Imidazolderivate und deren Verwendung als Dotand zur Dotierung eines organischen halbleitenden
Matrixmaterials
Die vorliegende Erfindung betrifft Imidazolderivate und deren Verwendung als Dotand zur Dotierung eines organischen halbleitenden Matrixmaterials, als Ladungsinjektionsschicht, als Matrixma- terial selbst, als Elektrodenmaterial oder als Speichermaterial in elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen.
Es ist bekannt, organische Halbleiter durch Dotierung hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, insbesondere ihrer elektrischen Leitfähigkeit, zu verändern, wie dies auch bei anorganischen Halbleitern wie Siliciumhalbleitern der Fall ist. Hierbei wird durch Erzeugung von Ladungsträgern im Matrixmaterial eine Erhöhung der zunächst recht niedrigen Leitfähigkeit sowie je nach Art des verwendeten Dotanden eine Veränderung im Fermi-Niveau des Halbleiters erreicht. Eine Dotierung führt hierbei zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit von Ladungstransportschichten, wodurch ohmsche Verluste verringert werden, und zu einem verbesserten Übergang der Ladungsträger zwischen Kontakten und organischer Schicht, wenn sich diese organische Schicht zwischen zwei elektrischen Kontakten entgegengesetzter Polarität befindet. Anorganische Dotanden, wie z.B. Lewis-Säuren als Elektronenakzeptoren (z.B. FeCl31 SbCIs), sind bei organischen Matrixmaterialien aufgrund ihrer hohen Diffusionskoeffizienten meist nachteilig, da durch sie die Funktion und Stabilität der elektronischen Bauelemente beeinträchtigt wird (D. Oeter, Ch. Ziegler, W. Göpel Synthetic Metals 1993, 61, 147-50; Y. Yamamoto, S. Kanda, S. Kusabayashi, T. Nogaito, K. Ito, H. Mikawa, Bull Chem. Soc. Jap. 1965, 38, 2015-17; J. Kido et al. Jpn J. Appl. Phys. 2002, 41, 358-60). Überdies weisen letztere Dotanden einen so hohen Dampfdruck auf, dass ein technischer Einsatz in bekannten Pro- zessierungsanlagen für organisch-elektronische Bauteile sehr fraglich ist. Außerdem sind die Reduktionspotentiale dieser Verbindungen oft zu niedrig, um technisch wirklich interessante Matrixmaterialien zu dotieren. Zusätzlich erschwert das äußerst aggressive chemische Reaktionsverhalten dieser Dotanden eine technische Anwendung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere sollen Imidazolderivate bereitgestellt werden, die zu verbesserten organischen halbleitenden Matrixmaterialien, Ladungsinjektionsschichten, Elektrodenmaterialien, Matrixmaterialien selbst oder Speichermaterialien, insbesondere bei Verwendung in elektronischen oder
optoelektronischen Bauelementen, führen. Dabei sollen die verwendeten Imidazolderivate ausreichend hohe Reduktionspotentiale aufweisen, ohne störende Einflüsse auf das Matrixmaterial sein und eine wirksame Erhöhung der Ladungsträgeranzahl im Matrixmaterial bereitstellen und vergleichsweise einfach handhabbar sein, im Sinne ihrer Verwendung in der Prozessierung elektroni- scher Bauteile.
Weitere Aufgaben der Erfindung liegen in der Bereitstellung von organischen halbleitenden Materialien und von elektronischen Bauelementen oder optoelektronischen Bauelementen, in denen die offenbarten Verbindungen verwendet werden können.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch Imidazolderivate nach Anspruch 1. Weitere Aufgaben werden gelöst durch die Verwendung von Imidazolderivaten nach Anspruch 3, organisches halbleitendes Material nach Anspruch 6 sowie elektronisches oder optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass bei erfindungsgemäßer Verwendung der offenbarten Imidazolderivaten ein wesentlich stärkerer und/oder stabilerer p-Dotand als bei bisher bekannten Donorverbindungen vorliegt.
Insbesondere wird die Leitfähigkeit von Ladungstransportschichten bei erfindungsgemäßer Verwendung wesentlich erhöht und/oder der Übergang der Ladungsträger zwischen den Kontakten und organischer Schicht bei Anwendungen als elektronisches Bauelement wesentlich verbessert. Ohne durch diese Vorstellung eingeschränkt zu sein, wird davon ausgegangen, dass bei erfϊndungsgemä- ßer Verwendung der Imidazolderivate in einer dotierten Schicht CT-Komplexe gebildet werden, insbesondere durch den Transfer von mindestens einem Elektron vom jeweiligen umgebenden Matrixmaterial an den Dotanden. Hierbei werden Kationen des Matrixmaterials gebildet, die auf dem Matrixmaterial beweglich sind. Auf diese Weise gewinnt das Matrixmaterial eine Leitfähigkeit, die gegenüber der Leitfähigkeit des undotierten Matrixmaterials erhöht ist. Leitfähigkeiten von undo- tierten Matrixmaterialien sind in der Regel < 10"8 S/cm, insbesondere häufig < 10"10 S/cm. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Matrixmaterialien eine genügend hohe Reinheit aufweisen. Solche Reinheiten sind mit herkömmlichen Methoden, zum Beispiel Gradientensublimation, zu erreichen. Durch Dotierung lässt sich die Leitfähigkeit solcher Matrixmaterialien auf größer 10~8 S/cm, häufig > 10'5 S/cm erhöhen. Dies gilt insbesondere für Matrixmaterialien, die ein Oxidationspotential von
größer als -0.5 V vs. Fc/Fc+, bevorzugt größer 0 V vs. Fc/Fc+, insbesondere größer +0.2 V vs. Fc/Fc+ aufweisen. Die Angabe FcZFc+ bezieht sich auf das Redoxpaar Ferrocen/ Ferrocenium, das als Referenz in einer elektrochemischen Potentialbestimmung, zum Beispiel der Cyclovoltam- metrie, eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß wurde ferner festgestellt, dass die beschriebenen Imidazolderivate auch als Injektionsschicht in elektronischen Bauteilen, vorzugsweise zwischen einer Elektrode und einer Halbleiterschicht, die auch dotiert sein kann, oder auch als Blockerschicht, vorzugsweise zwischen Emitter- und Transportschicht in elektronischen Bauelementen eingesetzt werden können. Die in dieser Erfindung beschriebenen Dotanden weisen eine überraschend hohe Stabilität in Bezug auf ihre Re- aktivität mit der Atmosphäre auf.
Die als Dotanden eingesetzten Imidazolderivate können neben der gezeichneten chinoiden Form auch ausgeprägten biradikalischen Charakter oder zwitterionischen Charakter in ihrer stabilsten Struktur aufweisen (A. Kikuchi, H. Ito, J. Abe, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 19448-19453; A. Kiku- chi, F. Iwahori, J. Abe, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 6526-6527; T. Suzuki, et al., Tetrahedron Lett. 2003, 44, 7881-7884; K. Okada et al., Chem. Leu. 1998, 891-892; M. Kozaki, A. Isoyama, K. Okada, Tetrahedron Lett. 2006, 47, 5375-5378; S. Yoshiko et al., Nippon Kagaku Kaishi, 1972, /, 100-3). Derivate der hier beschriebenen Imidazolderivate wurden bereits verwendet als Fluoreszenzfarbstoffe (R. Beckert et al., DE 10261662), als Photosensitizer in der photodynamischen Therapie (B. Bilbao et al., WO 2003104237), des weiteren als Precursoren für die chemische Vakuum- deposition von Materialien für organische elektronische Bauteile (D. Bruce, WO 2000053613) und für elektrophotographische Anwendungen als Materialien in photoleitfähigen Schichten (F. Katsu- nori, JP 63172274).
Die beschriebenen elektronenakzeptierenden Imidazolderivate können auch als Löcherinjektionsschicht eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine Schichtstruktur Anode/ Akzeptor / Löcher- transporter hergestellt werden. Dabei kann der Löchertransporter eine reine Schicht oder eine Mischschicht sein. Insbesondere kann der Löchertransporter ebenfalls mit einem Akzeptor dotiert sein. Die Anode kann beispielsweise ITO sein. Die Akzeptorschicht kann beispielsweise 0.5-100nm dick sein.
Darstellung von asymmetrischen Chinoiden Imidazolderivaten
Zur Darstellung eines Imidazolderivats der Struktur (4) kann beispielsweise gemäß der unten dargestellten chemischen Gleichung Verbindung 1 mit Dithioacetal 2 kondensiert werden, um 2- Hydroimidazoylilidene des Typs 3 zu ergeben, siehe Il Farmaco 56 (2001), 277-283. Die Reaktion wird in Ethanol unter Rückfluss durchgeführt. Verbindung 2 ist kommerziell erhältlich.
Verbindung 3 kann dann aufgrund der elektronenarmen Natur der (CN)2C-Gruppe anschließend deprotoniert werden, und wird in Gegenwart eines Oxidationsmittels zum p-Dotanden (starke Akzeptoren) des Typs 4 umgewandelt.
Darstellung von symmetrischen chinoiden Bisimidazolderivaten
Die beschriebenen Imidazolderivate lassen sich nach bekannten Verfahren synthetisieren. Die Darstellung geht von der Bereitstellung benzoider Bisimidazole aus, die in ihre Anionen überfuhrt werden und durch geeignete Oxidationsmittel in die chinoiden Bisimidazole überführt werden, nach folgendem allgemeinen Schema:
R R 1 Deprotonierung oder Dealkyherung
R = H, Alkyl
R = H, Alkyl
Hierbei kann die Oxidation auch ohne vorherige Deprotonierung direkt aus der Form der benzoiden Bisimidazole erfolgen oder aus einer Vorstufe mit Substitution der N-Atome (R = beliebiger verzweigter oder unverzeigter Alkylrest oder substituierter Alkylrest). Beispiele für die Darstellung der dafür erforderlichen Ausgangstoffe, der Aryl-verbrückten benzoiden Bisimidazole (X = Aryl oder Heteroaryl), sind ausführlich in der Literatur beschrieben und basieren z.B. auf der Kondensation von Diketonen mit Aryl- oder Heteroarylcarbodialdehyden (M. Weiss, J. Am. Chem Soc. 1952, 74, 5193-5195; U. Mayer, H. Baumgärtel, H. Zimmermann, Tetrahedron Lett. 1966, 42, 5221-5223; P. Schneiders, J. Heinze, H. Baumgärtel, Chem. Ber. 1973, 106, 2415-2417; M. Kozaki, A. Isoyama, K. Akita, K. Okada, Org. Lett 2005, 7, 115-118; L.-N. Ji, X.-Y. Li et al., J. Chem Soc, Dalton Trans 2001, 1920-1926; F. C. Krebs et al., Tetrahedron Lett. 2001, 42, 6753-6757). Auch unsymmetrische Derivate Aryl-verbrückter benzoider Bisimidazole sind so zugänglich (M. Kimura et al., ITE Letters on Batteries, New Technologies and Medicine 2002, 3, 30-34). Eine andere Art der Darstellung von Bisimidazolen ist die Kondensation von Diaminen mit Carbodialdehyden unter an- schließender oxidativer Cyclisierung des gebildeten Diimins (R. Leyden et al., J. Org.Chem. 1983, 48, 727-731; P. Gogoi, D. Konwar, Tetrahedron Lett. 2006, 47, 79-82). Auch können Bisimidazole durch Kondensation von Diaminen mit Oxalsäurederivaten oder mit entsprechenden Dicarbonsäu- ren dargestellt werden (E. S. Lane, J. Chem Soc 1953, 2238-2240; H. Suschitzky, J. Heterocyclic Chem. 1999, 36, 1001-1012; J. Hill, J. Org. Chem. 1963, 28, 1931-2; P. C. Vyas, C. Oza, A. K. Goyal, Chem. lndustry 1980, 287-288) oder durch Kondensation von Diketonen mit Glyoxal (F. Japp, E. Cleminshaw, J. Chem. Soc. Trans 1887, 51, 552-557) oder durch Umsetzung von Pheny- lendiaminen mit Hexachloraceton (M. C. Rezende, E. L. Dall'Oglio, C. Zucco, Syn. Comm. 2001, 31, 607-613; M. Rezende, E. Dall'Oglio C. Zucco, Tetrahedron Lett. 1996, 37, 5265-5268; ). Synthesen von Bisimidazolen können auch erfolgen durch katalytische Dimerisierung von Imidazolen oder Benzimidazolen oder deren N-alkylierten Derivaten (T. Sekine et al., Chem. Pharm Bull 1989, 37, 1987-1989) oder durch metallorganische, in der Regel Kupfer- vermittelte Verknüpfung von 2-metallierten Imidazolen oder Benzimidazolen (S. B. Park, H. Alper, Organic Lett. 2003, J,
3209-3212; F. Bonati, A. Burini, B. R. Pietroni, J. Organomet. Chem. 1989, 375, 147-160) oder durch Ringverknüpfung zwischen einem Imidazol und einem 2-Diazoimidazol (P. G. Rasmussen et al., ./. Am. Chem. Soc 1982, 104, 6155-6156).
Die direkte Oxidation benzoider Bisimidazole zu den eigentlichen Dotanden, den chinoiden Bisimi- dazolen, durch gängige Oxidationsmittel wie Mangandioxid oder Blei(IV)acetat ist bekannt (U. Mayer, H. Baumgärtel, H. Zimmermann, Tetrahedron Lett. 1966, 42, 5221-5223; H. Suschitzky, J. Heterocyclic Chem. 1999, 36, 1001-1012; J. Hill, J. Org. Chem. 1963, 28, 1931-1932) und kann darüber hinaus erfolgen direkt aus den benzoiden Bisimidazolen in einem 2-Phasengemisch der organischen Lösung des benzoiden Precursors mit dem Oxidationsmittel, z.B. Kaliumferricyanid, in einer basischen wässrigen Lösung (M. Kozaki, A. Isoyama, K. Akita, K. Okada, Org. Lett. 2005, 7, 115-118; K. Okada et al., Chem. Lett. 1998, 891-892; Cherkashin M. I. et al. hv. Akad. Nauk SSSR, Seriya Khim. 1982, 2, 376-377) oder durch Oxidation des Silbersalzes oder des Natriumsalzes des benzoiden Bisimidazoles mit Brom in organischen Lösungsmitteln (U. Mayer, H. Baumgärtel, H. Zimmermann, Angew. Chem. 1966, 78, 303; S. Dedik et al. Khimiya Get. Soed 1989, 10, 1421).
Auch können die als Dotand verwendeten chinoiden Bisimidazole durch photochemische Anregung geeigneter Vorstufen, beispielsweise unter UV Bestrahlung, erzeugt werden (Y. Sakaino, J. Org. Chem 1979, 44, 1241-1244). Diese Vorstufen sind in der Regel Alkoxyaddukte der chinoiden Bisimidazole, welche wiederum durch den Zusatz von Alkoholen in der basenkatalysierten Oxidation der benzoiden Bisimidazole zu chinoiden Bisimidazolen zugänglich sind.
Y Oxidation in basisch
T HH T alkoholischer Lösung
R = H, Alkyl
Ausführungsbeispiele zur Synthese chinoider symmetrischer Bisimidazole
Beispiel 1
,H Hv H H rTN x / N^n Brom Br\--N N^yBτ 1. AgNO, / EtOH BrN-sN N^Br
Q ™-O N ~ΪZΓ~ Br X N*Λ NX Br 2. Brom / CH2CI2 Br X NMN NX Br
B
Das Tetrabrombisimidazol B wurde durch Bromierung von käuflichem Bisimidazol A in Abwand- lung einer bekannten Vorschrift (K. Lehmstaedt, H. Rolker, Ber. Dt. Chem. Ges. B 1943, 879-891) dargestellt: 520 mg (3,88 mmol) Bisimidazol und 2,13 g (15,7 mmol) Natriumacetat-Trihydrat werden in 10 mL Eisessig vorgelegt, eine Lösung von 2,48 g (15,5 mmol) Brom in 10 mL Eisessig zu- getropft. Nach beendeter Zugabe wird für 2 h auf 100°C erhitzt. Der Ansatz wird zur Trockene eingeengt und mit verdünnter Salzsäure ausgekocht, heiß abgesaugt, mit verdünnter HCl und Wasser gewaschen und getrocknet. Ausbeute 1,11 g B (64% d.Th.). HPLC-Untersuchung des Produkts ergab eine Reinheit von 90%, DI-MS (EI) m/z = 450, das Isotopenmuster korrespondiert mit 4 Brom- substituenten.
Die Darstellung des chinoiden Dotanden C erfolgte in Abwandlung einer bekannten Vorschrift (S. Dedik et al. Khimiya Gel. Soed. 1989, 10, 1421) durch Erhitzen von 565 mg (1,26 mmol) Tetra- bromdiimidazol B mit 428 mg (2,52 mmol) Silbernitrat in 40 ml absolutem EtOH für 1 h unter Rückfluss und Absaugen des gebildeten Produkts. Dieses Produkt wurde in 20 mL absolutem Dich- lormethan suspendiert, auf 00C gekühlt und mit 12,8 mL 0,1 M Brom in Dichlormefhan versetzt. Der Ansatz wurde 15 min unter Kühlung und 30 min bei Raumtemperatur gerührt, von den Salzen abgesaugt, mit Dichlormethan gewaschen und die vereinten Filtrate eingeengt. Rohausbeute 418 mg (74% d.Th.). DI-MS (EI): m/z = 448. Vor seiner Testung als Dotand wurde das Rohprodukt bei 160-1700C und ca. 10"4 mbar einer Gradientensublimation unterzogen. Das sublimierte Produkt ergab in einer cyclovoltammetrischen Untersuchung ein erstes Reduktionspotential von -0.24 V gegenüber Fc/Fc+.
Beispiel 2
20 g (95 mmol) Benzil D wurden in 150 mL Ethanol gegeben und zum Sieden erhitzt. Die Lösung wurde 10 Minuten unter Rückfluss gekocht und anschließend mittels Eisbad auf 12 0C gekühlt. Zu der entstandenen Suspension wurden nun abwechselnd, tropfenweise jeweils eine Lösung von 6,6 g (95 mmol) Hydroxylamin Hydrochlorid in 15 mL destilliertem Wasser und 10 g (250 mmol) Natriumhydroxid in 15 mL destilliertem Wasser zugegeben, wobei die Innentemperatur unter 15 0C gehalten wurde. Nach etwa 1,5 Stunden war die Zugabe vollständig. Die Reaktionsmischung wurde über Nacht stehen gelassen. Es wurde mit destilliertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 600 mL verdünnt und nicht umgesetztes Benzil über einen Faltenfilter abfiltriert. Nach Ansäuern des Filtrats mit halbkonzentrierter Salzsäure wurde die trübe Lösung kurz stehen gelassen. Die entstandenen fleischfarbenen Kristalle wurden abfiltriert, mit Wasser gewaschen und im Vakuum bei 500C getrocknet. Nach Umkristallisieren aus Toluol wurden 15,4 g farblose Kristalle von E erhalten. Ausbeute: 72 %
Schmelzpunkt: 139°C - 1H-NMR (250 MHz, DMSOd6): 12,47 (IH, s, OH); 7,93 - 7,40 (1OH, m, Phenyl-H) - 13C-NMR (250 MHz, DMSO-d6): 192,5 (C=O); 154,6 (C=NOH); 137,4; 135,1 ; 134,8; 133,4; 132,0; 130,7; 130,5; 129,8; 129,7; 129,5; 128,7; 128,4.
8,2 g (36,4 mmol) Benzilmonooxim E wurden bei Raumtemperatur in Ethanol (60 mL) gelöst. Dazu wurden 42 g Zinn(II)-chlorid in 80 mL konzentrierter Salzsäure gegeben. Die trübe Lösung wurde eine Stunde gerührt und anschließend filtriert. Das Filtrat wurde über Nacht im Kühlschrank bei 5 0C gelagert. Die abgeschiedenen Kristalle wurden filtriert, mit wenig kaltem Ethanol gewaschen und im Vakuum getrocknet. Erhalten wurden 9,4 g farblose Kristalle. Diese wurden in der gerade nötigen Menge destilliertem Wasser gelöst (~ 350 mL) und mit Natronlauge auf pH 12 gebracht. Der ausgefallene leicht gelbe Feststoff wurde durch eine G4-Fritte filtriert und diese 4 x mit Diethy- lether und anschließend 2 x mit Dioxan durchspült bis sich aus dem Filterkuchen kein weiterer Feststoff mehr löste. Die basische wässrige Lösung wurde zwei Mal mit je 200 mL Diethylether extrahiert. Nach Vereinigung aller Ether-Phasen wurden diese mit 200 mL Wasser gewaschen und mit Natriumsulfat getrocknet. Das Desylamin wurde aus der Lösung mit trockenem Chlorwasserstoff als Hydrochlorid ausgefällt. Der entstandene farblose Feststoff F wurde filtriert und im Vakuum bei 50 0C getrocknet. Erhalten wurden 3,58 g. Ausbeute: 40 %
1HNMR (250 MHz, DMSOd6): 9,08 (3H, s, NH3+); 8,05 (2H, dd, Phenyl-H); 7,64 - 7,34 (8H, m, Phenyl-H); 6,37 (IH, s, CH) - 13C-NMR (250 MHz, DMSOd6): 193,8 (C=O); 134,8; 133,6; 133,1; 130,0, 129,8; 129,7; 129,5; 129,4; 129,4; 129,3; 58,4 (CHNH3+).
Unter Argonatmosphäre wurden 1,5 g (6,1 mmol) Desylamin Hydrochlorid F und 0,26 mL (3,0 mmol) Oxalylchlorid in 20 mL trockenem Toluol vorgelegt und auf 500C Badtemperatur erwärmt. Es wurden 4 mL Pyridin innerhalb von 2 h zugetropft, anschließend wurde 2 h unter Rückfluss er- hitzt. Das Lösungsmittel
wurde im Rotationsverdampfer abgetrennt und der entstandene braune Feststoff mehrfach mit Wasser gewaschen. Nach Trocknung des Rohproduktes im Exsikkator über Phosphorpentoxid wurde der Feststoff mit Ethanol ausgekocht. Nach Heißfiltration und Trocknung im Vakuum bei 40 °C wurden 1,1 g hellbrauner Feststoff G erhalten. Ausbeute: 77 %
450 mg (0,95 mmol) N,N'-Bis-(D-phenylphenylacyl)-oxamid G und 12 g trockenes Ammoniuma- cetat wurden in 90 mL Eisessig gegeben und erhitzt (140 °C Badtemperatur). Nach kurzer Zeit entstand eine klare Lösung, die für weitere 4 h unter Rückfluss gehalten wurde. Nach Erkalten der Reaktionsmischung wurde diese unter Eiskühlung mit halbkonzentriertem Ammoniak neutralisiert.
Die erhaltenen Kristalle wurden abfiltriert und aus Ethanol umkristallisiert. Erhalten wurden 390 mg farbloser, watteartiger Feststoff H. Ausbeute: 94 %
Schmelzpunkt: 332 0C - 1H-NMR (250 MHz, CDCl3): 7,42 - 7,26 (m, Phenyl-H) - 13C-NMR (250 MHz, CDCl3): 137,1 ; 133,5; 131,0; 128,4 - 127,8
Eine Lösung von 85 mg (0.2 mmol) H in 4 ml CHCl3 wurde mit einer Lösung von 150 mg (0.45 mmol) K3[Fe(CN)6] in 4 ml IN KOH aq. versetzt und diese 2-Phasen-Mischung einige Stunden intensiv gerührt. Bereits nach wenigen Sek. färbte sich die CHC13-Phase kirschrot, während sich die wässrige Phase langsam aufhellte. Nach beendeter Reaktion wurde die CHC13-Schicht separiert, über Na2SO4 getrocknet und total eingeengt. Der verbliebene tiefrote kristalline Rückstand J wurde in einer geeigneten Mischung aus z.B. CHCl3 + Hexan suspendiert und abgesaugt.
Durchführung der Dotierung
Als p-dotierbare Matrixmaterialien können unter anderem Phthalocyaninkomplexe, beispielsweise des Zn (ZnPc), Cu (CuPc), Ni (NiPc) oder anderer Metalle, wobei der Phthalocyaninligand auch substituiert sein kann, eingesetzt werden. Auch andere Metallkomplexe von Naphthocyaninen und Porphyrinen können gegebenenfalls eingesetzt werden. Weiterhin können als Matrixmaterial auch arylierte oder heteroarylierte Amine bzw. Benzidinderivate eingesetzt werden, die substituiert oder unsubstituiert sein können, beispielsweise TPD, α-NPD, TDATA, insbesondere auch Spiro- verknüpfte Arylamine wie z.B. Spiro-TTB. Insbesondere können α-NPD und Spiro-TTB als Matrixmaterial eingesetzt werden.
Als Matrixmaterial können neben polyaromatischen Kohlenwasserstoffen auch Heteroaromaten wie insbesondere Imidazolderivate, Thiophen, Thiazolderivate, Heterotriphenylene aber auch andere eingesetzt werden, gegebenenfalls auch dimere, oligomere bzw. polymere Heteroaromaten. Die Heteroaromaten sind vorzugsweise substituiert, insbesondere Aryl-substituiert, beispielsweise Phe- nyl- oder Naphthyl-substituiert. Sie können auch als Spiroverbindungen vorliegen.
Es versteht sich, dass die genannten Matrixmaterialien auch untereinander oder mit anderen Materialien gemischt im Rahmen der Erfindung einsetzbar sind. Es versteht sich, dass auch geeignete andere organische Matrixmaterialien verwendet werden können, die halbleitende Eigenschaften aufweisen.
Dotierungskonzentration
Vorzugsweise liegt der Dotand in einer Dotierungskonzentration von < 1 : 1 zu dem Matrixmolekül bzw. der monomeren Einheit eines polymeren Matrixmoleküls vor, vorzugsweise in einer Dotierungskonzentration von 1 :2 oder kleiner, besonders bevorzugt von 1 :5 oder kleiner oder 1 :10 oder kleiner. Die Dotierungskonzentration kann sich in dem Bereich von 1 : 1 bis 1 : 100.000, insbesondere in dem Bereich von 1 :5 bis 10.000 oder 1 : 10 bis 1.000 betragen, beispielsweise in dem Bereich von 1 :10 bis 1 :100 oder 1 :25 bis 1 :50, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Durchführung der Dotierung
Die Dotierung des jeweiligen Matrixmaterials mit den erfindungsgemäß zu verwendenden Verbindungen kann durch eines oder eine Kombination der folgenden Verfahren erfolgen:
- Mischverdampfung im Vakuum mit einer Quelle für das Matrixmaterial und einer für den Dotan- den.
- Sequentielles Deponieren des Matrixmaterials und des p-Dotanden auf einem Substrat mit anschließender Eindiffusion des Dotanden, insbesondere durch thermische Behandlung.
- Dotierung einer Matrixschicht durch eine Lösung von p-Dotanden mit anschließendem Verdamp- fen des Lösungsmittels, insbesondere durch thermische Behandlung.
- Oberflächendotierung einer Matrixmaterialschicht durch eine oberflächlich aufgebrachte Schicht von Dotanden .
- Herstellung einer Lösung von Matrixmolekülen und Dotanden und anschließende Herstellung einer Schicht aus dieser Lösung mittels konventioneller Methoden wie beispielsweise Verdampfen des Lösungsmittels oder Aufschleudern.
Es versteht sich, dass auch andere geeignete Verfahren zur Durchführung der Dotierung eingesetzt werden können. Auf diese Weise können somit p-dotierte Schichten von organischen Halbleitern hergestellt werden, die vielfältig einsetzbar sind.
Halbleitende Schicht
Mittels der erfindungsgemäß verwendeten elektronenarmen chinoiden Bisimidazole können halbleitende Schichten erzeugt werden, die gegebenenfalls eher linienfÖrmig ausgebildet sind, wie z.B. als Leitfahigkeitspfade, Kontakte oder dergleichen. Die chinoiden Bisimidazole können hierbei als p- Dotanden zusammen mit einer anderen Verbindung, die als Matrixmaterial fungieren kann, eingesetzt werden, wobei das Dotierungsverhältnis 1 : 1 oder kleiner sein kann. Der verwendete Dotand kann zu der jeweils anderen Verbindung bzw. Komponente aber auch in höheren Anteilen vorliegen, so dass das Verhältnis Dotand : Verbindung im Verhältnis > 1 : 1 liegen kann, beispielsweise im Verhältnis > 2 : 1, > 5 : 1, > 10 : 1 oder > 20 : 1 oder höher. Die jeweils andere Komponente kann eine solche sein, wie sie als Matrixmaterial im Falle der Herstellung dotierter Schichten eingesetzt werden kann, ohne hierauf beschränkt zu sein. Gegebenenfalls kann der verwendete Dotand auch im wesentlichen in reiner Form vorliegen, beispielsweise als reine Schicht.
Der einen Dotanden enthaltende oder im wesentlichen oder vollständig aus diesem bestehende Be- reich kann insbesondere mit einem organischen halbleitenden Material und/oder einem anorganischen halbleitenden Material elektrisch stromleitend kontaktiert sein, beispielsweise auf einem derartigen Substrat angeordnet sein.
Vorzugsweise werden die genannten elektronenarmen chinoiden Bisimidazole erfindungsgemäß als p-Dotanden eingesetzt, z.B. in einem Verhältnis < 1 : 1 oder < 1 : 2. Mittels der erfindungsgemäß als p-Dotanden eingesetzten elektronenarmen Verbindungen können beispielsweise bei der Verwendung von ZnPc, Spiro-TTB oder α-NPD als Matrix halbleitende Schichten mit Leitfähigkeiten bei Raumtemperatur in dem Bereich von 10"5 S/cm oder höher erzielt werden. Bei der Verwendung
von Phthalocyanin-Zink (ZnPc) als Matrix wurde im Ausfuhrungsbeispiel eine Leitfähigkeit von höher 10"s S/cm erzielt. Die Leitfähigkeit von undotiertem Phthalocyanin-Zink beträgt hingegen maximal 10"1 S/cm.
Es versteht sich, dass die Schicht oder das Gebilde mit den Dotanden jeweils ein oder mehrere ver- schiedene derartige elektronenarme chinoide Bisimidazole enthalten kann.
Elektronisches Bauelement
Unter Verwendung der beschriebenen Verbindungen zur Herstellung p-dotierter organischer halbleitender Materialien, die insbesondere in Form von Schichten oder elektrischen Leitungspfaden angeordnet sein können, können eine Vielzahl elektronischer Bauelemente oder diese enthaltende Einrichtungen mit einer p-dotierten organischen Halbleiterschicht hergestellt werden. Im Sinne der Erfindung werden von dem Begriff „elektronische Bauelemente" auch optoelektronische Bauelemente mit umfasst. Durch die beschriebenen Verbindungen können die elektronischen Eigenschaften eines elektronisch funktionell wirksamen Bereichs des Bauelementes, wie dessen elektrische Leitfähigkeit, lichtemittierende Eigenschaften oder dergleichen, vorteilhaft verändert werden. So kann die Leitfähigkeit der dotierten Schichten verbessert und/oder die Verbesserung der Ladungsträgerinjektion von Kontakten in die dotierte Schicht erreicht werden.
Die Erfindung umfasst insbesondere organische lichtemittierende Dioden (OLED), organische Solarzellen, Feldeffekt- Transistoren organische Dioden, insbesondere solche mit hohem Gleichrichtungsverhältnis wie 103-107,vorzugsweise 10 -107 oder 105-107, und organische Feldeffekttransisto- ren, die mittels der Imidazolderivate hergestellt werden können.
In dem elektronischen Bauelement kann eine p-dotierte Schicht auf Basis eines organischen Matrixmaterials beispielsweise in folgenden Schichtstrukturen vorliegen, wobei vorzugsweise die Basismaterialien oder Matrixmaterialien der einzelnen Schichten jeweils organisch sind:
p-i-n: p-dotierter Halbleiter - intrinsisch halbleitfähige Schicht - n-dotierter Halbleiter,
n-i-p: n-dotierter Halbleiter - intrinsisch halbleitfähige Schicht - p-dotierter Halbleiter.
Die Kontaktmaterialien sind hier löcherinjizierend, wobei p-seitig beispielsweise eine Schicht oder ein Kontakt aus ITO oder Au vorgesehen sein kann, oder elektroneninjizierend, wobei n-seitig eine Schicht oder ein Kontakt aus ITO, Al oder Ag vorgesehen sein kann.
In obigen Strukturen kann im Bedarfsfall auch die i-Schicht ausgelassen werden, wodurch Schichtenabfolgen mit p-n oder n-p-Übergängen erhalten werden können.
Die Verwendung der beschriebenen Verbindungen ist jedoch auf die oben genannten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, insbesondere können die Schichtstrukturen durch Einführung zusätzlicher geeigneter Schichten ergänzt bzw. modifiziert werden. Insbesondere können jeweils OLEDs mit derartigen Schichtabfolgen, insbesondere mit p-i-n- oder mit einer dazu inversen Struktur, mit den beschriebenen Verbindungen aufgebaut werden.
Mit Hilfe der beschriebenen p-Dotanden können insbesondere organische Dioden vom Typ Metall - intrinsischer Halbleiter - p-dotierter Halbleiter (m-i-n) oder auch gegebenenfalls vom p-i-n-Typ hergestellt werden, beispielsweise auf der Basis von Phthalocyaninzink. Diese Dioden zeigen ein Rektifizierungsverhältnis (Gleichrichtungsverhältnis, bezogen auf den Stromfluss in Durchgangsrichtung gegenüber dem Stromfluss in Sperrrichtung des Bauteils) von 10D und höher. Ferner können unter Verwendung der erfindungsgemäßen Dotanden elektronische Bauelemente mit p-n- Übergängen erzeugt werden, wobei für die p- und die n-dotierte Seite jeweils dasselbe Halbleitermaterial verwendet wird (Homo-p-n-Übergang), und wobei für das p-dotierte Halbleitermaterial ein beschriebenes Imidazolderivat eingesetzt wird.
Die Imidazolderivate können erfindungsgemäß in den elektronischen Bauelementen aber auch in Schichten, Leitfähigkeitspfaden, Punktkontakten oder dergleichen eingesetzt werden, wenn diese gegenüber einer anderen Komponente überwiegen, beispielsweise als Injektionsschicht in reiner oder im wesentlichen reiner Form.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun anschaulich anhand des folgenden Beispiels beschrieben, das lediglich veranschaulichend und nicht als den Umfang der Erfindung begrenzend zu betrachten ist.
Ausführungsbeispiele zur Dotierung mittels eines chinoiden Bisimdazols
Es wird ein elektronenarmes chinoides Bisimidazol als Dotand bereitgestellt, gereinigt durch mindestens einmalige Gradientensublimation im Hochvakuum.
Der vorgelegte Dotand wird gleichzeitig mit dem Matrixmaterial verdampft. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Matrixmaterial jeweils Phthalocyanin-Zink oder Spiro-TTB. Der p-Dotand und das Matrixmaterial können derart verdampft werden, dass die auf einem Substrat in einer Vakuum- Verdampfungsanlage niedergeschlagene Schicht ein molares Dotierungsverhältnis von p-Dotand zu Matrixmaterial von 1 : 10 aufweist.
Die jeweils mit dem p-Dotanden dotierte Schicht des organischen Halbleitermaterials ist auf einer ITO-Schicht (Indiumzinnoxid) aufgebracht, welche auf einem Glassubstrat angeordnet ist. Nach Aufbringung der p-dotierten organischen Halbleiterschicht wird eine Metallkathode aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfung eines geeigneten Metalls, um eine organische Leuchtdiode herzustellen. Es versteht sich, dass die organische Leuchtdiode auch einen sogenannten invertierten Schichtaufbau haben kann, wobei die Schichtenabfolge ist: Glassubstrat - Metallkathode - p- dotierte organische Schicht - transparente leitende Deckschicht (beispielsweise ITO). Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall zwischen den einzelnen genannten Schichten weitere Schichten vorgesehen sein können.
Beispiell
Das chinoide Bisimidazolderivat C wurde zur Dotierung von ZnPc und spiro-TTB als Matrixmaterial verwandt. Dotierte Schichten mit einem Dotierungsverhältnis Dotand : Matrixmaterial von 1 : 10 wurden durch Mischverdampfung von Matrix und Dotand hergestellt. Die gemessenen Leitfä- higkeiten betrugen 7.9x10'5 S/cm in ZnPc und 4.6xlO"7 S/cm in spiro-TTB.
Bβispiel 2
Das chinoide Bisimidazolderivat C wurde zur Dotierung von ZnPc als Matrixmaterial verwandt. Dotierte Schichten mit einem Dotierungsverhältnis Dotand : Matrixmaterial von 1 : 10 wurden durch Mischverdampfung von Matrix und Dotand hergestellt. Die gemessenen Leitfähigkeiten be- trugen 1.OxIO'6 S/cm in ZnPc.
Die in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.