DE2627828C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Bildes - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden BildesInfo
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Description
R1
10
15
in der die Stellen X durch die Heteroatome O, S, Se,
Te oder Kombinationen derselben besetzt sind und die Reste R1 bis R4 gewählt sind aus den Gruppen
von Wasserstoff, Alkyl, ggf. substituiertem Phenyl, Halogen, — SCH3, — COOMe oder zu Ringsystemen
aus der Gruppe von Cyclopenten, Cyclohexen, Benzol, Furan, Thiophen, Dihydrothiophen oder
Derivaten derselben geschlossen sind und einem Halogenkohlenwasserstoff auf eine Unterlage aufgetragen
wird und mit aktinischer Strahlung bildmäßig belichtet wird
und daß überschüssige Lösungsmittel und/oder Halogenkohlenwasserstoff verdampft werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organische π-Elektronen-Donorverbindung
Tetrathiotetracen oder eines seiner Derivate verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn' zeichnet, daß als organische jr-Elektronen-Donor-Verbindung
Tetrathiofulvalen, Tetraselenofulvalen, cis/trans-Dimethyltetrathiofulvalen, cis/trans-Diselenodithiofulvalen,
Hexamethylentetrathiofulvalen, Hexamethylentetraselenofulvalen oder Tetramethyltetrathiofulvalen
verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die organische jr-Elektronen-Donorverbindung
in einer Konzentration von 10~5 bis 1 molar in dem Halogenkohlenwasserstoff oder
dem Lösungsmittelgemisch angewendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halogenkohlenwasserstoffe CF4,
CCI4, CBr4 oder CJ4 angewendet werden.
50
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Bildes auf einer Unterlage.
Bei den meisten Verfahren zur Abscheidung elektrisch
hochleitender Linien oder Zeichen werden Metalle auf einer Unterlage abgeschieden, oder es
werden hochleitende metallische Dispersionen in einem geeigneten Trägermittel direkt auf eine Unterlage
gedruckt. Andere gebräuchliche Methoden umfassen die thermische Zersetzung organometallischer Verbindungen
und die elektrochemische Abscheidung.
In· neuerer Zeit bestand ein erhebliches Interesse an
organischen charge transfer-Verbindungen. Insbesondere fanden organische Donoren mit niedrigem
lonisierungspotential und deren charge transfer-Salze,
welche durch Oxidation mit organischen Akzeptoren wie 7,7,8,8-Tetracyano-p-chinodimethan (TCNQ) gebildet
wurden, besonderes Interesse.
Organische Systeme mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit sind 1 :1 TCNQ-Salze mit Donorverbindungen
vom Fulvalentyp, wie Tetrathiofulvalen (TTF), Tetraselenofuivalen (TSeF), cis/trans-Diselenodithiofulvalen
(DSeDTF) und cis/trans-Dimethyltetrathiofulvalen
(ATTF). Die Zusammensetzung (TTF) (TCNQ) beispielsweise zeigt eine Leitfähigkeit o(RT) von 500
(Ω —cm)-' bei Zimmertemperatur. Das isomorphe
Selenandloge (TSeF) (TCNQ), welches Gegenstand der deutschen Offenlegungsschrift 25 25 119 ist, zeigt sogar
noch größere metallische Leitfähigkeit, d. h. in der
Größenordnung von 800 (Ω—cm)-' bei Zimmertemperatur.
,
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Bildes anzugeben,
bei dem eine Lösung der obengenannten jr-Elektronen-Donorverbindungen
und eines Halogenkohlenwasserstoffs auf eine Unterlage aufgetragen und bildmäßig
belichtet wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird im einzelnen dadurch gelöst, daß eine Lösung mit einem Gehalt an
einer organischen Jr-Elektronen-Donorverbindung der allgemeinen Formel
in der die Stellen X durch die Heteroatome O, S, Se, Te
oder Kombinationen derselben besetzt sind und die Reste Ri bis R4 gewählt sind aus den Gruppen von
Wasserstoff, Alkyl, ggf. substituiertem Phenyl, Halogen, — SCH3, -COOMe oder zu Ringsystemen aus der
Gruppe von Cyclopenten, Cyclohexen, Benzol, Furan, Thiophen, Dihydrothiophen oder Derivaten derselben
geschlossen sind und einem Halogenkohlenwasserstoff auf eine Unterlage aufgetragen wird und mit aktinischer
Strahlung bildmäßig belichtet wird und daß überschüssige Lösungsmittel und/oder Halogenkohlenwasserstoff
verdampft werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen
niedergelegt.
Die Erfindung wird anhand der Abbildung und der speziellen Beschreibung näher erläutert.
In der Abbildung sind die UV-Differenzspektren für drei charge transfer-Verbindungen, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, dargestellt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt das optische Reproduzieren von elektrisch hochleitenden Linien
oder Zeichen, d. h. ein Verfahren, bei dem organische π-Donoren in halogenhaltigen Lösungsmitteln auf einer
Unterlage abgeschieden und anschließend aktinischer Strahlung ausgesetzt werden unter Erhalt eines
elektrisch hochleitenden, gefärbten Bildes. Die vorliegende Erfindung umfaßt die Schritte:
1. Auftragen einer organischen π- Elektronen-Donorverbindung,
gelöst in einem Halogenkohlenwasserstoff, auf eine Unterlage;
2. Bildmäßige Belichtung der beschichteten Unterlage mit aktinischer Strahlung und
3. Entfernung der überschüssigen Lösungsmittel und/ oder Halogenkohlenwasserstoff.
Die Verbindungen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind von (Donor)X„-Typ, wobei der
Donor bezeichnenderweise gewählt ist aus der Gruppe von Tetrathiofulvalen (TTF), Tetraselenofulvalen
(TSeF), cis/trans-Diselenodithiofulvalen (DSeDTF) und
X gewählt ist aus der Gruppe von F Br, CI und J und n<\ ist. Diese Verbindungen haben als Einkristalle
Leitfähigkeiten im Bereich von o(RT)= 10-500 (Ω-cm)-'. Röntgenstrahlkristallographische Untersuchungen
zeigen an, daß die (Donor)X„-Strukturen aus Donorgruppitrungen mit intermolekularen Abständen,
die denen in Tetrathiofulvalen-Tetracyanochinodimethan-KompIexen
(TTF) (TCNQ) entsprechen, bestehen. Die Verbindungen sind nicht-stöchiometrische. Die
Zusammensetzungen der nicht-stöchiometrischen Verbindungen liegen zwischen 0,5<n<l, und diese sind
eine notwendige Bedingung für die hohe elektrische Leitfähigkeit
Die Verbindungen können auf einer Vielzahl von Unterlagen, beispielsweise auf Glas, keramischen oder
polymeren Materialien oder Papier abgeschieden werden. Wenn sie auf einem solchen isolierenden
Material abgeschieden werden, wird ein großer Leitfähigkeitsunterschied (108 bis 1016) zwischen der
photographisch erzeugten Linie oder den Zeichen und seiner Unterlage, der isolierenden Matrix, erzeugt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß bei Einstrahlung in die charge transfer-Bande
des Donorkomplexes (wie in F i g. 1 gezeigt ist) eine Umwandlung des Donors in eine" elektrisch leitende
(Donor)Xn-Verbindung stattfindet. So wurde beispielsweise
gefunden, daß die folgende allgemeine Reaktion abläuft, wenn eine Donorverbindung wie Tetrathiofulvalen
(TTF), gelöst in Tetrachlorkohlenstoff, mit aktinischer Strahlung belichtet wird:
1. (TTF)(CCl4)
hv
2. (TTF)(CCl4 ·)
-* CTTF-KCCl4-)
->■ (TTF)Cl0,77 + · CCl3
Es wurde gefunden, daß Licht mit einer Wellenlänge in dem Spektralbereich der charge transfer (CT)-Bande
des spezifischen Komplexes, bezeichnenderweise mit einer Wellenlänge von 300 —400 nm, im Rahmen einer
Photooxidation die Donormoleküle in (Donor)X„-Verbindungen
umwandelt. Die Aktivierung kann auch außerhalb der CT-Bande stattfinden, wenn Sensibilisatoren
verwendet werden. Sensibilisatoren dieser Art schließen im sichtbaren Licht absorbierende Farbstoffe
wie Rhodamin B, Rose bengale, Methylenblau und aromatische Kohlenwasserstoffe wie Anthracen, Naphthalin
oder Pyren ein. Die freien · CCU-Radikale, die nach der obigen Reaktionsgleichung gebildet werden,
reagieren mit dem Lösungsmittel weiter unter Erhalt höherer Halogenkohlenwasserstoffe und freier
Halogenatome. So besitzt der gesamte photochemische Prozeß eine beachtliche Ausbeute oder Verstärkung
(Quantenausbeute » 1), weil die gebüdeten freien Halogenatome nicht umgesetzte Donormoleküle oxidieren
können.
So können beispielsweise unter Verwendung dieser leitenden Photomaterialien elektrisch leitende Zeichen
mit Hilfe von ultravioletter Strahlung kopiert werden. Lösungen eines neutralen Donors in einem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel
werden direkt auf ein beliebiges Papier, beispielsweise Schreibmaschinenpapier, aufgetraeen
mit einer Maske bedeckt und dann mit ultravioletter Strahlung belichtet. Das überschüssige
Lösungsmittel verdampft innerhalb von Sekunden unter Zurücklassung eines reinen trockenen Bildes auf einem
Untergrund von neutralem Donor. Der nicht umgesetzte Donor kann, wenn es erwünscht ist, durch Auflösen in
einer Anzal nichtpolarer Lösungsmittel wie Alkohole, Äther, CH2CI2, Dioxan, Hexan oder Benzol ohne
gleichzeitige Entfernung der kopierten Zeichen entfernt werden. Das Kopieren auf verschiedenen Unterlagen
erfolgt direkt, ohne daß sich ein Entwicklungsverfahren an die Bilderzeugung anschließt Zusätzlich kann die
Lichtquelle eine Breitband-Strahlungsquelle sein. Es kann beispielsweise Sonnenlicht verwendet werden,
solange in diesem eine UV-Komponente, d. h. Wellenlängen zwischen 300 und 400 nm, enthalten ist
Es können auch farbige Zeichen kopiert werden, weil das spezifische Absorptionsspektrum der abgeschiedenen
Donorhalogenverbindung durch geeignete chemische Modifikationen, beispielsweise durch Einführen
von Substituenten in das Donormolekül oder Ersatz von Ringheteroatomen verschoben werden kann.
Aus der Abbildung ist ersichtlich, daß durch geeignete Substitution des Tetrathiofulvalenmoleküls (TTF) die
Absorptionscharakteristik auf der beschichteten Unterlage, die Farbe und die Leitfähigkeit des gedruckten
Bildes geändert werden können. So besitzt beispielsweise das Tetrathiofulvalenmolekül das Maximum der
charge transfer-Absorptionsbande bei 335 ηm und
ergibt bei seiner Abscheidung ein rot gefärbtes Bild. Durch Substitution des Schwefels durch Selen unter
Erhalt von Tetraselenofulvalen wird das charge transfer-Absorptionsmaximum zu 320 nm verschoben,
und es wird ein grünes Bild erhalten. Durch Ersatz der Wasserstoffatome im Tetrathiofulvalen wird das Absorptionsmaximum
ebenfalls verschoben unter Änderung der Farbe des abgeschiedenen Bildes. So wird
beispielsweise durch Methylsubstitution unter Erhalt von Tetramethyltetrathiofulvalen (TMTTF) die charge
transfer-Absorption zu 350 nm verschoben, und es wird ein braunes Bild erhalten.
Weil jedes System einen spezifischen charge transfer-Absorptionsbereich
besitzt, ist es darüber hinaus möglich, vielfarbige Anordnungen aus einer mehrere
Verbindungen enthaltenden Lösung durch selektive Anregung in die charge transfer-Bande der entsprechenden
Verbindungen abzuscheiden.
Die relativ hohen Leitfähigkeiten der kopierten Zeichen können in einem elektrischen Abtastverfahren
oder einem nichtoptischen Reproduktionsverfahren unter Verwendung von Mustern, die in oben angegebener
Weise kopiert wurden, ausgenutzt werden. Da die (Donor)Xn-Zusammensetzungen paramagnetische
Feststoffe darstellen, können ihre magnetischen Eigenschaften in magnetischen Abtastverfahren ausgewertet
werden.
Bei der Ausführung der Erfindung werden Donormoleküle der empirischen Formel CeH4X4R4 und der
Strukturformel:
verwendet, in der X = O, S, Se und Te oder eine Kombination derselben darstellen. Die Reste R können
beliebige organische Substituenten sein, einschließlich Alkylreste wie Methyl und Äthyl, Phenylreste, substituierte
Phenylreste, -SCH3, -COOMe, Halogen, geschlossene Ringsysteme, in denen der Substituent
tatsächlich die Reste Ri mit R2 und R3 mit R4 verbindet,
beispielsweise in der Verbindung mit nachfolgender Strukturformel:
X X
Die folgenden geschlossenen Ringe wie Cyclopenten, Cyclohexen, Benzol, Furan, Thiophen, Dihydrofuran und
Dihydrothiophen und deren Derivate können verwendet werden. Zusätzlich sind Tetrathiotetracenverbindungen
der Strukturformel:
und deren Derivate auch geeignet zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen können
organische ,-r-Elektronen-Donoren, welche ein niedriges
lonisierungspotential besitzen und selbstgruppierende leitende charge transfer-Salze bilden, verwendet
werden.
Der Halogenkohlenwasserstoff-Komplexbildner kann entweder als Bestandteil der Lösung mit anderen
organischen Lösungsmitteln, beispielsweise mit Chloroform, Aceton, Alkohol oder Chlorbenzol vorliegen, oder
er kann das Lösungsmittel selbst bilden. Die Konzentrationen der Donor- und Halogenkohlenwasserstoffmoleküle
können in weitem Maße variieren, wobei die optimale Donorkonzentration zwischen ΙΟ-5 und 1
molar liegt. Ein großer Überschuß an Halogenkohlenwasserstoff wird bevorzugt. Die maximale Empfindlichkeit
wird erhalten, wenn die charge transfer-Zusammensetzung in die charge transfer-Banden der speziellen
Verbindungen belichtet wird. Wie zuvor angegeben, können durch Änderung des Donorsystems verschiedene
Farben abgeschieden werden. So wird beispielsweise unter Verwendung von Tetrathiofulvalen ein dunkelrotes
Bild, unter Verwendung von Tetraselenofulvalen ein grünes Bild und unter Verwendung von cis/trans-Dimethyltetrathiofulvalen
ein rosa Bild erhalten. Im allgemeinen ist die erhaltene Farbe charakteristisch für die
Farbe des Kations des gewählten Donorsystems.
Eine Lösung, welche 1 mg/ml Tetrathiofulvalen (TTF) in Tetrachlorkohlenstoff CCI4 enthält, wird hergestellt
und im Dunkeln aufbewahrt Ein Bruchteil von 0,5 ml dieser Lösung wird auf einen 10 cm2 großen Bereich
eines gewöhnlichen S:hreibpapieres aufgetragen und mit einer Maske bedeckt Die Maske wird dann mit
UV-Strahlung einer Wellenlänge von 365 nm und niedriger Intensität (0,5 W/cm2) eine Minute lang
belichtet und anschließend entfernt Man läßt den Oberschuß an CCU verdampfen. Ein rotes, elektrisch
leitendes Bild war auf dem Papier abgeschieden mit einer Auflösung von größer als 20 Linien pro mm. Der
gelbe Hintergrund, der als Folge des nicht umgesetzten Tetrathiofulvalens zurückbleibt, wird entfernt durch
Eintauchen des Bildes in Benzol für mehrere Sekunden und anschließendes Trocknen an der Luft.
Die Bedingungen von Beispie! 1 werden wiederholt unter Verwendung eines glatten Glasschichtträgers. Ein
rotes, elektrisch leitendes Bild mit einer Auflösung größer als 30 Linien pro mm wird erhalten.
Beispiel 1 wird wiederholt, aber die Belichtung wird nur 5 Sekunden lang durchgeführt unter Verwendung
eines Papieres, welches auf einer flachen Platte aus Glas befestigt ist. Die Maske-Papier-Glasplatte-Schichtstruktur
wird dann im Dunkeln aufbewahrt. Sie wird nach 10 Minuten herausgenommen, und das überschüssige
CCU wird verdampft. Ein mattes rotes Bild wird auf dem Papier erhalten, welches die dem Verfahren
innewohnende Verstärkung zeigt.
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt aber mit einer Lösung in CHCl3, die 0,01 molar an
Tetrathiofulvalen (TTF) und 1 molar an CCU, bezogen auf das Lösungsmittelgemisch von CCU und CHCI3, ist.
Es werden ähnliche Ergebnisse erhalten.
Eine Lösung, welche 0,2 mg/ml Tetrathiofulva'en (TTF) und 1 Mol CBr4 in CHCI3 enthält, wird hergestellt.
Ein Bruchteil von 0,5 ml dieser Lösung wird auf einen 10 cm2 großen Bereich eines gewöhnlichen Schreibpapieres
wie in den vorigen Beispielen angegeben aufgetragen. Das Papier wird mit der Maske bedeckt
und mit UV-Licht einer Wellenlänge von 365 nm und niedriger Energie (0,5 W/cm2) eine Minute lang
belichtet. Überschüssiges Lösungsmittel und CBr4 werden verdampft unter Zurücklassung eines dunkelroten
leitenden Bildes. Die Zusammensetzung des Bildes wurde analysiert und ergab eine Zusammensetzung von
(TTF)Br07I.
Eine Lösung, welche 0,8 mg/ml Tetraselenofulvalen (TSeF) und 1 Mol CBr4 in CHCl3 enthält, wird
hergestellt. Wie in den vorigen Beispielen angegeben wird ein Bruchteil dieser Lösung auf eine Unterlage
aufgetragen und einer Strahlung ausgesetzt Ein dunkelgrünes, elektrisch leitendes Biid wird erhalten.
Die Analyse des Bildes ergab eine Zusammensetzung (TSeF)Br0^i.
Unter ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 1 aber unter Verwendung einer Lösung, welche aus 2 mg/ml
cis/trans-Dimethyl-tetrathiofulvalen (ATTF) in CCU
besteht, wird ein rosarotes, elektrisch leitendes Bild
erhalten. Die Analyse zeigt, daß das Bild aus (cis/Trans-Dimethyl TTF)Bro.67 besteht
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von Tetraselenofulvalen (TSeF) als
JT-Elektronen-Donor. Ein grünes, elektrisch leitendes
Bild wird abgeschieden mit einer Auflösung größer als
20 Linien pro mm.
Se
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von Diselenodithiofulvalen
(DSeDTF) als π-Elektronen-Donor. Ein purpur-blaues,
elektrisch leitendes Bild wird erhalten mit einer Auflösung größer als 7 Linien pro mm.
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von cis/trans-Dimethyldiselenodithiofulvalen
als π-Eleklronen-Donor. Ein graublaues,
elektrisch leitendes Bild wird abgeschieden mit einer Auflösung größer als 20 Linien pro mm.
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von Tetramethyltetrathiofulvalen
(TMTTF) als π-Elektronen-Donor. Ein braunes, elektrisch
leitendes Bild wird abgeschiden mit einer Auflösung größer als 20 Linien pro mm.
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von Hexamethylentetrathiofulvalen
(HMTTF), welches auch als Bis(cyclopenteno)tetrathiofulvalen bezeichnet wird
als π-Elektronen-Donor in einer Lösung von 25%
Chlorbenzol in Kohlenstofftetrachlorid. Ein hellbraunes, elektrisch leitendes Bild wird abgeschieden mit einer
Auflösung größer als 20 Linien pro mm.
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von Hexamethylentetraselenofulvalen
als ,-r-Eleklronen-Donor in einer Lösung von 25%
Chlorbenzol in Kohlenstofftetrachlorid. Ein elektrisch leitendes, olivgrünes Bild wird abgeschieden mit einer
Auflösung größer als 20 Linien pro mm.
Die Bedingungen von Beispiel 1 werden wiederholt unter Verwendung von Tetrathiotetracen als π-Elektronen-Donor.
Ein elektrisch leitendes, rosafarbenes Bild wird abgeschieden.
Es wurde gefunden, daß die Auflösung der nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten Bilder auf
porösen Unterlagen wie Papier nur durch die Porosität und die Fasergröße des Papieres begrenzt wird. Das
farbige, elektrisch leitende Bild wird durch sehr feine nadelähnliche Kristalle, die weniger als 1 μιτι lang sind
und fest mit der Fasermatrix des Papieres verbunden sind, gebildet. Es wurden elektrische Widerstandswerte
auf dem Papier in einem Bereich von 104 bis 105Q/cm
gemessen, verglichen mit Widerstandswerten größer als 1012 Ω/cm in unbehandeltem Papier.
Ein beachtlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, hochleitende Linien oder Zeichen in
jeder gewünschten Anordnung mit hoher Auflösung unter Verwendung eines kontaktfreien Kopierverfahrens,
welches eine Quantenverstärkung besitzt, herstellen zu können. Darüber hinaus ist das Verfahren gemäß
der Erfindung sehr schnell, da kein Entwicklungsschritt nach der Ablagerung der Zeichen sondern nur die
Verdampfung des überschüssigen Lösungsmittels erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß
überschüssige nicht umgesetzte π-Elektronen-Donorverbindungen
nach der Lösungsmittelverdampfung auf der Matrix verbleiben und in einem nachfolgenden
Schritt wieder verwendet werden können. So können beispielsweise nach Reabsorption des Halogenkohlenwasserstoff-Lösungsmittels1
in die Matrix zu einem späteren Zeitpunkt weitere Kopiervorgänge vorgenommen
werden, indem die nicht umgesetzten Donorbereiche mit einer Maske bedeckt und mit UV-Licht
bestrahlt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Bildes auf einer Unterlage, dadurch
gekennzeichnet,
daß eine Lösung mit einem Gehalt an einer organischen jr-EIektronen-Donorverbindung der
allgemeinen Formel
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