C7: Ni (Hm-dtc) 2 )
First, 10 mmol of piperidine was added to 100 ml of a methanol solution in which 10 mmol of sodium hydroxide was dissolved, and further 10 mmol of carbon disulfide was reacted. Next, a solution obtained by dissolving 5 mmol of nickel chloride hexahydrate in 100 ml of methanol was added to this solution, and the mixture was stirred for 5 minutes to be reacted. The resulting precipitate was collected by filtration, dissolved in 200 ml of chloroform, 200 ml of methanol was added to the solution, and the mixture was concentrated under reduced pressure to about 100 ml. After adding 200 ml of methanol and concentrating under reduced pressure to about 50 ml, the resulting microcrystals were collected by suction filtration, washed with a small amount of ether and dried to give a mononuclear complex C7: Ni (Hm -Dtc) 2 was obtained.
(単核錯体C8:Cu(Pen2−dtc)2)
まず、10mmolの水酸化カリウムを溶かしたメタノール溶液100mlに10mmolのジペンチルアミンを加え、さらに10mmolの二硫化炭素を反応させた。次に、この溶液に5mmolの塩化銅二水和物を100mlのメタノールに溶かした溶液を加え、5分間撹拌し反応させた。得られた沈殿物をろ過して集めた後、クロロホルム200mlに溶かし、その溶解液に200mlのメタノールを加え、約100mlに減圧濃縮した。さらにメタノール200mlを加え、約50mlに減圧濃縮した後、得られた微結晶を吸引ろ過によって集め、少量のエーテルで洗浄し乾燥させることで、下記の化12に示す単核錯体C8:Cu(Pen−dtc)2を得た。
(Mononuclear complex C8: Cu (Pen 2 -dtc) 2 )
First, 10 mmol of dipentylamine was added to 100 ml of a methanol solution in which 10 mmol of potassium hydroxide was dissolved, and 10 mmol of carbon disulfide was further reacted. Next, a solution obtained by dissolving 5 mmol of copper chloride dihydrate in 100 ml of methanol was added to this solution, and the mixture was stirred and reacted for 5 minutes. The resulting precipitate was collected by filtration, dissolved in 200 ml of chloroform, 200 ml of methanol was added to the solution, and the mixture was concentrated under reduced pressure to about 100 ml. Further, 200 ml of methanol was added and concentrated under reduced pressure to about 50 ml, and the resulting microcrystals were collected by suction filtration, washed with a small amount of ether and dried to give a mononuclear complex C8: Cu (Pen -Dtc) 2 was obtained.
[配位高分子の単結晶の作製]
次に、配位高分子P1〜P17の単結晶の作製方法について説明する。なお、以下の方法により配位高分子の単結晶が作製されるが、作製されるのは多結晶、非晶質のようないずれの形態の配位高分子でも構わない。
[Preparation of single crystal of coordination polymer]
Next, a method for producing single crystals of coordination polymers P1 to P17 will be described. A single crystal of a coordination polymer is produced by the following method, but any type of coordination polymer such as polycrystalline or amorphous may be produced.
(配位高分子P1:[Cu5I3(Pip−dtc)4]n)
単核錯体C1:Cu(Pip−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、ヨウ化銅0.1mmolをプロピオニトリル10mlとアセトン10mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、2日間室温で放置することによって、配位高分子P1:[Cu5I3(Pip−dtc)4]nの黒色単結晶を作製した。配位高分子P1の構造解析から得られた立体構造を図2に示す。この立体構造では、一次元梯子形構造を有するヨウ化銅(I)の錯体の両側に単核錯体Cu(Pip−dtc)2が結合するような構造となっている。
(Coordination polymer P1: [Cu 5 I 3 (Pip-dtc) 4 ] n )
Mononuclear complex C1: 0.1 mmol of Cu (Pip-dtc) 2 was dissolved in 20 ml of chloroform, 0.1 mmol of copper iodide was dissolved in a mixed solvent of 10 ml of propionitrile and 10 ml of acetone, and then each solution was dissolved. By mixing and allowing to stand at room temperature for 2 days, a black single crystal of the coordination polymer P1: [Cu 5 I 3 (Pip-dtc) 4 ] n was produced. The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P1 is shown in FIG. In this three-dimensional structure, a mononuclear complex Cu (Pip-dtc) 2 is bonded to both sides of a copper (I) iodide complex having a one-dimensional ladder structure.
(配位高分子P2:[Cu3Br2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]n)
単核錯体C2:Cu(Hm−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、臭化銅0.2mmolをアセトニトリル3mlとアセトン17mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、1日間室温で放置することによって、配位高分子P2:[Cu3Br2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]nの黒色単結晶を作製した。配位高分子P2の構造解析から得られた立体構造を図3に示す。
(Coordination polymer P2: [Cu 3 Br 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n )
Mononuclear complex C2: 0.1 mmol of Cu (Hm-dtc) 2 was dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.2 mmol of copper bromide was dissolved in a mixed solvent of 3 ml of acetonitrile and 17 ml of acetone, and then the respective solutions were mixed. A black single crystal of the coordination polymer P2: [Cu 3 Br 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n was produced by allowing it to stand at room temperature for 1 day. The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P2 is shown in FIG.
(配位高分子P3:[Cu3I2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]n)
単核錯体C2:Cu(Hm−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、ヨウ化銅0.2mmolをアセトニトリル10mlとアセトン10mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、1日間室温で放置することによって、配位高分子P3:[Cu3I2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]nの黒色単結晶を作製した。
(Coordination polymer P3: [Cu 3 I 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n )
Mononuclear complex C2: 0.1 mmol of Cu (Hm-dtc) 2 was dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.2 mmol of copper iodide was dissolved in a mixed solvent of 10 ml of acetonitrile and 10 ml of acetone, and then the respective solutions were mixed. A black single crystal of the coordination polymer P3: [Cu 3 I 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n was produced by allowing it to stand at room temperature for 1 day.
(配位高分子P4:{[Cu6Br4(Pyr−dtc)4]CHCl3}n)
単核錯体C3:Cu(Pyr−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、CuBrS(CH3)20.4mmolをアセトニトリル10mlに溶解してから10mlのアセトンで希釈した後、それぞれの溶解液を混合し、1日間室温で放置することによって、配位高分子P4:{[Cu6Br4(Pyr−dtc)4]CHCl3}nの黒色単結晶を作製した。
(Coordination polymer P4: {[Cu 6 Br 4 (Pyr-dtc) 4 ] CHCl 3 } n )
Mononuclear complex C3: 0.1 mmol of Cu (Pyr-dtc) 2 is dissolved in 20 ml of chloroform, 0.4 mmol of CuBrS (CH 3 ) 2 is dissolved in 10 ml of acetonitrile, diluted with 10 ml of acetone, and then dissolved. The liquids were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day, whereby a black single crystal of the coordination polymer P4: {[Cu 6 Br 4 (Pyr-dtc) 4 ] CHCl 3 } n was produced.
(配位高分子P5:[Cu3Br2(Ocm−dtc)2]n)
単核錯体C4:Cu(Ocm−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、臭化銅(I)ジメチルスルフィド錯体0.2mmolをアセトニトリル4mlとアセトン16mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、3日間室温で放置することによって、下記の化13に示す配位高分子P5:[Cu3Br2(Ocm−dtc)2]nの黒色単結晶を作製した。
(Coordination polymer P5: [Cu 3 Br 2 (Ocm-dtc) 2 ] n )
Mononuclear complex C4: 0.1 mmol of Cu (Ocm-dtc) 2 was dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.2 mmol of copper (I) dimethyl sulfide complex was dissolved in a mixed solvent of 4 ml of acetonitrile and 16 ml of acetone. Were mixed and allowed to stand at room temperature for 3 days to produce a black single crystal of coordination polymer P5: [Cu 3 Br 2 (Ocm-dtc) 2 ] n shown in Chemical Formula 13 below.
(配位高分子P6:[Cu3I2(Ocm−dtc)2]n)
単核錯体C4:Cu(Ocm−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、ヨウ化銅(I)0.2mmolをアセトニトリル10mlとアセトン10mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、3日間室温で放置することによって、下記の化14に示す配位高分子P6:[Cu3I2(Ocm−dtc)2]nの黒色単結晶を作製した。
(Coordination polymer P6: [Cu 3 I 2 (Ocm-dtc) 2 ] n )
Mononuclear complex C4: 0.1 mmol of Cu (Ocm-dtc) 2 is dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.2 mmol of copper (I) iodide is dissolved in a mixed solvent of 10 ml of acetonitrile and 10 ml of acetone, and then each solution. Were mixed and allowed to stand at room temperature for 3 days, thereby producing a black single crystal of coordination polymer P6: [Cu 3 I 2 (Ocm-dtc) 2 ] n shown in Chemical Formula 14 below.
(配位高分子P7:[Cu7Cl7 (nPr2−dtc)2]n)
単核錯体C5:Cu(nPr2−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、塩化銅二水和物0.4mmolをアセトン20mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、1日間室温で放置することによって、配位高分子P7:[Cu7Cl7 (nPr2−dtc)2]nの黒色単結晶を作製した。
(Coordination polymer P7: [Cu 7 Cl 7 (nPr 2 -dtc) 2 ] n )
Mononuclear complex C5: 0.1 mmol of Cu (nPr 2 -dtc) 2 is dissolved in 20 ml of chloroform, 0.4 mmol of copper chloride dihydrate is dissolved in a mixed solvent of 20 ml of acetone, and then each solution is mixed. Then, a black single crystal of the coordination polymer P7: [Cu 7 Cl 7 (nPr 2 -dtc) 2 ] n was produced by leaving it to stand at room temperature for 1 day.
(配位高分子P8:[Cu8Br7(nBu2−dtc)2]n)
単核錯体C6:Cu(nBu2−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、臭化銅0.2molを数滴の水になじませてからアセトン20mlに溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、1日間室温で放置することによって、配位高分子P8:[Cu8Br7(nBu2−dtc)2]nの黒色単結晶を作製した。
(Coordination polymer P8: [Cu 8 Br 7 ( nBu 2 -dtc) 2] n)
Mononuclear complex C6: 0.1 mmol of Cu (nBu 2 -dtc) 2 was dissolved in 20 ml of chloroform, 0.2 mol of copper bromide was dissolved in a few drops of water, dissolved in 20 ml of acetone, and then dissolved. The liquids were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day, thereby producing a black single crystal of the coordination polymer P8: [Cu 8 Br 7 (nBu 2 -dtc) 2 ] n .
(配位高分子P9:[Cu3Br2(Pip−dtc)2(CH3CN)2]n)
単核錯体C1:Cu(Pip−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、一価の臭化銅0.2mmolをアセトニトリル4mlとアセトン16mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、室温で1日静置させることによって、配位高分子P9:[Cu3Br2(Pip−dtc)2(CH3CN)2]nの黒色単結晶を作製した。配位高分子P9の構造解析から得られた立体構造を図6に示す。
(Coordination polymer P9: [Cu 3 Br 2 (Pip-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n )
Mononuclear complex C1: 0.1 mmol of Cu (Pip-dtc) 2 is dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.2 mmol of monovalent copper bromide is dissolved in a mixed solvent of 4 ml of acetonitrile and 16 ml of acetone, and then each solution. Were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day, thereby producing a black single crystal of the coordination polymer P9: [Cu 3 Br 2 (Pip-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n . The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P9 is shown in FIG.
(配位高分子P10:[Cu3I2(Pip−dtc)2(CH3CN)2]n)
単核錯体C1:Cu(Pip−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、一価のヨウ化銅0.1mmolをアセトニトリル10mlとアセトン10mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、室温で1日静置させることによって、配位高分子P10:[Cu3I2(Pip−dtc)2(CH3CN)2]nの黒色単結晶を作製した。配位高分子P10の構造解析から得られた立体構造を図7に示す。
(Coordination polymer P10: [Cu 3 I 2 (Pip-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n )
Mononuclear complex C1: 0.1 mmol of Cu (Pip-dtc) 2 is dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.1 mmol of monovalent copper iodide is dissolved in a mixed solvent of 10 ml of acetonitrile and 10 ml of acetone, and then each solution. Were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day to prepare a coordination polymer P10: [Cu 3 I 2 (Pip-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n black single crystal. The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P10 is shown in FIG.
(配位高分子P11:[Cu2NiBr2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]n)
単核錯体C7:Ni(Hm−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、一価の臭化銅0.2mmolをアセトニトリル10mlとアセトン10mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、室温で1日静置させることによって、配位高分子P11:[Cu2NiBr2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]nの黒色単結晶を作製した。配位高分子P11の構造解析から得られた立体構造を図8に示す。
(Coordination polymer P11: [Cu 2 NiBr 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n )
Mononuclear complex C7: 0.1 mmol of Ni (Hm-dtc) 2 is dissolved in 20 ml of chloroform, and 0.2 mmol of monovalent copper bromide is dissolved in a mixed solvent of 10 ml of acetonitrile and 10 ml of acetone, and then each solution. Were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day, to produce a black single crystal of the coordination polymer P11: [Cu 2 NiBr 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n . The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P11 is shown in FIG.
(配位高分子P12:[Cu2NiI2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]n)
単核錯体C7:Ni(Hm−dtc)2 0.1mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、一価のヨウ化銅0.1mmolをアセトニトリル10mlとアセトン10mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、室温で1日静置させることによって、配位高分子P12:[Cu2NiI2(Hm−dtc)2(CH3CN)2]nの黒色単結晶を作製した。配位高分子P12の構造解析から得られた立体構造を図9に示す。
(Coordination polymer P12: [Cu 2 NiI 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n )
Mononuclear complex C7: Ni (Hm-dtc) 2 0.1 mmol was dissolved in chloroform 20 ml, monovalent copper iodide 0.1 mmol was dissolved in a mixed solvent of acetonitrile 10 ml and acetone 10 ml, and then each solution. Were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day, thereby producing a black single crystal of the coordination polymer P12: [Cu 2 NiI 2 (Hm-dtc) 2 (CH 3 CN) 2 ] n . The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P12 is shown in FIG.
(配位高分子P13:[Cu2NiBr2(Hm−dtc)2]n)
単核錯体C7:Ni(Hm−dtc)2 0.3mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、二価の臭化銅0.2mmolを数滴の水になじませてからアセトン20mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、室温で1日静置させることによって、配位高分子P13:[Cu2NiBr2(Hm−dtc)2]nの黒色ブロック状結晶を作製した。配位高分子P13の構造解析から得られた立体構造を図10に示す。
(Coordination polymer P13: [Cu 2 NiBr 2 (Hm-dtc) 2 ] n )
Mononuclear complex C7: 0.3 mmol of Ni (Hm-dtc) 2 was dissolved in 20 ml of chloroform, 0.2 mmol of divalent copper bromide was dissolved in a few drops of water, and then dissolved in a mixed solvent of 20 ml of acetone. Thereafter, the respective dissolved solutions were mixed and allowed to stand at room temperature for 1 day to prepare black block crystals of the coordination polymer P13: [Cu 2 NiBr 2 (Hm-dtc) 2 ] n . The three-dimensional structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P13 is shown in FIG.
(配位高分子P14:[Cu(dahex−dtc)]n)
20mmolの水酸化カリウムを約500mlのメタノール溶媒に溶解させた後、単核錯体N,N’−ジエチル−1,6−ジアミノヘキサン(東京化成工業株式会社製)10mmol、二硫化炭素20mmol、塩化銅二水和物10mmolを順に加え茶色沈殿を得た。この茶色沈殿を吸引ろ過した後、約500mlのクロロホルムに溶解させてろ過を行った。その後、エバポレーターを用いてある程度のクロロホルムを飛ばしてから、大量のヘキサンで拡散することによって、下記の化15に示す配位高分子P14:[Cu(dahex−dtc)]nの茶色沈殿を作製した。
(Coordination polymer P14: [Cu (dahex-dtc)] n )
After dissolving 20 mmol of potassium hydroxide in about 500 ml of methanol solvent, mononuclear complex N, N′-diethyl-1,6-diaminohexane (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 10 mmol, carbon disulfide 20 mmol, copper chloride 10 mmol of dihydrate was added in order to obtain a brown precipitate. The brown precipitate was subjected to suction filtration, and then dissolved in about 500 ml of chloroform and filtered. Thereafter, a certain amount of chloroform was blown off using an evaporator and then diffused with a large amount of hexane to prepare a brown precipitate of the coordination polymer P14: [Cu (dahex-dtc)] n shown in the following chemical formula 15. .
(配位高分子P15:[Cu21Br20(Pen2−dtc)6]n)
単核錯体C8:Cu(Pen2−dtc)2 0.3mmolをクロロホルム20mlに溶解させ、二価の臭化銅1.0mmolを水10滴とアセトン20mlの混合溶媒に溶解させた後、それぞれの溶解液を混合し、その上からヘキサンを加えて室温で1日静置させることによって、配位高分子P15:[Cu21Br20(Pen2−dtc)6]nの黒色板状結晶を作製した。
(Coordination polymer P15: [Cu 21 Br 20 (Pen 2 -dtc) 6 ] n )
Mononuclear complex C8: Cu (Pen 2 -dtc) 2 0.3 mmol was dissolved in 20 ml of chloroform, and 1.0 mmol of divalent copper bromide was dissolved in a mixed solvent of 10 drops of water and 20 ml of acetone. The solution is mixed, hexane is added from above, and the mixture is allowed to stand at room temperature for 1 day, thereby producing a black plate-like crystal of coordination polymer P15: [Cu 21 Br 20 (Pen 2 -dtc) 6 ] n. did.
(配位高分子P16:{Fc2[Cu6Br8]}n)
少量の水で調製した二価の臭化銅0.2mmolのアセトン溶液(20ml)にゲスト分子として単核錯体フェロセン(Fc=Fe(C5H5)2)(和光純薬工業株式会社製)0.2mmolを加えたものをヘキサンで拡散させ、40℃暗所で5日間静置し拡散させることで、配位高分子P16:{Fc2[Cu6Br8]}nの黒色針状結晶を作製した。
配位高分子P16の構造解析から得られた二次元シート構造を図12(a)に示す。また、二次元シート間に取り込まれたフェロセニウムイオンの模式図を図12(b)に示す。
(Coordination polymer P16: {Fc 2 [Cu 6 Br 8 ]} n )
Mononuclear complex ferrocene (Fc = Fe (C 5 H 5 ) 2 ) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a guest molecule in an acetone solution (20 ml) of divalent copper bromide 0.2 mmol prepared with a small amount of water A mixture of 0.2 mmol was diffused with hexane, allowed to stand for 5 days in a dark place at 40 ° C. and diffused, and the black acicular crystals of the coordination polymer P16: {Fc 2 [Cu 6 Br 8 ]} n Was made.
A two-dimensional sheet structure obtained from the structural analysis of the coordination polymer P16 is shown in FIG. Moreover, the schematic diagram of the ferrocenium ion taken in between two-dimensional sheets is shown in FIG.12 (b).
(配位高分子P17:[TTF(Cu2Br4)]n)
少量の水で調製した二価の臭化銅0.4mmolのアセトン溶液(20ml)にゲスト分子として単核錯体フェロセン(和光純薬工業株式会社製)0.4mmolを加えたものと、テトラチアフルバレン(TTF = C6H4S4)0.1mmolのアセトン溶液(30ml)を混合させて暗所で静置することで、配位高分子P17:[TTF(Cu2Br4)]nの黒色柱状結晶を作製した。
配位高分子P17の構造解析から得られた二次元シート構造(側方から見た図)を図13(a)に、同構造を上方から見た図を図13(b)に示す。
(Coordination polymer P17: [TTF (Cu 2 Br 4 )] n )
A solution obtained by adding 0.4 mmol of a mononuclear complex ferrocene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a guest molecule to an acetone solution (20 ml) of divalent copper bromide 0.4 mmol prepared with a small amount of water, and tetrathiafulvalene (TTF = C 6 H 4 S 4 ) 0.1 mmol of acetone solution (30 ml) was mixed and allowed to stand in the dark so that the coordination polymer P17: [TTF (Cu 2 Br 4 )] n black Columnar crystals were produced.
FIG. 13A shows a two-dimensional sheet structure (viewed from the side) obtained from the structural analysis of the coordination polymer P17, and FIG. 13B shows a view of the structure viewed from above.
[作製した配位高分子の単結晶の評価]
以上のように作製した配位高分子P1〜P17の単結晶について、HOMO(eV)、LUMO(eV)、電気伝導率σ(S/cm)/活性化エネルギーEa(eV)を測定した(HOMO、LUMOについては配位高分子P1〜P14のみ)。測定結果を下記の表1に示す。なお、「化学式」下欄では、金属イオンの価数を分けて記載している。
HOMO、LUMOは、UV−Vis−NIR(紫外可視近赤外)分光光度計(HITACHI社製U−4100)を用いて測定した。
[Evaluation of single crystal of prepared coordination polymer]
HOMO (eV), LUMO (eV), electrical conductivity σ (S / cm) / activation energy Ea (eV) were measured for the single crystals of coordination polymers P1 to P17 produced as described above (HOMO). For LUMO, only coordination polymers P1 to P14). The measurement results are shown in Table 1 below. In the lower column of “Chemical Formula”, the valences of metal ions are shown separately.
HOMO and LUMO were measured using a UV-Vis-NIR (ultraviolet visible near infrared) spectrophotometer (U-4100 manufactured by HITACHI).
次に、配位高分子P8:[Cu8Br7(nBu2−dtc)2]n、配位高分子P15:[Cu21Br20(Pen2−dtc)6]n、配位高分子P16:{Fc2[Cu6Br8]}nに対して、インピーダンスアナライザ(Wayne Kerr Electronics社製6440B)を用いて比誘電率を測定した(周波数1kHz)。
測定結果は、それぞれ1.2×104(335K)、2.6×105(300K)、7.3×105(300K)であり、非常に大きい比誘電率の値が測定された。
Next, coordination polymers P8: [Cu 8 Br 7 ( nBu 2 -dtc) 2] n, coordination polymer P15: [Cu 21 Br 20 ( Pen 2 -dtc) 6] n, coordination polymer P16 : {Fc 2 [Cu 6 Br 8 ]} n was measured for relative dielectric constant using an impedance analyzer (6440B manufactured by Wayne Kerr Electronics) (frequency: 1 kHz).
The measurement results were 1.2 × 10 4 (335K), 2.6 × 10 5 (300K), and 7.3 × 10 5 (300K), respectively, and very large values of relative dielectric constant were measured.
図14は、配位高分子P8:[Cu8Br7(nBu2−dtc)2]n(鎖線)、配位高分子P8を構成する単核錯体C6:Cu(nBu2−dtc)2に(実線)に対するUV−Vis−NIRスペクトル測定の結果を示すグラフである。
グラフの横軸は吸収波長(nm)を、縦軸は吸光度(Abs)を示す。これは、他のUV−Vis−NIRスペクトル測定の結果を示すグラフでも同様である。なお、図14は、クベルカ−ムンク(Kubelka−Munk)変換後のスペクトルである(図19(b)も同様)。
FIG. 14 shows a coordination polymer P8: [Cu 8 Br 7 (nBu 2 -dtc) 2 ] n (chain line), a mononuclear complex C6: Cu (nBu 2 -dtc) 2 constituting the coordination polymer P8. It is a graph which shows the result of the UV-Vis-NIR spectrum measurement with respect to (solid line).
The horizontal axis of the graph represents the absorption wavelength (nm), and the vertical axis represents the absorbance (Abs). The same applies to graphs showing the results of other UV-Vis-NIR spectrum measurements. FIG. 14 shows a spectrum after Kubelka-Munk conversion (the same applies to FIG. 19B).
ここで、波長約400nmより短波長の紫外領域、波長約400nmから約800nmの可視光領域、波長約800nmより長波長の近赤外領域にスペクトルを分割して考える。図14を参照すると、配位高分子P8のスペクトルのプロファイルでは、単核錯体C6のスペクトルに対して、可視光領域から近赤外領域にかけての吸光度が大きくなることが判る。このプロファイルの変化は、配位高分子P8でバンド構造が形成されたことにより、光の吸収が長波長側へシフトしたことに起因すると考えられる。
このような単核錯体と配位高分子との吸光スペクトルのプロファイルの違いは、他の配位高分子においても測定される。
Here, the spectrum is divided into an ultraviolet region having a wavelength shorter than about 400 nm, a visible light region having a wavelength of about 400 nm to about 800 nm, and a near infrared region having a wavelength longer than about 800 nm. Referring to FIG. 14, in the spectrum profile of the coordination polymer P8, it can be seen that the absorbance from the visible light region to the near infrared region increases with respect to the spectrum of the mononuclear complex C6. This change in profile is thought to be due to the fact that the absorption of light has shifted to the longer wavelength side due to the formation of a band structure with the coordination polymer P8.
Such a difference in the absorption spectrum profile between the mononuclear complex and the coordination polymer is also measured in other coordination polymers.
これまで説明した配位高分子(単結晶)の優れた特性は、配位高分子の薄膜においても発現される。 The excellent properties of the coordination polymer (single crystal) described so far are also exhibited in the thin film of the coordination polymer.
[配位高分子薄膜の作製]
次に、配位高分子P8とP15の薄膜の作製方法について説明する。なお、薄膜の作製は、標準環境温度の大気圧下で行った。
[Preparation of coordination polymer thin film]
Next, a method for producing a thin film of coordination polymers P8 and P15 will be described. The thin film was produced under the atmospheric pressure of the standard environmental temperature.
(配位高分子P8:[Cu8Br7(nBu2−dtc)2]nの薄膜)
0.0148g(0.01mmol)の配位高分子P8の単結晶を、クロロホルム9mlとアセトニトリル1mlの混合溶媒(クロロホルム:アセトニトリル=9:1)に溶解させ、ろ過を行ったところ、黄色の溶液が得られた。寸法2cm×2.5cmのガラス基板の上に、黄色の溶液30滴(1滴:8μl)を直接に滴下(塗布)し、乾燥するまで数分間静置した。これにより、青色(青黒色)の膜が得られた。
(Coordination polymer P8: [Cu 8 Br 7 (nBu 2 -dtc) 2 ] n thin film)
When 0.0148 g (0.01 mmol) of the coordination polymer P8 single crystal was dissolved in a mixed solvent of 9 ml of chloroform and 1 ml of acetonitrile (chloroform: acetonitrile = 9: 1) and filtered, a yellow solution was obtained. Obtained. On a glass substrate having dimensions of 2 cm × 2.5 cm, 30 drops (1 drop: 8 μl) of a yellow solution was directly dropped (applied) and allowed to stand for several minutes until dried. Thereby, a blue (blue-black) film was obtained.
(配位高分子P15:[Cu21Br20(Pen2−dtc)6]nの薄膜)
0.0144g(0.0033mmol)の配位高分子P15の単結晶を、クロロホルム9.5mlとアセトニトリル0.5mlの混合溶媒(クロロホルム:アセトニトリル=19:1)に溶解させ、ろ過を行ったところ、黄色の溶液が得られた。寸法2cm×2.5cmのガラス基板の上に、黄色の溶液30滴を直接に滴下(塗布)し、乾燥するまで数分間静置した。これにより、青色(青黒色)の膜が得られた。
(Coordination polymer P15: [Cu 21 Br 20 (Pen 2 -dtc) 6 ] n thin film)
When 0.0144 g (0.0033 mmol) of the coordination polymer P15 single crystal was dissolved in a mixed solvent of chloroform 9.5 ml and acetonitrile 0.5 ml (chloroform: acetonitrile = 19: 1) and filtered, A yellow solution was obtained. On a glass substrate having dimensions of 2 cm × 2.5 cm, 30 drops of a yellow solution were directly dropped (applied) and allowed to stand for several minutes until dried. Thereby, a blue (blue-black) film was obtained.
なお、不純物が入った状態で溶液を基板の上に滴下すると、薄膜の性質や荒さに影響がある。それゆえ、上記実施例では、単結晶を混合溶媒に溶解させた後にろ過を行って、不純物を確実に除去している。 In addition, if the solution is dropped on the substrate with impurities, the properties and roughness of the thin film are affected. Therefore, in the above embodiment, the single crystal is dissolved in the mixed solvent and then filtered to reliably remove impurities.
[作製した配位高分子薄膜の評価]
図15(a)は、ガラス基板の上に作製した配位高分子P8の薄膜の光学顕微鏡写真を示す。図15(b)は、図15(a)の四角囲みの一部のレーザー顕微鏡写真を示す。
図15(a)の四角囲み中の色が薄い部分では、薄膜の一部を削り取って基板の表面を露出させ、レーザー顕微鏡(キーエンス社製VK−X100)を用いて当該部分で薄膜の最も高い位置と基板の表面との高低差を測定した。高低差(膜厚)は、0.2μmであると測定された。それゆえ、作製された膜は充分に薄膜であるといえる。
[Evaluation of produced coordination polymer thin film]
FIG. 15A shows an optical micrograph of a thin film of coordination polymer P8 produced on a glass substrate. FIG. 15B shows a laser micrograph of a part of the square box in FIG.
In the portion where the color in the square box in FIG. 15A is light, a part of the thin film is scraped to expose the surface of the substrate, and the thin film is the highest in the portion using a laser microscope (VK-X100 manufactured by Keyence Corporation). The height difference between the position and the surface of the substrate was measured. The height difference (film thickness) was measured to be 0.2 μm. Therefore, it can be said that the produced film is sufficiently thin.
次に、上記黄色の溶液10滴、30滴、50滴をガラス基板の上に滴下して作製した配位高分子P8の薄膜に対して、UV−Vis−NIRスペクトルを測定した。測定結果のグラフを図16に示す。
図16の点線、実線、鎖線は、それぞれ溶液を10滴、30滴、50滴だけ滴下した場合の測定結果を示す。
Next, the UV-Vis-NIR spectrum was measured with respect to the thin film of the coordination polymer P8 produced by dripping 10 drops, 30 drops, and 50 drops of the yellow solution on the glass substrate. A graph of the measurement results is shown in FIG.
The dotted line, the solid line, and the chain line in FIG. 16 show the measurement results when only 10 drops, 30 drops, and 50 drops of the solution were dropped.
まず、図14のグラフに示したように、単核錯体と配位高分子の単結晶とは、吸光スペクトルのプロファイルが大きく異なる。図14の配位高分子の吸光スペクトル(鎖線)と図16とを比較すると、共に波長約450nmで吸光度が極小をとることが判る。それゆえ、作製した薄膜において配位高分子骨格が再生しているといえる。
また、図16から、滴下する溶液の量が多いほど、吸光度が大きくなる、すなわち薄膜の膜厚が大きくなることが判る。
First, as shown in the graph of FIG. 14, the mononuclear complex and the single crystal of the coordination polymer have greatly different absorption spectrum profiles. Comparing the absorption spectrum (chain line) of the coordination polymer in FIG. 14 with FIG. 16, it can be seen that the absorbance is minimal at a wavelength of about 450 nm. Therefore, it can be said that the coordination polymer skeleton is regenerated in the produced thin film.
Further, it can be seen from FIG. 16 that as the amount of the solution to be dropped increases, the absorbance increases, that is, the film thickness of the thin film increases.
次に、図17(a)は、作製した配位高分子P8の薄膜に対して行った粉末X線回折の測定結果を示すグラフである。図17(b)は、作製した配位高分子P8の単結晶に対して行った単結晶X線回折(Laue法)の測定結果を示すグラフである。X線回折は、リガク社製R−AXIS RAPID−Fを用いて測定した。
それぞれ、グラフの横軸は回折角2θ(deg)を、縦軸は回折強度(単位なし)を示す。これは、他の粉末X線回折、単結晶X線回折の測定結果を示すグラフでも同様である。図17(a)では、図17(b)と同様に、回折角2θが5°付近でピークが測定された。回折角2θは結晶の面間隔に対応することから、作製した配位高分子の薄膜では、作製した配位高分子の単結晶と同程度のシート構造が再生していることが判る。
Next, FIG. 17A is a graph showing the results of measurement of powder X-ray diffraction performed on the prepared coordination polymer P8 thin film. FIG. 17B is a graph showing the measurement results of single crystal X-ray diffraction (Laue method) performed on the single crystal of the prepared coordination polymer P8. X-ray diffraction was measured using Rigaku R-AXIS RAPID-F.
In each graph, the horizontal axis represents the diffraction angle 2θ (deg), and the vertical axis represents the diffraction intensity (no unit). The same applies to graphs showing measurement results of other powder X-ray diffraction and single crystal X-ray diffraction. In FIG. 17A, as in FIG. 17B, a peak was measured when the diffraction angle 2θ was around 5 °. Since the diffraction angle 2θ corresponds to the interplanar spacing of the crystal, it can be seen that in the prepared coordination polymer thin film, a sheet structure similar to that of the produced coordination polymer single crystal is regenerated.
次に、図18(a)は、作製した配位高分子P15の薄膜に対して行った粉末X線回折の測定結果を示すグラフである。図18(b)は、作製した配位高分子P15の単結晶に対して行った単結晶X線回折の測定結果を示すグラフである。
図18(a)では、図18(b)と同様に、回折角2θが5°付近でピークが測定された。配位高分子P15の場合も配位高分子P8の場合と同様に、シート構造が再生していることが判る。
Next, FIG. 18A is a graph showing the results of measurement of powder X-ray diffraction performed on the prepared coordination polymer P15 thin film. FIG. 18B is a graph showing the measurement results of single crystal X-ray diffraction performed on the single crystal of the produced coordination polymer P15.
In FIG. 18A, as in FIG. 18B, a peak was measured when the diffraction angle 2θ was around 5 °. It can be seen that the sheet structure is regenerated in the case of the coordination polymer P15 as in the case of the coordination polymer P8.
図19は、作製した配位高分子P15の薄膜(a)と単結晶(b)に対して行ったUV−Vis−NIRスペクトル測定の結果を示すグラフである。
図19(a)と(b)とを比較すると、共に波長約450nmで吸光度が極小をとることが判る。それゆえ、作製した薄膜において配位高分子骨格が再生しているといえる。
FIG. 19 is a graph showing the results of UV-Vis-NIR spectrum measurements performed on the prepared coordination polymer P15 thin film (a) and single crystal (b).
Comparing FIGS. 19A and 19B, it can be seen that the absorbance is minimum at a wavelength of about 450 nm. Therefore, it can be said that the coordination polymer skeleton is regenerated in the produced thin film.
[アニール後の配位高分子薄膜の評価]
次に、図15に示す配位高分子薄膜を基板ごと、100℃に熱したホットプレートに載せて10分間加熱した(アニール)。
[Evaluation of coordination polymer thin film after annealing]
Next, the coordinating polymer thin film shown in FIG. 15 was placed on a hot plate heated to 100 ° C. together with the substrate and heated for 10 minutes (annealing).
図20,21は、作製した配位高分子P8の薄膜に対して、アニール前後に測定した粉末X線回折、UV−Vis−NIRスペクトル測定の結果を示すグラフである。それぞれ、実線はアニール前、点線はアニール後の測定結果を示す。
図20を参照すると、5°付近での回折角2θのピークがアニールにより大幅に増大することが判る。一方、図21を参照すると、スペクトルのプロファイルは大きく変化しないものの、可視光領域から近赤外領域にかけて吸光度が若干だけ増加することが判る
20 and 21 are graphs showing the results of powder X-ray diffraction and UV-Vis-NIR spectrum measurements performed before and after annealing on the prepared coordination polymer P8 thin film. The solid line shows the measurement result before annealing, and the dotted line shows the measurement result after annealing.
Referring to FIG. 20, it can be seen that the peak of diffraction angle 2θ near 5 ° is greatly increased by annealing. On the other hand, referring to FIG. 21, although the spectrum profile does not change greatly, it can be seen that the absorbance slightly increases from the visible light region to the near infrared region.
図20,21に示す測定結果から、アニールにより、配位高分子薄膜の結晶化度が増加していると考えられる。これにより、導電性の向上などが期待される。 From the measurement results shown in FIGS. 20 and 21, it is considered that the crystallinity of the coordination polymer thin film is increased by annealing. Thereby, improvement in conductivity is expected.
図16〜21を用いて、配位高分子P8またはP15の薄膜の評価について説明したが、これらの評価は、他の配位高分子の薄膜についても当てはまる。 Although the evaluation of the thin film of the coordination polymer P8 or P15 has been described with reference to FIGS. 16 to 21, these evaluations also apply to the thin films of other coordination polymers.
以上で説明した方法によれば、配位高分子の単結晶を混合溶媒に溶解させることにより、金属イオンと架橋配位子とが自己組織化に適した比で溶解した溶液を準備でき、これにより配位高分子の薄膜を容易に製造できる。 According to the method described above, a solution in which a metal ion and a bridging ligand are dissolved in a ratio suitable for self-assembly can be prepared by dissolving a single crystal of a coordination polymer in a mixed solvent. Thus, a coordination polymer thin film can be easily produced.
以上の説明では、単核錯体を用いて作製した配位高分子の薄膜の製造方法を例に挙げたが、多核錯体を用いて作製した配位高分子の薄膜の製造にも本発明を適用できることは言うまでもない。 In the above description, the method for producing a coordination polymer thin film produced using a mononuclear complex was taken as an example, but the present invention is also applied to the production of a coordination polymer thin film produced using a polynuclear complex. Needless to say, you can.
以上のように、本発明によれば、配位高分子薄膜を容易に製造することが可能となるから、前述の通り、薄膜太陽電池、有機トランジスタ、強誘電体キャパシタ、強誘電体メモリなどの技術分野において好適に利用される可能性がある。 As described above, according to the present invention, a coordination polymer thin film can be easily manufactured. As described above, such as a thin film solar cell, an organic transistor, a ferroelectric capacitor, and a ferroelectric memory. It may be suitably used in the technical field.
1 基板(基材)
2,5 電極
3,4 配位高分子薄膜
10 薄膜太陽電池
1 Substrate (base material)
2,5 electrode 3,4 coordination polymer thin film 10 thin film solar cell
Claims (8)
該金属イオンの少なくとも1種類に配位可能な極性溶媒を含む溶媒中に該金属イオンと架橋配位子とが存在する溶液を準備する工程と、
準備した溶液を基材の上に塗布して溶媒を蒸発させ、金属イオンと架橋配位子との自己組織化を誘起する工程とを含み、
溶液を準備する工程では、金属イオンと架橋配位子とが、これらの自己組織化に適した比で存在する溶液を準備することを特徴とする方法。 A method for producing a coordination polymer thin film comprising repeating units of one or more metal ions and one or more bridging ligands,
Preparing a solution in which the metal ion and a bridging ligand are present in a solvent containing a polar solvent capable of coordinating to at least one of the metal ions;
Applying the prepared solution onto a substrate to evaporate the solvent and inducing self-assembly of metal ions and bridging ligands,
In the step of preparing a solution, the method comprises preparing a solution in which a metal ion and a bridging ligand are present in a ratio suitable for self-assembly.
溶液を準備する工程では、前記極性溶媒を含む溶媒にバルク状態の配位高分子を溶解させて溶液を準備することを特徴とする、請求項1に記載の方法。 Further comprising preparing a bulk coordination polymer;
The method according to claim 1, wherein in the step of preparing the solution, the solution is prepared by dissolving a bulk coordination polymer in a solvent containing the polar solvent.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法を用いて、半導体層としての配位高分子の薄膜を設けることを特徴とする方法。 A method for producing a thin-film solar cell comprising a substrate on which an electrode is formed and a semiconductor layer provided on the electrode side of the substrate,
A method of providing a thin film of coordination polymer as a semiconductor layer using the method according to claim 1.
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