JP6465978B2 - 有機薄膜トランジスタ、有機薄膜トランジスタの製造方法、有機薄膜トランジスタ用材料、有機薄膜トランジスタ用組成物、有機半導体膜、化合物 - Google Patents

有機薄膜トランジスタ、有機薄膜トランジスタの製造方法、有機薄膜トランジスタ用材料、有機薄膜トランジスタ用組成物、有機半導体膜、化合物 Download PDF

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Description

本発明は、有機薄膜トランジスタ、有機薄膜トランジスタの製造方法、有機薄膜トランジスタ用材料、有機薄膜トランジスタ用組成物、有機半導体膜、化合物に関する。
軽量化、低コスト化、柔軟化が可能であることから、液晶ディスプレイおよび有機EL(Electric Luminescence)ディスプレイに用いられるFET(電界効果トランジスタ)、RFID(radio frequency identifier:RFタグ)ならびにメモリなどの論理回路を用いる装置等に、有機半導体膜(有機半導体層)を有する有機薄膜トランジスタ(有機TFT)が利用されている。
このような有機半導体膜を形成するための組成物として、特許文献1には、チオン酸化されたN官能化縮合環(芳香族)イミドを主体とする有機半導体性化合物が開示されている。
特表2013−515785号公報
近年、有機薄膜トランジスタの性能向上の観点から、有機薄膜トランジスタの移動度のより一層の向上と、大気安定性に優れることが求められる。ここで、大気安定性とは、有機薄膜トランジスタを室温(23℃程度)の大気下で一定期間放置した際のキャリア移動度のことをいう。
このようななか、本発明者らが上記特許文献1に開示された化合物のうち、ナフタレンジイミド骨格を有する化合物(有機半導体材料)について検討を重ねたところ、その種類によっては、これを有機薄膜トランジスタの有機半導体膜に用いた際のキャリア移動度や大気安定性が不十分な場合があり、昨今要求されるレベルを満たしていなかった。
そこで、本発明は、キャリア移動度および大気安定性に優れた有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
また、本発明は、新規な化合物、ならびに、これを含有する有機薄膜トランジスタ用材料、有機薄膜トランジスタ用組成物および有機半導体膜を提供することも目的とする。
また、本発明は、上記有機薄膜トランジスタ用組成物を用いた有機薄膜トランジスタの製造方法を提供することも目的とする。
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、後述する一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を用いることで所望の効果が得られることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明者は、以下の構成により上記課題が解決できることを見出した。
[1]
後述する一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有する有機半導体膜を有する、有機薄膜トランジスタ。
[2]
後述する一般式(1)中、Ch11が硫黄原子またはセレン原子であり、
後述する一般式(2)中、Ch21が硫黄原子またはセレン原子である、上記[1]に記載の有機薄膜トランジスタ。
[3]
後述する一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14がいずれも酸素原子であり、
後述する一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24がいずれも酸素原子である、上記[1]または[2]に記載の有機薄膜トランジスタ。
[4]
後述する一般式(1)中、A11およびA12がそれぞれ独立に、−N(R)−を表し、
後述する一般式(2)中、A21およびA22がそれぞれ独立に、−N(R)−を表す、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタ。
[5]
が、炭素数1〜20個の直鎖、分岐または環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基または炭素数3〜20個のヘテロアリール基である、上記[4]に記載の有機薄膜トランジスタ。
[6]
が、炭素数4〜6個の環状のアルキル基である、上記[5]に記載の有機薄膜トランジスタ。
[7]
後述する一般式(1)中、B11およびB12の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子であり、
後述する一般式(2)中、B21およびB22の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子である、上記[1]〜[6]のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタ。
[8]
後述する一般式(2)中、R21およびR22がそれぞれ独立に、水素原子、メチル基、ハロゲン原子またはシアノ基である、上記[1]〜[7]のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタ。
[9]
後述する一般式(1)または一般式(2)で表される化合物。
[10]
後述する一般式(1)中、Ch11が硫黄原子またはセレン原子であり、
後述する一般式(2)中、Ch21が硫黄原子またはセレン原子である、上記[9]に記載の化合物。
[11]
後述する一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14がいずれも酸素原子であり、
後述する一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24がいずれも酸素原子である、上記[9]または[10]に記載の化合物。
[12]
後述する一般式(1)中、A11およびA12がそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−を表し、
後述する一般式(2)中、A21およびA22がそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−を表す、上記[9]〜[11]のいずれか1つに記載の化合物。
[13]
後述する一般式(1)中、A11およびA12がそれぞれ独立に、−N(R)−を表し、
後述する一般式(2)中、A21およびA22がそれぞれ独立に、−N(R)−を表す、上記[9]〜[12]のいずれか1つに記載の化合物。
[14]
が、炭素数1〜20個の直鎖、分岐または環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基または炭素数3〜20個のヘテロアリール基である、上記[12]または[13]に記載の化合物。
[15]
が、炭素数4〜6個の環状のアルキル基である、上記[14]に記載の化合物。
[16]
後述する一般式(1)中、B11およびB12の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子であり、
後述する一般式(2)中、B21およびB22の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子である、上記[9]〜[15]のいずれか1つに記載の化合物。
[17]
後述する一般式(2)中、R21およびR22がそれぞれ独立に、水素原子、メチル基、ハロゲン原子またはシアノ基である、上記[9]〜[16]のいずれか1つに記載の化合物。
[18]
上記[9]〜[17]のいずれか1つに記載の化合物を含有する、有機薄膜トランジスタ用材料。
[19]
上記[9]〜[17]のいずれか1つに記載の化合物を含有する、有機薄膜トランジスタ用組成物。
[20]
さらに、バインダーポリマーを含有する、上記[19]に記載の有機薄膜トランジスタ用組成物。
[21]
上記[9]〜[17]のいずれか1つに記載の化合物を含有する、有機半導体膜。
[22]
上記[19]または[20]に記載の有機薄膜トランジスタ用組成物を基板上に塗布して、乾燥させることにより有機半導体膜を形成する工程を含む、有機薄膜トランジスタの製造方法。
以下に示すように、本発明によれば、キャリア移動度および大気安定性に優れた有機薄膜トランジスタを提供することができる。
また、本発明によれば、新規な化合物、ならびに、これを含有する有機薄膜トランジスタ用材料、有機薄膜トランジスタ用組成物および有機半導体膜を提供することができる。
また、本発明によれば、上記の有機薄膜トランジスタ用組成物を用いた有機薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタの断面模式図。 本発明の一実施形態に係るトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタの断面模式図。 実施例および比較例の有機半導体膜の製造方法を示す模式図。 実施例および比較例の有機半導体膜の製造方法を示す模式図。 実施例および比較例の有機半導体膜の製造方法を示す模式図。 実施例および比較例の有機半導体膜の製造方法を示す模式図。
以下に、本発明について詳細に説明する。
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書の基(原子団)の表記において、置換および無置換を記していない表記は、置換基を有さないものと共に置換基を有するものをも包含するものである。例えば、「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含するものである。
また、本明細書において好ましい態様同士の組み合わせは、より好ましい態様である。
[有機薄膜トランジスタ]
本発明の有機薄膜トランジスタは、後述する一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有する有機半導体膜を有する。
発明者等は鋭意検討の結果、後述する一般式(1)および一般式(2)で表される化合物を用いることで、キャリア移動度および大気安定性に優れた有機薄膜トランジスタが得られることを見出した。この理由の詳細は明らかになっていないが、以下の理由によるものと推測される。
すなわち、一般式(1)および一般式(2)で表される化合物は、キノイド構造を有するため、通常のナフタレン類よりもLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)が低くなりやすい。さらに、一般式(1)および一般式(2)で表される化合物は、ナフタレンジイミド骨格の一部を、イソベンゾチオフェン(2−ベンゾチオフェン)などで置き換えた構造を有することで、置換前の構造をもつ化合物と比べて、LUMOが低くなる。
その結果、このような構造に起因する機能が相乗的に作用することで、LUMOが一層低くなり、キャリア移動度および大気安定性に優れた有機薄膜トランジスタが得られるものと推測される。
<一般式(1)で表される化合物>
一般式(1)で表される化合物は、新規な化合物であり、有機薄膜トランジスタの有機半導体膜に好適に使用されることはもちろんのこと、後述する他の用途にも用いることができる。
上記一般式(1)中、A11およびA12はそれぞれ独立に、−N(R)−、−P(R)−または−O−を表す。これらの中でも、キャリア移動度がより向上するという観点から、A11およびA12はそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−であることが好ましく、−N(R)−であることがより好ましい。
は、水素原子または置換基を表す。複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
11およびA12は、キャリア移動度がより向上するという観点から、同一の基であることが好ましい。
本明細書において、置換基としては、例えば、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、複素環基(ヘテロアリール基を含む。)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む。)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルスルホニルアミノ基、アリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルスルフィニル基、アリールスルフィニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールアゾ基、ヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(−B(OH)2)、ホスファト基(−OPO(OH)2)、スルファト基(−OSO3H)、上記一般式(1)で表される構造に由来する基、および、後述する一般式(2)で表される構造に由来する基、その他の公知の置換基が挙げられる。また、置換基がさらに置換基により置換されていてもよい。
ここで、本明細書における「アルキル基」には、特に断りの無い限り、直鎖、分岐および環状のいずれも含むものとする。なお、環状のアルキル基としては、例えば、シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、および、トリシクロアルキル基などが挙げられる。
なかでも、Rは、水素原子、シリル基、複素環基、アリール基、アルキニル基、または、直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基であることが好ましい。なお、水素原子を除く各基は、さらに置換基により置換されていてもよい。
これらの中でも、Rは、キャリア移動度がより向上するという観点から、炭素数1〜20個の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基、または、炭素数3〜20個のヘテロアリール基であることが好ましく、炭素数1〜20の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基であることがより好ましい。なお、各基は、さらに置換基により置換されていてもよい。
さらに、Rは、キャリア移動度がより一層向上するという観点から、炭素数3〜8個(好ましくは炭素数4〜7個、より好ましくは炭素数5〜6個)の環状のアルキル基(シクロアルキル基)であることがさらに好ましく、シクロヘキシル基であることが特に好ましい。
一般式(1)中、B11およびB12はそれぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。
11およびB12は、大気安定性がより向上するという観点から、両方が−C(R)=であること、または、一方が−N=であって他方が−C(R)=であることが好ましく、両方が−C(R)=であることがより好ましい。
11およびB12がいずれも−C(R)=である場合には、B11に含まれるRとB12に含まれるRが環を形成していてもよい。環を形成する場合には、芳香族複素環または芳香族炭化水素環であることが好ましく、ベンゼン環であることがより好ましい。なお、B11に含まれるRとB12に含まれるRが環を形成する場合には、この環は、上述した置換基を有していてもよく、置換基同士が結合してさらに環を形成していてもよい。
は、水素原子または置換基を表す。なお、一般式(1)中、Rが複数存在する場合には、複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。Rにおける置換基の具体例は、上記Rと同様である。
は、これらの中でも、水素原子、ハロゲン原子、ハロゲン化アルキル基、シアノ基、ニトロ基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、カルボキシ基、複素環基、または、アミノ基であることが好ましく、水素原子、ハロゲン原子、または、シアノ基であることがより好ましく、水素原子、または、シアノ基であることがさらに好ましい。
特に、一般式(1)中、B11およびB12の少なくとも一方が−C(R)=である場合には、少なくとも1つのRが、ハロゲン原子、または、シアノ基であることが好ましく、シアノ基であることがより好ましい。これにより、大気安定性がより向上するためである。
一般式(1)中、Ch11は、硫黄原子、スルフィニル基(−SO−)、スルホニル基(−SO−)、セレン原子、セレニニル基(−SeO−)またはセレノニル基(−SeO−)を表すが、キャリア移動度がより向上するという観点から、硫黄原子またはセレン原子であることが好ましい。
一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14はそれぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を表すが、大気安定性がより向上するという観点から、X11、X12、X13およびX14がいずれも酸素原子であることが好ましい。
一般式(1)で表される化合物は、キャリア移動度がより向上する点、および、大気安定性がより向上するという点から、下記一般式(3)、一般式(4)または一般式(5)で表される化合物であることが好ましく、下記一般式(5)で表される化合物であることがより好ましい。
一般式(3)中、R31およびR32は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20個の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基、または、炭素数3〜20個のヘテロアリール基である。なお、R31およびR32の好ましい態様については、上記一般式(1)におけるRの好ましい態様と同じである。
一般式(3)中、R33は、水素原子、ハロゲン原子またはシアノ基であり、大気安定性がより向上するという観点から、ハロゲン原子であることが好ましい。
一般式(3)中、Ch31は、硫黄原子またはセレン原子である。一般式(3)におけるCh31の好ましい態様は、上記一般式(1)のCh11の好ましい態様と同じである。
一般式(3)中、X11、X12、X13およびX14はそれぞれ、上記一般式(1)のX11、X12、X13およびX14と同義であり、好ましい態様についても同じである。
一般式(4)中、R41およびR42は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20個の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基、または、炭素数3〜20個のヘテロアリール基である。なお、R41およびR42の好ましい態様については、上記一般式(1)におけるRの好ましい態様と同じである。
一般式(4)中、B41、B42、B43およびB44(すなわち、B41〜B44)は、それぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。
41〜B44は、大気安定性がより向上するというという観点から、全てが−C(R)=であること(すなわち、B41〜B44により形成されている環がベンゼン環であること)が好ましい。
一般式(4)中のRの定義は、上記一般式(1)におけるRと同義であり、好ましい態様についても同じである。なお、一般式(4)中、Rが複数存在する場合には、複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
一般式(4)中、B41〜B44の少なくとも一つが−C(R)=である場合には、少なくとも1つのRが、ハロゲン原子であることが好ましい。これにより、大気安定性がより向上するためである。
一般式(4)中、Ch41は、硫黄原子またはセレン原子である。一般式(4)におけるCh41の好ましい態様は、上記一般式(1)のCh11の好ましい態様と同じである。
一般式(4)中、X11、X12、X13およびX14はそれぞれ、上記一般式(1)のX11、X12、X13およびX14と同義であり、好ましい態様についても同じである。
一般式(5)中、R51およびR52は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20個の直鎖、分岐もしくは環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基、または、炭素数3〜20個のヘテロアリール基である。なお、R51およびR52の好ましい態様については、上記一般式(1)におけるRの好ましい態様と同じである。
一般式(5)中、Ch51は、硫黄原子またはセレン原子である。一般式(5)におけるCh51の好ましい態様は、上記一般式(1)のCh11の好ましい態様と同じである。
一般式(5)中、X11、X12、X13およびX14はそれぞれ、上記一般式(1)のX11、X12、X13およびX14と同義であり、好ましい態様についても同じである。
一般式(5)中、R53およびR54は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子またはシアノ基である。R53およびR54の少なくとも一方は、大気安定性がより向上するという観点から、ハロゲン原子であることが好ましい。
上記一般式(1)で表される化合物の具体例を以下に示す。
なお、表中の表記における各原子の右側の数値は、その原子の数を表し、例えば「CH2C3F7」とは、「CH」基を意味する。また、「*」は結合位置を示す。
<一般式(1)で表される化合物の製造方法>
一般式(1)で表される化合物の製造方法は、特に限定されず、公知の方法を参照にして製造でき、具体的には、後述する実施例に準ずる方法により製造できる。
<一般式(2)で表される化合物>
一般式(2)で表される化合物は、新規な化合物であり、有機薄膜トランジスタの有機半導体膜に好適に使用されることはもちろんのこと、後述する他の用途にも用いることができる。
一般式(2)中、A21およびA22はそれぞれ、上記一般式(1)におけるA11およびA12と同義であり、それぞれ独立に、−N(R)−、−P(R)−または−O−を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
また、一般式(2)におけるA21およびA22の好ましい態様についても、上記一般式(1)におけるA11およびA12の好ましい態様と同じである。
一般式(2)中、B21およびB22はそれぞれ、上記一般式(1)におけるB11およびB12と同義であり、それぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。なお、一般式(2)中、Rが複数存在する場合には、複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
また、一般式(2)におけるB21およびB22の好ましい態様についても、上記一般式(1)におけるB11およびB12の好ましい態様と同じである。
21およびB22がいずれも−C(R)=である場合には、B21に含まれるRとB22に含まれるRが環を形成していてもよい。この場合の態様についても、上記一般式(1)と同様である。
一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24はそれぞれ、上記一般式(1)におけるX11、X12、X13およびX14と同義であり、それぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を表す。
また、一般式(2)におけるX21、X22、X23およびX24の好ましい態様についても、上記一般式(1)におけるX11、X12、X13およびX14の好ましい態様と同じである。
一般式(2)中、Ch21は、上記一般式(1)におけるCh11と同義であり、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、セレン原子、セレニニル基またはセレノニル基を表す。
また、一般式(2)におけるCh21の好ましい態様についても、上記一般式(1)におけるCh11の好ましい態様と同じである。
一般式(2)中、R21およびR22は、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。なお、置換基の定義は、上記の通りである。
これらの中でも、R21およびR22は、キャリア移動度がより向上するという観点から、それぞれ独立に、水素原子、シアノ基、ハロゲン原子、シリル基、または、炭素数1〜20個の直鎖、分岐または環状のアルキル基であることが好ましく、水素原子、メチル基、ハロゲン原子またはシアノ基であることがより好ましい。
上記一般式(2)で表される化合物の具体例を以下に示す。
<一般式(2)で表される化合物の製造方法>
一般式(2)で表される化合物の製造方法は、特に限定されず、公知の方法を参照にして製造できる。
<有機薄膜トランジスタの構造、有機薄膜トランジスタの製造方法>
次に、上記一般式(1)および一般式(2)で表される化合物を有機薄膜トランジスタの有機半導体膜に用いた本発明の有機薄膜トランジスタの構造およびその製造方法について説明する。
本発明の有機薄膜トランジスタは、上述した一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含む有機半導体膜(有機半導体層)を有し、さらに、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、を有することができる。
本実施形態に係る有機薄膜トランジスタは、その構造は特に限定されるものでなく、例えばボトムコンタクト型(ボトムコンタクト−ボトムゲート型およびボトムコンタクト−トップゲート型)およびトップコンタクト型(トップコンタクト−ボトムゲート型およびトップコンタクト−トップゲート型)など、いずれの構造であってもよい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの一例について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ100の断面模式図である。
図1の例では、有機薄膜トランジスタ100は、基板(基材)10と、ゲート電極20と、ゲート絶縁膜30と、ソース電極40と、ドレイン電極42と、有機半導体膜(有機半導体層)50と、封止層60と、を有する。ここで、有機半導体膜50は、上述した一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を使用して作製されたものである。
以下、基板(基材)、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体膜(有機半導体層)および封止層ならびにそれぞれの作製方法について詳述する。
(基板)
基板は、後述するゲート電極、ソース電極、および、ドレイン電極などを支持する役割を果たす。
基板の種類は特に制限されず、例えば、プラスチック基板、ガラス基板、および、セラミック基板などが挙げられる。なかでも、各デバイスへの適用性およびコストの観点から、ガラス基板またはプラスチック基板であることが好ましい。
(ゲート電極)
ゲート電極の材料としては、例えば、金(Au)、銀、アルミニウム、銅、クロム、ニッケル、コバルト、チタン、白金、マグネシウム、カルシウム、バリウム、および、ナトリウム等の金属;InO2、SnO2、および、ITO(Indium Tin Oxide)等の導電性の酸化物;ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、および、ポリジアセチレン等の導電性高分子;シリコン、ゲルマニウム、および、ガリウム砒素等の半導体;フラーレン、カーボンナノチューブ、および、グラファイト等の炭素材料;などが挙げられる。なかでも、金属であることが好ましく、銀、または、アルミニウムであることがより好ましい。
ゲート電極の厚みは特に制限されないが、20〜200nmであることが好ましい。
なお、ゲート電極は基板としても機能してもよく、その場合、上記基板はなくてもよい。
ゲート電極を形成する方法は特に制限されないが、例えば、基板上に、電極材料を真空蒸着またはスパッタする方法、および、電極形成用組成物を塗布または印刷する方法などが挙げられる。また、電極をパターニングする場合のパターニング方法としては、例えば、フォトリソグラフィー法;インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、および、凸版印刷(フレキソ印刷)等の印刷法;ならびに、マスク蒸着法などが挙げられる。
(ゲート絶縁膜)
ゲート絶縁膜の材料としては、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルフォン、ポリベンゾキサゾール、ポリシルセスキオキサン、エポキシ樹脂、および、フェノール樹脂等のポリマー;二酸化珪素、酸化アルミニウム、および、酸化チタン等の酸化物;ならびに、窒化珪素等の窒化物などが挙げられる。これらの材料のうち、有機半導体膜との相性から、ポリマーであることが好ましい。
ゲート絶縁膜の膜厚は特に制限されないが、100〜1000nmであることが好ましい。
ゲート絶縁膜を形成する方法は特に制限されないが、例えば、ゲート電極が形成された基板上に、ゲート絶縁膜形成用組成物を塗布する方法、および、ゲート絶縁膜材料を蒸着またはスパッタする方法などが挙げられる。
(ソース電極、ドレイン電極)
ソース電極およびドレイン電極の材料の具体例は、上述したゲート電極と同じである。なかでも、金属であることが好ましく、銀であることがより好ましい。
ソース電極およびドレイン電極を形成する方法は特に制限されないが、例えば、ゲート電極とゲート絶縁膜とが形成された基板上に、電極材料を真空蒸着またはスパッタする方法、および、電極形成用組成物を塗布または印刷する方法などが挙げられる。パターニング方法の具体例は、上述したゲート電極と同じである。
(有機半導体膜)
有機半導体膜の作製方法は、上述した一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含む有機半導体膜を作製できる限り、特に限定されるものではないが、例えば上述した一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含む有機薄膜トランジスタ用組成物(後述)を基板上に塗布して、乾燥させることにより有機半導体膜を作製することができる。
なお、有機薄膜トランジスタ用組成物を基板上に塗布するとは、有機薄膜トランジスタ用組成物を基板に直接付与する態様のみならず、基板上に設けられた別の層を介して基板の上方に有機薄膜トランジスタ用組成物を付与する態様も含むものとする。
有機薄膜トランジスタ用組成物の塗布方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、バーコート法、スピンコート法、ナイフコート法、ドクターブレード法、インクジェット印刷法、フレキソ印刷法、グラビア印刷法、および、スクリーン印刷法が挙げられる。さらに、有機薄膜トランジスタ用組成物の塗布方法としては、特開2013−207085号公報に記載の有機半導体膜の形成方法(いわゆるギャップキャスト法)、および、国際公開第2014/175351号公報に記載の有機半導体薄膜の製造方法(いわゆるエッジキャスト法および連続エッジキャスト法)などが好適に用いられる。
乾燥(乾燥処理)は、有機薄膜トランジスタ用組成物に含まれる各成分の種類により適宜最適な条件が選択され、自然乾燥であってもよいが、生産性を向上させる観点から加熱処理を行うことが好ましい。例えば、加熱温度としては30〜150℃が好ましく、40〜120℃がより好ましく、加熱時間としては10〜300分が好ましく、20〜180分がより好ましい。
作製される有機半導体膜の膜厚は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、10〜500nmが好ましく、30〜200nmがより好ましい。
このように、一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有する有機半導体膜は、有機薄膜トランジスタに好適に使用されるが、この用途に限定されるものではなく、一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有する有機半導体膜は、後述するその他の用途にも適用することができる。
(封止層)
本発明の有機薄膜トランジスタは、耐久性の観点から、最外層に封止層を備えるのが好ましい。封止層には公知の封止剤(封止層形成用組成物)を用いることができる。
封止層の厚みは特に制限されないが、0.2〜10μmであることが好ましい。
(その他の有機薄膜トランジスタ)
図2は、本発明の一実施形態に係るトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタ200を表す断面模式図である。
図2の例では、有機薄膜トランジスタ200は、基板10と、ゲート電極20と、ゲート絶縁膜30と、ソース電極40と、ドレイン電極42と、有機半導体膜(有機半導体層)50と、封止層60と、を有する。ここで、有機半導体膜50は、後述する本発明の有機薄膜トランジスタ用組成物を用いて形成されたものである。
基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体膜および封止層については上述の通りであるので、その説明を省略する。
(有機薄膜トランジスタの用途)
上述した有機薄膜トランジスタは、例えば、電子ペーパーおよびディスプレイデバイスの画像を表示する表示部に適用することができる。電子ペーパーおよびディプレイデバイスは、公知の構造を有することができるので、その説明を省略する。
[有機薄膜トランジスタ用組成物]
本発明の有機薄膜トランジスタ用組成物は、上述した有機薄膜トランジスタの有機半導体膜の作製に使用される。
なお、以下に説明する有機薄膜トランジスタ用組成物は、後述するその他の用途に使用してもよく、この場合には、「有機薄膜トランジスタ用組成物」を単に「有機半導体組成物」という。
有機薄膜トランジスタ用組成物は、上述した一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有するものであるが、通常、その塗布性を向上させる点から有機溶媒をさらに含有する。
有機薄膜トランジスタ用組成物が有機溶媒を含有する場合には、上記一般式(1)または一般式(2)で表される化合物の含有量は、有機薄膜トランジスタ用組成物の全質量に対して、0.01〜20質量%であることが好ましく、0.1〜10質量%であることがより好ましく、0.5〜5質量%であることがさらに好ましい。
<有機溶媒>
有機溶媒としては、特に限定されるものではなく、ヘキサン、オクタン、デカンなどの炭化水素系溶媒、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、デカリン、1−メチルナフタレン、テトラリン、および、アニソールなどの芳香族炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、および、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、テトラクロロメタン、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、および、クロロトルエンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル、および、乳酸エチルなどのエステル系溶媒、メタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、および、エチレングリコールなどのアルコール系溶媒、ブトキシベンゼン、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、および、ジオキサンなどのエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、および、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒、1−メチル−2−ピロリドン、および、1−メチル−2−イミダゾリジノン等のイミド系溶媒、ジメチルスルフォキサイドなどのスルホキシド系溶媒、ならびに、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒などが挙げられる。
これらの中でも、一般式(1)および一般式(2)で表される化合物の溶解性がより優れるという観点から、芳香族炭化水素系溶媒を用いることが好ましい。
上記有機溶媒は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
有機溶媒を含有する場合の含有量は、有機薄膜トランジスタ用組成物の全質量に対して、90〜99.99質量%であることが好ましく、95〜99.99質量%であることがより好ましく、96〜99.95質量%であることがさらに好ましい。
<バインダーポリマー>
有機薄膜トランジスタ用組成物は、さらに、バインダーポリマーを含有してもよい。
バインダーポリマーの種類は特に制限されず、公知のバインダーポリマーを用いることができ、例えば、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、ゴム、および、熱可塑性エラストマー等の高分子化合物が挙げられる。
なかでも、バインダーポリマーとしては、ベンゼン環を有する高分子化合物(ベンゼン環基を有する単量体単位を有する高分子)が好ましい。ベンゼン環を有する単量体単位の含有量は特に制限されないが、全単量体単位中、50モル%以上が好ましく、70モル%以上がより好ましく、90モル%以上がさらに好ましい。上限は特に制限されず、例えば100モル%である。
上記バインダーポリマーの具体例としては、例えば、ポリスチレン、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリビニルシンナメート、ポリ(4−ビニルフェニル)、および、ポリ(4−メチルスチレン)などが挙げられる。
パインダーポリマーの重量平均分子量は、特に制限されないが、1000〜200万が好ましく、3000〜100万がより好ましく、5000〜60万がさらに好ましい。重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により求めることができる。
バインダーポリマーを含有する場合の含有量は、有機薄膜トランジスタ用組成物に含まれる一般式(1)または一般式(2)で表される化合物100質量部に対して、1〜50質量部であることが好ましく、5〜30質量部であることがより好ましい。
<その他の成分>
有機薄膜トランジスタ用組成物は、上記以外のその他の成分を含有してもよい。その他の成分としては、例えば、界面活性剤、および、フェノール性還元剤(いわゆるマイグレーション抑制剤)などが挙げられる。
なお、これらの成分以外にも、従来の有薄膜トランジスタ用組成物(有機半導体組成物)に含まれる成分を含有してもよい。
<調製方法>
有機薄膜トランジスタ用組成物の調製方法は、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、有機溶媒中に所定量の一般式(1)または一般式(2)で表される化合物などを添加して、適宜攪拌処理を施すことにより、本発明の有機薄膜トランジスタ用組成物を得ることができる。
[有機薄膜トランジスタ用材料]
本発明の有機薄膜トランジスタ用材料は、上述した一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有する。有機薄膜トランジスタ用材料とは、有機薄膜トランジスタに使用され、半導体の特性を表す材料のことを指す。
上記一般式(1)および一般式(2)で表される化合物は、半導体としての性質を示す材料であり、電子をキャリアとして伝導するn型(電子輸送型)の有機半導体材料である。
なお、有機薄膜トランジスタ用材料は、後述するその他の用途に使用してもよく、この場合には、「有機薄膜トランジスタ用材料」を単に「有機半導体材料」という。
[一般式(1)および一般式(2)で表される化合物のその他の用途]
上記一般式(1)および一般式(2)で表される化合物は、上記のように優れた性質を有するため、有機薄膜トランジスタ以外のその他の用途にも好適に使用できる。
その他の用途としては、例えば、非発光性有機半導体デバイスが挙げられる。非発光性有機半導体デバイスとは、発光することを目的としないデバイスを意味する。
このような非発光性有機半導体デバイスとしては、上述した有機薄膜トランジスタの他に、有機光電変換素子(光センサ用途の個体撮像素子、および、エネルギー変換用途の太陽電池など)、ガスセンサ、有機整流素子、有機インバータ、および、情報記録素子などが挙げられる。
非発光性有機半導体デバイスは、有機半導体膜をエレクトロニクス要素として機能させることが好ましい。有機半導体膜は、上記一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含む有機半導体膜を含む。
以下、実施例を用いて、本発明の有機薄膜トランジスタについて詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
<実施化合物1〜3>
実施化合物1〜3は、以下の方法にしたがって合成した。
(化合物3:N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)

アルゴン雰囲気下−78℃中、1,3-ジヒドロベンゾ[c]チオフェン‐2‐オキシド(化合物「1」)(5.00g,32.8mmol)のTHF(テトラヒドロフラン)500mL溶液に、リチウムビス(トリメチルシリル)アミドの1.3mol/L THF溶液63.2mLを加えた後、室温に戻し30分間撹拌した。反応溶液の一部水でクエンチし、有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮し、NMR(Nuclear Magnetic Resonance)にてベンゾ[c]チオフェン(化合物「2」)の生成を確認した。この反応溶液はそのまま次の反応に使用した。
反応溶液をアルゴン雰囲気下−78℃に冷却し、N,N,N',N'-テトラメチレンレンジアミン(19.6mL,131mmol)を加えた後、n-ブチルリチウムの1.6mol/L THF溶液(71.8mL,115mmol)を滴下し、30分間撹拌した。撹拌後、ジメチルカルバモイルクロリド(15.0mL,164mmol)を滴下し、さらに30分撹拌した。反応溶液を室温に戻した後、水を加えて反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(CHCl:acetone=10:1)することにより、淡黄色固体として化合物「3」(4.30g,15.6mmol,48% yield for 2 steps)を得た。
なお、化合物1(1,3-ジヒドロベンゾ[c]チオフェン‐2‐オキシド)は、Journal of Materials Chemistry, 2012, vol.22, #44 p.23514-23524の記載を参考にして合成した。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.64-7.58(m, 2 H), 7.21-7.15 (m, 2 H), 3.16 (s, 12 H); 13H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 164.69 136.74, 128.55, 125.65, 121.55, 37.99.
(化合物4:4,7−ジブロモ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
0℃中、化合物「3」(2.40g,8.68mmol)の濃硫酸120mL溶液にジブロモイソシアヌル酸(2.61g,9.11mmol)を加え、30分間撹拌した。その後、反応溶液を氷水500mLに注ぎ、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(hexane:acetone=1:1)することにより、淡黄色固体として化合物「4」(3.13g,7.21mmol,83% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.40 (s, 2 H), 3.06 (s, 6 H), 2.78 (s, 6 H)
(化合物5:4,7−ジシアノ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
化合物「4」(2.00g,4.61mmol)、シアン化亜鉛(II)(1.35g,11.5mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(267mg,0.231mmol)、亜鉛粉末(30mg,0.461mmol)、およびジメチルホルムアミド53.6mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。反応溶液は100℃に加熱し、12時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(hexane:CHCl:methanol=10:10:1)することにより、淡黄色固体として化合物「5」(1.07g,3.45mmol,75% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.40 (s, 2 H), 3.06 (s, 6 H), 2.78 (s, 6 H); 13H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 161.45, 132.28, 131.26, 130.17, 115.20, 109.63, 39.44, 35.62.
(化合物6:チエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
室温において、酢酸(2.72mL)と水(1.16mL)混合溶媒に化合物「5」(340mg,1.04mmol)を加え、さらに濃硫酸0.68mlを滴下した。反応溶液を70℃に加熱し、3時間撹拌した。室温に冷却後、析出物をろ別し、水と酢酸エチルで洗浄し、黄色粉末として化合物「6」(210mg,0.23mmol,74% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 11.84 (s, 2 H), 8.28 (brs, 6 H);
HR-APCI Mass: calcd for M 271.9892, found (m/z) 272.9961 [M+H]+.
(実施化合物1:2,6−ジシクロヘキシルチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「6」(100mg,0.367mmol)、シクロヘキサノール(0.391mL,3.67mmol)、トリフェニルホスフィン(963mg,3.687mmol)、およびTHF10mLを加え、アルゴン雰囲気下、0℃に冷却し、アゾジカルボン酸ジイソプロピル(0.356mL,1.84mmol)を滴下した。そして、反応溶液を室温に戻し、3時間撹拌する。その後、反応溶液に希塩酸10mLを加え、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(hexane:CHCl=1:1)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物1(58mg,0.133mmol,36% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.30 (s, 2 H), 4.97 (tt, J = 12.4 and 3.6 Hz, 2H), 2.49 (qd, J = 12.4 and 3.6 Hz, 4H), 1.90 (br d, J = 13.2 HZ, 4H), 1.72 (br d, J = 12.4 HZ, 6H), 1.50-1.23 (m, 6H); 13H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 163.27, 159.96, 135.89, 130.76, 124.32, 54.70, 29.29, 26.68, 25.44.
(実施化合物2:2,6−ジデシルチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「6」(250mg,0.918mmol)、ノルマルデカノール(1.14mL,9.18mmol)、トリフェニルホスフィン(1.20g,4.59mmol)、およびTHF25mLを加え、アルゴン雰囲気下、0℃に冷却し、アゾジカルボン酸ジイソプロピル(0.533mL,2.75mmol)を滴下した。反応溶液を室温に戻し、1時間撹拌した。その後、反応溶液に希塩酸10mLを加え、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(トルエン)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物2(240mg,0.435mmol,47% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.37 (s, 2 H), 4.14 (t, J = 7.6 Hz, 4H), 1.70 (m, 4H), 1.44-1.20 (m, 28H), 0.87 (t, J = 6.8Hz, 6H); 13H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 162.7, 159.3, 136.0, 131.0, 130.9, 124.1, 41.3, 32.0, 29.6(9), 29.6(6), 29.5, 29.4, 28.4, 27.2, 22.8, 14.3.
(実施化合物3:2,6−ジヘキシルチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「6」(250mg,0.918mmol)、ノルマルヘキサノール(1.14mL,9.18mmol)、トリフェニルホスフィン(1.20g,4.59mmol)、およびTHF25mLを加え、アルゴン雰囲気下、0℃に冷却し、アゾジカルボン酸ジイソプロピル(0.533mL,2.75mmol)を滴下した。そして、反応溶液を室温に戻し、1時間撹拌した。その後、反応溶液に希塩酸10mLを加え、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(トルエン)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物3(230mg,0.522mmol,52% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.37 (s, 2 H), 4.15 (t, J = 7.6 Hz, 4H), 1.70 (m, 4H), 1.49-1.28 (m, 12H), 0.90 (t, J = 6.8Hz, 6H); 13H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 162.7, 159.3, 136.0, 131.0, 130.9, 124.1, 41.3, 31.6, 28.4, 26.8, 22.7, 14.2.
<実施化合物4>
実施化合物4は、以下の方法にしたがって合成した。
(化合物7:ビス(2,4,6−トリクロロフェニル)−1,3−ビス(ジメチルカルバモイル)ベンゾ[c]チオフェン−4,7−ジカルボキシレートの合成)
化合物「5」(2.50g,5.76mmol)、ぎ酸2,4,6−トリクロロフェニル(10.4g,4.61mmol)、酢酸パラジウム(II)(64.7mg,0.288mmol)、4,5−ビス(ジフェニルホスフィノ)−9,9−ジメチルキサンテン(333mg,0.576mmol)、およびトルエン30mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。アルゴン雰囲気下、反応溶液にトリエチルアミン(6.39mL,4.61mmol)を加え、100℃に加熱し、12時間撹拌した。そして、室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(ethylacetate:CHCl=1:1)することにより、淡黄色固体として化合物「7」(2.73g,3.77mmol,66% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.39 (s, 2 H), 7.45 (s, 4 H), 3.07 (s, 6 H), 2.98 (s, 6H);
(化合物8:N3,7−ビス(2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチル)−N2,N2−ジメチル−6,8−ジオキソ−7,8−ジヒドロ−6H−チエノ[2,3,4−de]イソキノリン−2,3−ジカルボキシアミドの合成)
室温において、化合物「7」(500mg,0.691mmol)の1,4−dioxane(8.25mL)懸濁液に、1H,1H−ヘプタフルオロブチルアミン(0.923mL,6.91mmol)、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン(8.4mg,0.0691mmol)、およびトリエチルアミンを加えた。反応溶液を100℃に加熱し、24時間撹拌した。そして、室温に冷却後、反応溶液を希塩酸10mLに加える。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(hexane:ethylacetate=1:1)することにより、黄色粉末として化合物「8」(100mg,0.147mmol,21% yield)を得た。また、副反応物として化合物「9」(100mg,0.190mmol,27% yield)と化合物「10」(20mg,0.036mmol,5% yield)を得た。
8: 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.09 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 7.49 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.97 (brs, 1H), 4.94 (t, J = 15.6 Hz, 2H), 4.16 (td, J = 14.6, 6.4 Hz, 2H), 3.16 (s, 3 H), 3.10 (s, 3 H); 19F-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: -80.37, -80.41, -80.48, -80.51;
Byproduct 9: 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.64 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 8.40 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 4.96 (t, J = 15.6 Hz, 2H), 3.16 (brs, 3 H), 3.12 (s, 3 H), 3.01 (brs, 3 H), 2.93 (s, 3 H);
Byproduct 10: 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.31 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 8.28 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 4.96 (t, J = 15.6 Hz, 2H), 3.56 (q, J = 7.2 Hz, 2 H), 3.29 (q, J = 7.2 Hz, 2 H), 3.16 (s, 3 H), 3.04 (s, 3 H), 1.32 (t, J = 7.2 Hz, 3H), 1.16 (t, J = 7.2 Hz, 3H);19F-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: -80.34, -80.37;
(実施化合物4:2,6−ビス(2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチル)チエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「8」(100mg,0.147mmol)、1,4−ジオキサン(2mL)、および濃硫酸0.2mLを加え、アルゴン雰囲気下、100℃に加熱し、24時間撹拌した。そして、反応溶液に水を加えた。その後、有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(ヘキサン/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物4(40mg,0.0629mmol,43 % yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.50 (s, 2H), 4.98 (t, J = 15.4 Hz, 2H); 19F-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: -80.33, -80.36;
<実施化合物5>
実施化合物5は、以下の方法にしたがって合成した。
(化合物12:4,7−ジブロモ−5−クロロ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
化合物「5」(800mg,1.84mmol)の濃硫酸48mL溶液にトリクロロイソシアヌル酸(428mg,1.84mmol)を加え、70℃に加熱し、2時間撹拌した。そして、反応溶液を氷水300mLに注ぎ、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(hexane:acetone=1:1)することにより、イソシアヌル酸の残渣を除く。得られた化合物「12」と副生成物を含む混合物を次の反応に使用する。
(化合物13:5−クロロ−4,7−ジシアノ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
化合物「12」を含む反応混合物(780mg)、シアン化銅(I)(372mg,4.15mmol)、および1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン5.7mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。その後、シュレンク管を150℃に加熱し、3時間撹拌した。そして、室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(hexane:acetone=1:1)することにより、黄色固体として化合物「13」(330mg,0.915mmol,50% yield in 2 steps)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.68 (s, 2 H), 3.24 (s, 6 H), 3.00 (s, 6 H);
(化合物14:8−クロロチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
室温において、酢酸(2.4mL)と水(1.0mL)の混合溶媒に化合物「13」(330mg,0.915mmol)を加え、さらに濃硫酸0.6mLを滴下した。そして、反応溶液を100℃に加熱し、3時間撹拌した。室温に冷却後、析出物をろ別し、水と酢酸エチルで洗浄し、黄色粉末として化合物「14」(153mg,0.50mmol,55% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 12.1 (s, 1 H), 12.0 (s, 1 H), 8.21 (s, 1 H);
(実施化合物5:8−クロロ−2,6−ジシクロヘキシルチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「14」(150mg,0.489mmol)、シクロヘキサノール(0.523mL,4.90mmol)、トリフェニルホスフィン(1.29g,4.90mmol)、およびTHF15mLを加え、アルゴン雰囲気下、0℃に冷却し、アゾジカルボン酸ジイソプロピル(0.573mL,2.95mmol)を滴下した。そして、反応溶液を室温に戻し、3時間撹拌した。その後、反応溶液に希塩酸10mLを加え、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(hexane:CHCl=1:1)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物5(2.97×10−5mol,6% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.30 (s, 1H), 4.97 (m, 2H), 2.49 (m, 4H), 1.90 (br d, J = 13.6 HZ, 4H), 1.72 (br d, J = 11.2 HZ, 6H), 1.51-1.22 (m, 6H);
(化合物15:4,5,7−トリブロモ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
室温中、化合物「3」(7.30g,26.4mmol)の濃硫酸288mL溶液にジブロモイソシアヌル酸(12.1g,42.3mmol)を加え、30分間撹拌した。その後、反応溶液を氷水500mLに注ぎ、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(酢酸エチル)することにより、淡黄色固体として化合物「15」を含む反応混合物を得た。この反応混合物を次の反応にそのまま使用した。
(化合物16:5−ブロモ−4,7−ジシアノ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]チオフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
化合物「15」を含む反応混合物(11.3g)、シアン化銅(I)(4.28g,47.8mmol)、およびジメチルホルムアミド45mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。反応溶液は120℃に加熱し、3時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(酢酸エチル)することにより、淡黄色固体として化合物「16」(2.60g、6.42mmol、 24% yield in 2steps)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.78 (s, 2 H), 3.22 (s, 6 H), 2.98 (s, 6 H);
(化合物17:8−ブロモチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
室温において、酢酸(10.3mL)と水(4.38mL)の混合溶媒に化合物「16」(1.6g,3.95mmol)を加え、さらに濃硫酸2.6mlを滴下した。反応溶液を100℃に加熱し、4時間撹拌した。室温に冷却後、析出物をろ別し、水と酢酸エチルで洗浄し、黄色粉末として化合物「17」(1.25g,3.56mmol,90% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 12.0(1) (s, 1 H), 11.9(5) (s, 1 H), 8.24 (s, 1 H);
(実施化合物6:8−ブロモ−2,6−ジシクロヘキシルチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「17」(350mg,0.997mmol)、シクロヘキサノール(2.12mL,19.9mmol)、フェノキシジフェニルホスフィン(2.15ml,9.97mmol)、およびトルエン270mLを加え、アルゴン雰囲気下、0℃に冷却し、アゾジカルボン酸ジエチル(1.57mL,9.97mmol)を滴下した。そして、反応溶液を室温に戻し、3時間撹拌した。その後、反応溶液に希塩酸10mLを加え、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(トルエン)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物6(270mg、0.619mmol,62% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.37 (s, 1H), 4.96 (m, 2H), 2.48 (m, 4H), 1.89 (br d, J = 13.6 HZ, 4H), 1.71 (br d, J = 11.2 HZ, 6H), 1.52-1.19 (m, 6H);
(実施化合物7:2,6−ジシクロヘキシル−1,3,5,7−テトラオキソ−1,2,3,5,6,7−ヘキサヒドロチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−8−カルボニトリルの合成)
実施化合物6(175mg,0.340mmol)、シアン化銅(I)(43.1mg,0.481mmol)、およびジメチルホルムアミド3.5mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。反応溶液は100℃に加熱し、3時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(クロロホルム)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物7(30mg、0.065mmol,19% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.04 (s, 1H), 4.93 (m, 2H), 2.49 (m, 4H), 1.85 (br d, J = 13.6 HZ, 4H), 1.69 (br d, J = 11.2 HZ, 6H), 1.52-1.20 (m, 6H);
(化合物18:ベンゾ[c]チオフェン−1,3,4,7−テトラカルボン酸の合成)
室温において、化合物「7」(3.52g,4.87mmol)の1,4−ジオキサン溶液(49ml)に25w/v%水酸化ナトリウム水溶液(49ml)を滴下した。反応溶液を100℃に加熱し、2日間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を濃塩酸で中和し、析出物をろ別、水とアセトンで洗浄し、白色個体として化合物「18」(1.00g,3.22mmol,66% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.81 (s, 2 H);
(化合物19:2,6−ジオキサ−4−チアシクロペンタ[def]フェナントレン−1,3,5,7−テトラオンの合成)
室温において、化合物「18」(1.00g,3.22mmol)を無水酢酸(100ml)に加え、120℃に加熱し、1時間撹拌した。室温に冷却後、減圧濃縮にて溶媒を留除した。濃縮残さを酢酸エチルに分散させ、分散させた固体をろ別、酢酸エチルで洗浄し、黄緑色個体として化合物「19」(800mg,2.92mmol,90% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 7.81 (s, 2 H);
(実施化合物8:2,6−ジフェニルチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン‐1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物19(100mg,0.365mmol)、アニリン(74.7mg,0.802mmol)、および酢酸3mLを入れ、アルゴンガス置換を行った。反応溶液は110℃に加熱し、6時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(トルエン)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物8(39mg、0.092mmol,25% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.28 (s, 2 H), 7.45-7.18 (m, 10H)
(実施化合物9:2,6−ジシクロヘキシル−3,7−ジチオオキソ−2,3,6,7テトラヒドロチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,5−ジオン、および実施化合物10:2,6−ジシクロヘキシル−1,7−ジチオオキソ−1,2,6,7テトラヒドロチエノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−3,5−ジオンの合成)
実施化合物1(200mg,0.458mmol)、ローソン試薬(741mg,1.83mmol)、およびトルエン40mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。反応溶液は110℃に加熱し、6時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層をクロロホルム、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(クロロホルム)、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、赤色粉末の実施化合物9(33mg、0.070mmol,15% yield)と実施化合物10(38mg、0.081mmol,18% yield)を得た。
実施化合物9 1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.13 (d, J=7.5Hz, 1 H), 7.62 (d, J=7.5Hz, 1 H), 4.87 (tt, J = 12.5 and 3.5 Hz, 2H), 2.52 (qd, J = 12.5 and 3.5 Hz, 4H), 1.91 (br d, J = 13.5 HZ, 4H), 1.72 (br d, J = 12.5 HZ, 6H), 1.52-1.21 (m, 6H);
実施化合物10 δ: 7.58 (s, 2 H), 4.96 (tt, J = 12.4 and 3.5 Hz, 2H), 2.49 (qd, J = 12.4 and 3.5 Hz, 4H), 1.90 (br d, J = 13.2 HZ, 4H), 1.725 (br d, J = 12.4 HZ, 6H), 1.54-1.23 (m, 6H);
(化合物21:ベンゾ[c]セレノフェン−1,3−ジカルボニトリルの合成)
アルゴン雰囲気下−78℃中、ジイソプロピルアミン(22.97g, 227mmolのTHF250mL溶液に、n‐ブチルリチウム1.6mol/L ヘプタン溶液(87.3mL, 227mmol)を滴下し、15分間撹拌してリチウムジイソプロピルアミド溶液を調整する。この溶液に2,2’−(1,2−フェニレン)ジアセトニトリル(「化合物20」)(11.8g,75.5mmol)のTHF(250ml)を滴下し15分間撹拌し、さらにセレニニルジクロリド(25g,151mmol)を滴下、溶液一部水でクエンチし、有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮し、NMR(Nuclear Magnetic Resonance)にてベンゾ[c]チオフェン(化合物「2」)の生成を確認した。この反応溶液はそのまま次の反応に使用した。
反応溶液をアルゴン雰囲気下−78℃に冷却し、N,N,N',N'−テトラメチレンレンジアミン(19.6mL,131mmol)を加えた後、n−ブチルリチウムの1.6mol/L THF溶液(71.8mL,115mmol)を滴下し、30分間撹拌した。撹拌後、ジメチルカルバモイルクロリド(15.0mL,164mmol)を滴下し、反応溶液を室温に戻した後、10時間撹拌した。反応溶液に水を加えて反応を停止し、機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(CHCl:acetone=4:1)することにより、淡黄色固体として化合物「21」(2.28g,9.87mmol,13%yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.78 (m, 2 H), 7.53 (m, 2 H)
(化合物22:ベンゾ[c]セレノフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
室温において、酢酸(20mL)に化合物「21」(1.9g,8.22mmol)を加え、さらに濃硫酸5mlを滴下した。反応溶液を90℃に加熱し、1時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を冷水200mlに滴下、2mol/L水酸化ナトリウム水溶液で中和し、析出物をろ別、水で洗浄し、黄色分粉として化合物「22」(1.40g,5.24mmol,64% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO- d6, 400 MHz) δ: 8.20 (m, 2H), 7.84 (brs, 4H), 7.22 (m, 2H)
(化合物23:N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]セレノフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
0℃において、反応容器に、化合物「22」(1.25g,4.67mmol)、水酸化ナトリウム(1.13g,28.3mmol)、およびジメチルホルムアミド(20ml)を加え、0℃に冷却する。反応溶液にヨウ化メチル(1.75ml,54.1mmol)を滴下し、1時間撹拌する。反応溶液を水に加えた後、有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮し、黄色固体としての化合物「23」(1.1g、3.40mmol,72% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.38 (m, 2 H), 7.05 (m, 2 H), 3.13 (s, 12H)
(化合物24:4,7−ジブロモ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]セレノフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
0℃中、化合物「23」(1.07g,3.30mmol)の濃硫酸39mL溶液にジブロモイソシアヌル酸(1.15g,4.00mmol)を加え、30分間撹拌した。その後、反応溶液を氷水300mLに注ぎ、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製(ヘキサン:アセトン=1:1)することにより、黄色固体として化合物「24」(433g、0.90mmol,26% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.12 (s, 2 H), 3.16 (s, 6 H), 2.86 (s, 6H)
(化合物25:4,7−ジシアノ−N,N,N,N−テトラメチルベンゾ[c]セレノフェン−1,3−ジカルボキシアミドの合成)
実施化合物24(410mg,0.852mmol)、シアン化銅(I)(191mg,2.13mmol)、およびジメチルホルムアミド1.68mLをシュレンク管に入れ、脱気、アルゴンガス置換を行った。反応溶液は120℃に加熱し、12時間撹拌した。室温に冷却後、反応溶液を水に加えた。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン:酢酸エチル=1:1)で精製することにより、黄色固体の化合物「25」(123mg、0.329mmol,39% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 7.53 (s, 2 H), 3.23 (s, 6 H), 2.99 (s, 6H)
(化合物26:セレノフェノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
室温において、酢酸(0.86mL)と水(0.37mL)の混合溶媒に化合物「25」(123mg,0.33mmol)を加え、さらに濃硫酸0.22mlを滴下した。反応溶液を100℃に加熱し、3時間撹拌した。室温に冷却後、析出物をろ別し、水と酢酸エチルで洗浄し、黄色粉末として化合物「26」(70mg,0.219mmol,66% yield)を得た。
1H-NMR (DMSO- d6, 400 MHz) δ: 12.00 (s, 2 H), 8.30 (s, 2 H)
(実施化合物11:2,6−ジシクロヘキシルセレノフェノ[2,3,4,5−lmn][3,8]フェナントロリン−1,3,5,7(2H,6H)−テトラオンの合成)
反応容器に化合物「26」(50mg,0.157mmol)、シクロヘキサノール(0.167mL,1.57mmol)、トリフェニルホスフィン(411mg,1.57mmol)、およびTHF4.3mLを加え、アルゴン雰囲気下、0℃に冷却し、アゾジカルボン酸ジイソプロピル(0.213mL,1.10mmol)を滴下した。そして、反応溶液を室温に戻し、3時間撹拌する。その後、反応溶液に希塩酸10mLを加え、反応を停止した。有機層を酢酸エチル、食塩水で抽出、洗浄し、減圧にて濃縮した。濃縮残さをメタノールに分散し、析出物をろ別、メタノールで洗浄した。得られた固体をゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)、再結晶(methanol/CHCl)で精製することにより、黄色粉末の実施化合物11(16mg,0.033mmol,21% yield)を得た。
1H-NMR (CDCl3 400 MHz) δ: 8.28 (s, 2 H), 4.96 (tt, J = 12.0 and 3.7 Hz, 2H), 2.49 (qd, J = 12.6 and 3.3 Hz, 4H), 1.90 (br d, J = 13.2 Hz, 4H), 1.72 (br d, J = 12.0 HZ, 6H), 1.50-1.23 (m, 6H);
<実施例1−1〜1−11、比較例1−1〜1−3>
上記の実施化合物1〜11、比較化合物1〜3のいずれかをアニソールを溶媒として0.1質量%溶液を調製し、50℃に加熱したものを、実施例および比較例の各有機薄膜トランジスタ用組成物とした。
なお、比較化合物1および3は、国際公開第2011/82234号を参考にして合成した。また、比較化合物2については、Journal of the American Chemical Society, 2013, vol.135, #31 p.11445-11448を参考にして合成した。
(有機半導体膜の形成)
実施例および比較例では、図3、図4A、図4Bおよび図5(すなわち、図3〜図5)に記載の方法により有機半導体薄膜の形成を実施した。図3〜図5は、実施例および比較例の有機半導体膜の製造方法を示す模式図である。有機半導体膜の形成方法の詳細を以下に示す。
n型シリコン基板(0.4mm厚さ)の表面に、SiOの熱酸化膜200nmを形成した10mm×10mm基板を基板212として使用した。基板212の熱酸化膜の表面は、UV(紫外線)−オゾン洗浄した後、β−フェニチルトリメトキシシラン処理を行った。
基板212のβ−フェニチルトリメトキシシラン処理面の上に、図3に示すように基板212の中央部に、基板212と部材214を接触させた状態となるように置いた。部材214はガラス製で、縦7mm×横2mm×高さ3mmのものを用い、図3の左右方向(X軸方向)が部材214の横方向であり、図3の上下方向(Z軸方向)が部材214の高さ方向であり、図4Bの上下方向(Y軸方向)が部材214の縦方向である。
基板212を95℃に加熱し、ここに上記の方法で調製した各有機薄膜トランジスタ用組成物(図3〜図5の有機薄膜トランジスタ用組成物210)の1滴(約0.05mL)を、ピペット216を用いて、図3に示すとおり基板212と部材214の両方に接するように部材214の側部からたらしたところ、図4Aおよび図4Bに示すとおり基板212の表面内の一部に有機薄膜トランジスタ用組成物210が滴下された。部材214との界面においては凹状のメニスカスを形成していた。
図5に示すとおり、基板212と部材214を接触させた状態を維持しながら、また、基板212と部材214との位置関係を静止させた状態で、滴下した有機薄膜トランジスタ用組成物を自然乾燥させた。その後90℃で8時間、10−3MPaの圧力下で減圧乾燥させることで上記の各実施化合物および比較化合物いずれかの結晶を析出させて、有機半導体膜を形成した。結晶が析出したか否かは、偏光顕微鏡による観察によって確認した。なお、得られた有機半導体膜の膜厚は、40nmであった。
得られた有機半導体膜にマスクをつけて金電極40nmを蒸着することによりキャリア移動度および大気安定性の測定用の実施例および比較例の有機薄膜トランジスタを得た。
(評価試験)
(a)キャリア移動度
各有機薄膜トランジスタ(有機TFT素子)のソース電極−ドレイン電極間に−80Vの電圧を印加し、ゲート電圧を20V〜−100Vの範囲で変化させ、ドレイン電流Idを表す式Id=(w/2L)μCi(Vg−Vth2(式中、Lはゲート長、wはゲート幅、Ciは絶縁層の単位面積当たりの容量、Vgはゲート電圧、Vthは閾値電圧)を用いてキャリア移動度μを算出し、10-1cm2/Vs以上をA、10-3cm2/Vs以上10-1cm2/Vs未満をB、10-3cm2/Vs未満をC、素子として駆動しなかった(電流が観測されなかった)ものをDと評価した。キャリア移動度の評価結果を第1表に示す。
(b)大気安定性
大気安定性の評価試験は、次のようにして行った。まず、各有機薄膜トランジスタを作製後、1週間、常圧・大気下にて放置した。放置後の各有機薄膜トランジスタについて、上記「(a)キャリア移動度」と同様の方法でキャリア移動度の測定を行い、上記「(a)キャリア移動度」と同様の評価基準にて評価を行った。大気安定性の評価結果を第1表に示す。
(評価結果)
上記第1表の評価結果より、上記一般式(1)で表される化合物(実施化合物1〜11)を用いて作製された有機薄膜トランジスタは、キャリア移動度および大気安定性に優れていることがわかった。
また、実施例1−1と実施例1−2との対比により、一般式(1)の「A11」および「A12」の少なくとも一方の置換基が環状のアルキル基であることで、有機薄膜トランジスタのキャリア移動度がより優れたものになることが示された。
また、実施例1−1と、実施例1−5、1−6および1−7と、の対比により、一般式(1)の「B11」および「B12」の少なくとも一方の置換基がハロゲン原子またはシアノ基であることで、有機薄膜トランジスタの大気安定性がより優れたものになることが示された。
一方、比較例1−1および1−3の有機薄膜トランジスタは、イソベンゾチオフェン(2−ベンゾチオフェン)構造を有していない比較化合物1を用いて作製されたため、実施例の有機薄膜トランジスタと比較して、キャリア移動度および大気安定性が低下することが示された。
また、比較例1−2の有機薄膜トランジスタは、1−ベンゾチオフェン構造を有しているが、イソベンゾチオフェン(2−ベンゾチオフェン)構造を有していないため、実施例の有機薄膜トランジスタと比較して、大気安定性が低下することが示された。
<実施例2−1〜2−11、比較例2−1〜2−3>
実施例2−1〜2−11、比較例2−1〜2−3では、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。詳細を下記に示す。
実施化合物1の0.1質量%アニソール溶液を100℃に加熱したものを、窒素雰囲気下、90℃に加熱した基板上にキャストすることで非発光性の有機薄膜トランジスタを得た。基板としては、ソースおよびドレイン電極としてくし型に配置されたクロム/金(ゲート幅W=100mm、ゲート長L=100μm)、絶縁膜としてSiO2(膜厚200nm)を備えたボトムゲート・ボトムコンタクト構造のシリコン基板)を用いた。得られた有機薄膜トランジスタを実施例2−1の有機薄膜トランジスタとした。
実施化合物1の代わりに、実施化合物2〜11および比較化合物1〜3のいずれかを用いた以外は、実施例2−1の有機薄膜トランジスタと同様にして、実施例2−2〜2−11および比較例2−1〜2−3の有機薄膜トランジスタを作製した。
実施例2−1〜2−11、比較例2−1〜2−3の各有機薄膜トランジスタについて、上述した実施例1−1と同様の方法で、キャリア移動度および大気安定性について評価した。その結果を下記第2表に示す。
(評価結果)
ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した場合であっても、実施例2−1〜2−11および比較例2−1〜2−3の評価結果から、上述した実施例1−1〜1−11および比較例1−1〜1−3と同様の傾向にあることが示された。
<実施例3−1〜3−11、比較例3−1〜3−3>
実施例で実施化合物1の代わりに、実施化合物1とポリ(α−メチルスチレン)とを質量比1:1で含有した材料(材料1’)を用いた以外は、実施例2−1と同様にボトムゲート・ボトムコンタクト型素子を作製した。得られた素子を、実施例3−1の有機薄膜トランジスタとした。
また、実施化合物1の代わりに、実施化合物2〜11、比較化合物1〜3のいずれかを用いた以外は、実施例3−1と同様にして、実施例3−2〜3−11および比較例3−1〜3−3の有機薄膜トランジスタを作製した。
実施例3−1〜3−11、比較例3−1〜3−3の各有機薄膜トランジスタについて、上述した実施例1−1と同様の方法で、キャリア移動度および大気安定性について評価した。その結果を下記第3表に示す。
(評価結果)
実施例3−1〜3−11および比較例3−1〜3−3のボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタは、実施化合物および比較化合物のそれぞれにバインダーポリマーを加えた各有機薄膜トランジスタ用組成物を用いて作製されたものである。
実施例3−1〜3−11の有機薄膜トランジスタは、いずれも、比較例3−1〜3−3の有機薄膜トランジスタと比べて、キャリア移動度および大気安定性に優れていることが示された。
一方、比較例3−1〜3−3の有機薄膜トランジスタは、イソベンゾチオフェン(2−ベンゾチオフェン)構造を有していないため、実施例3−1〜3−11の有機薄膜トランジスタと比較して、キャリア移動度および大気安定性が低下することが示された。
10 基板、20 ゲート電極、30 ゲート絶縁膜、40 ソース電極、42 ドレイン電極、50 有機半導体層(有機半導体膜)、60 封止層、100,200 有機薄膜トランジスタ、210 有機薄膜トランジスタ用組成物、212 基板、214 部材、216 ピペット

Claims (22)

  1. 一般式(1)または一般式(2)で表される化合物を含有する有機半導体膜を有する、有機薄膜トランジスタ。

    前記一般式(1)中、A11およびA12はそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
    前記一般式(1)中、B11およびB12はそれぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。B11およびB12がいずれも−C(R)=である場合には、B11に含まれるRとB12に含まれるRが環を形成していてもよい。
    前記一般式(1)中、Ch11は、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、セレン原子、セレニニル基またはセレノニル基を表す。
    前記一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14はそれぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を表す。

    前記一般式(2)中、A21およびA22はそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
    前記一般式(2)中、B21およびB22はそれぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。B21およびB22がいずれも−C(R)=である場合には、B21に含まれるRとB22に含まれるRが環を形成していてもよい。
    前記一般式(2)中、Ch21は、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、セレン原子、セレニニル基またはセレノニル基を表す。
    前記一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24はそれぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を表す。
    前記一般式(2)中、R21およびR22はそれぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
  2. 前記一般式(1)中、Ch11が硫黄原子またはセレン原子であり、
    前記一般式(2)中、Ch21が硫黄原子またはセレン原子である、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
  3. 前記一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14がいずれも酸素原子であり、
    前記一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24がいずれも酸素原子である、請求項1または2に記載の有機薄膜トランジスタ。
  4. 前記一般式(1)中、A11およびA12がそれぞれ独立に、−N(R)−を表し、
    前記一般式(2)中、A21およびA22がそれぞれ独立に、−N(R)−を表す、請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  5. が、炭素数1〜20個の直鎖、分岐または環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基または炭素数3〜20個のヘテロアリール基である、請求項4に記載の有機薄膜トランジスタ。
  6. が、炭素数4〜6個の環状のアルキル基である、請求項5に記載の有機薄膜トランジスタ。
  7. 一般式(1)中、B11およびB12の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子であり、
    一般式(2)中、B21およびB22の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  8. 一般式(2)中、R21およびR22がそれぞれ独立に、水素原子、メチル基、ハロゲン原子またはシアノ基である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  9. 一般式(1)または一般式(2)で表される化合物。

    前記一般式(1)中、A11およびA12はそれぞれ独立に、−N(R)−、−P(R)−または−O−を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
    前記一般式(1)中、B11およびB12はそれぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。B11およびB12がいずれも−C(R)=である場合には、B11に含まれるRとB12に含まれるRが環を形成していてもよい。
    前記一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14はそれぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を表す。
    前記一般式(1)中、Ch11は、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、セレン原子、セレニニル基またはセレノニル基を表す。

    前記一般式(2)中、A21およびA22はそれぞれ独立に、−N(R)−、−P(R)−または−O−を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。複数のRはそれぞれ、同一でも異なっていてもよい。
    前記一般式(2)中、B21およびB22はそれぞれ独立に、−N=または−C(R)=を表す。Rは、水素原子または置換基を表す。B21およびB22がいずれも−C(R)=である場合には、B21に含まれるRとB22に含まれるRが環を形成していてもよい。
    前記一般式(2)中、Ch21は、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、セレン原子、セレニニル基またはセレノニル基を表す。
    前記一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24はそれぞれ独立に、酸素原子または硫黄原子を表す。
    前記一般式(2)中、R21およびR22はそれぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
  10. 前記一般式(1)中、Ch11が硫黄原子またはセレン原子であり、
    前記一般式(2)中、Ch21が硫黄原子またはセレン原子である、請求項9に記載の化合物。
  11. 前記一般式(1)中、X11、X12、X13およびX14がいずれも酸素原子であり、
    前記一般式(2)中、X21、X22、X23およびX24がいずれも酸素原子である、請求項9または10に記載の化合物。
  12. 前記一般式(1)中、A11およびA12がそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−を表し、
    前記一般式(2)中、A21およびA22がそれぞれ独立に、−N(R)−または−P(R)−を表す、請求項9〜11のいずれか1項に記載の化合物。
  13. 前記一般式(1)中、A11およびA12がそれぞれ独立に、−N(R)−を表し、
    前記一般式(2)中、A21およびA22がそれぞれ独立に、−N(R)−を表す、請求項9〜12のいずれか1項に記載の化合物。
  14. が、炭素数1〜20個の直鎖、分岐または環状のアルキル基、炭素数6〜20個のアリール基または炭素数3〜20個のヘテロアリール基である、請求項12または13に記載の化合物。
  15. が、炭素数4〜6個の環状のアルキル基である、請求項14に記載の化合物。
  16. 一般式(1)中、B11およびB12の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子であり、
    一般式(2)中、B21およびB22の少なくとも一方が−C(R)=である場合に、少なくとも1つのRがハロゲン原子である、請求項9〜15のいずれか1項に記載の化合物。
  17. 一般式(2)中、R21およびR22がそれぞれ独立に、水素原子、メチル基、ハロゲン原子またはシアノ基である、請求項9〜16のいずれか1項に記載の化合物。
  18. 請求項9〜17のいずれか1項に記載の化合物を含有する、有機薄膜トランジスタ用材料。
  19. 請求項9〜17のいずれか1項に記載の化合物を含有する、有機薄膜トランジスタ用組成物。
  20. さらに、バインダーポリマーを含有する、請求項19に記載の有機薄膜トランジスタ用組成物。
  21. 請求項9〜17のいずれか1項に記載の化合物を含有する、有機半導体膜。
  22. 請求項19または20に記載の有機薄膜トランジスタ用組成物を基板上に塗布して、乾燥させることにより有機半導体膜を形成する工程を含む、有機薄膜トランジスタの製造方法。
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