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Spatiotemporal Analysis of Dynamic Exciton by Solid-State NMR

Planned Research

Project AreaDynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
Project/Area Number 20H05837
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

鈴木 克明  京都大学, 化学研究所, 助教 (90747859)

Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥47,450,000 (Direct Cost: ¥36,500,000、Indirect Cost: ¥10,950,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
Keywords動的エキシトン / 固体NMR / 非晶 / 有機EL / 有機薄膜太陽電池 / 有機太陽電池 / 時空間解析 / 有機デバイス
Outline of Research at the Start

固体核磁気共鳴法(固体NMR)は、幅広い固体材料に対して原子レベルの分解能で構造・運動情報を与えてくれる優れた解析手法である。本研究では、固体NMRを用い、動的エキシトンを形成する種々のドナー-アクセプター(D-A)構造体について、その構造や運動の精密解析を行う。これらの研究により、電子励起状態、電荷分離など、動的エキシトンのダイナミクスと、材料の動的構造との相関解明に取り組む。相分離構造や分子コンフォメーション、またそれらの運動性を含めた包括的な精密解析を通し、領域内の共同研究により、D-Aモデル系、有機デバイス、合成および生命機能開拓に向けた、動的エキシトンの学理構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

熱活性遅延蛍光(TADF)材料におけるドナー部位、アクセプター部位のねじれ角は、HOMO-LUMOの重なり、最低一重項-三重項エネルギー差、スピン軌道相互作用を決定する、非常に重要なパラメーターである。しかしこれまで、このねじれ角を実験的に決定することは難しかった。本年度は、A03梶との共同研究を進め、熱活性遅延蛍光(TADF)材料のコンフォメーション解析を進めた。固体DNP-NMRを用いることにより、同位体ラベルすることなく、ドナー-アクセプター間のねじれ角を定量的に求める手法を開発した(J. Am. Chem. Soc., 2023, 160, 145, 16324-16329)。
さらにドナーアクセプター型のTADF材料について、その連結部にあるベンゼン環の運動と発光特性の相関を解明するために、重水素化ラベル化したTADF分子を合成し、これら材料のNMR測定から、その運動性を評価を進めた。
また、これまで1次元で展開してきたNMRのノイズ除去法を2Dに展開した。本手法を用いることによりNMR解析の精密化、測定時間の短縮、使用サンプル量の低減が期待されるだけでなく、他の測定手法にも展開可能と期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は主に、A03梶グループ(G)との共同研究を進め、TADF分子のねじれ角解析法の確立に成功した。また、A01班今堀GTADF材料のパッキング構造解析に関して超高速MASを用いた解析を進めている。
ノイズ除去法についてはこれまで1Dの測定結果にしか適用できなかった手法を2Dに展開することができた。
解析に関しては、測定データは得られたもののノイズが多く詳細な解析が困難であった。そこで新たな展開としてNMRのノイズ除去法を開発にまで至った。この手法はESR等のNMR以外の測定法にも展開可能である。
以上のことから研究はおおむね順調に進んでいると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

本年度は主に、申請書記載の研究課題のうち、非晶膜系におけるコンフォメーション解析、D-A混合膜における構造解析を主に行う。以下に具体的な研究計画を示す。
1)D-A混合膜における構造解析
昨年度までにA01今堀、A03家グループ(G)から提供された、有機半導体材料の固体NMRによる凝集構造解析を行ってきた。本年度は超高速MASを用いたより、スタッキング構造やD-A界面構造に関する詳細な解析を行う。
2)TADF材料の微小振動解析
これまでにA03梶Gより、本来起こり得ないCT性三重項からCT性一重項への逆交換交差が、励起子の動的効果により極めて効率よく進むことが報告されている。そこで本年度は梶Gとの共同研究としてTADF分子の動的効果について、固体NMRを用いた実験的検証を行う。また、現在開発を進めているノイズ除去手法を展開し、非晶膜中における発光物性に大きな影響を与えるTADF分子のねじれ角の分布の実験的解明を進める。
3) 昨年度、我々は動的核偏極(DNP)固体NMRを用いた非晶膜中におけるコンフォメーション解析手法を構築し、論文化を行った。本年度は、この手法をA01班アルブレヒトGが開発してきたデンドリマー材料に展開し、これら材料の構造解析を進める

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (27 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 6 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Triarylborane-based thermally activated delayed fluorescence materials with an efficient reverse intersystem crossing2024

    • Author(s)
      Okumura Ryosuke、Kusakabe Yu、Rauch Florian、Lubczyk Lukas、Suzuki Katsuaki、Marder Todd、Kaji Hironori
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: - Issue: 4 Pages: 041003-041003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad392a

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Torsion Angle Analysis of a Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter in an Amorphous State Using Dynamic Nuclear Polarization Enhanced Solid-State NMR2023

    • Author(s)
      Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 145 Issue: 30 Pages: 16324-16329

    • DOI

      10.1021/jacs.3c05204

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Operando ESR observation in thermally activated delayed fluorescent organic light-emitting diodes2023

    • Author(s)
      Yumoto Shintaro、Katsumata Junya、Osawa Fumiya、Wada Yoshimasa、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Marumoto Kazuhiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 11109-11109

    • DOI

      10.1038/s41598-023-38063-3

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Thioxanthone-containing blue thermally activated delayed fluorescent emitter2023

    • Author(s)
      Natsuko Kanno, Yongxia Ren, Yu Kusakabe, Katsuaki Suzuki, Katsuyuki Shizu, Hiroyuki Tanaka, Yoshimasa Wada, Hiromichi Nakagawa, Jan Geldsetzer, and Hironori Kaji
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 16 Issue: 1 Pages: 11006-11006

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acb3ad

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Donor-Acceptor 10-Cycloparaphenylene and Its Use as an Emitter in an Organic Light-Emitting Diode2023

    • Author(s)
      Dongyang Chen, Yoshimasa Wada, Yu Kusakabe, Liansheng Sun, Eiichi Kayahara, Katsuaki Suzuki, Hiroyuki Tanaka, Shigeru Yamago, Hironori Kaji, and Eli Zysman-Colman
    • Journal Title

      Org. Lett.

      Volume: 25 Issue: 6 Pages: 998-1002

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.3c00127

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dynamic nuclear polarization - nuclear magnetic resonance for analyzing surface functional groups on carbonaceous materials2023

    • Author(s)
      Hideka Ando, Katsuaki Suzuki, Hironori Kaji, Takashi Kambe, Yuta Nishina,Chiyu Nakano, Kazuma Gotoh
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 206 Pages: 84-93

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2023.02.010

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Imidazole Acceptor for Both Vacuum-Processable and Solution-Processable Efficient Blue Thermally Activated Delayed Fluorescence2022

    • Author(s)
      Yu Kusakabe, Yoshimasa Wada, Tomoya Misono, Katsuaki Suzuki, Katsuyuki Shizu and Hironori Kaji
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Issue: 19 Pages: 16740-16745

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c01308

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Near-infrared-red-orange thermally activated delayed fluorescence emitters using a strong tetracoordinated difluoroboronated acceptor2022

    • Author(s)
      Yongxia Ren, Hiromichi Nakagawa, Katsuaki Suzuki, Weizhe Hu and Hironori Kaji
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 61 Issue: 8 Pages: 081001-081001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac7a7c

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Band-like Transport of Charge Carriers in Oriented Two-Dimensional Conjugated Covalent Organic Frameworks2022

    • Author(s)
      Ghosh Samrat、Tsutsui Yusuke、Kawaguchi Takahiro、Matsuda Wakana、Nagano Shusaku、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Seki Shu
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 34 Issue: 2 Pages: 736-745

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.1c03533

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] <i>N</i>-Adamantylphthalimide-based Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter for Solution-processed Organic Light-emitting Diodes2021

    • Author(s)
      Shibano Masaya、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Takano Toshiyuki
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 50 Issue: 12 Pages: 1953-1955

    • DOI

      10.1246/cl.210446

    • NAID

      130008131975

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Near-Unity Singlet Fission on a Quantum Dot Initiated by Resonant Energy Transfer2021

    • Author(s)
      J. Zhang, H. Sakai, K. Suzuki, T. Hasobe, N. V. Tkachenko, I. Chang, K. Hyeon-Deuk, H. Kaji, T. Teranishi, and M. Sakamoto
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 143 Issue: 42 Pages: 17388-17394

    • DOI

      10.1021/jacs.1c04731

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Multichromophore Molecular Design for Efficient Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters with Near-Unity Photoluminescence Quantum Yields2021

    • Author(s)
      Chen, D., Kusakabe, Y., Ren, Y., Sun, D., Rajamalli, P., Wada, Y., Suzuki, K., Kaji, H. and Zysman-Colman, E.
    • Journal Title

      J. Org. Chem.

      Volume: 86 Issue: 17 Pages: 11531-11544

    • DOI

      10.1021/acs.joc.1c01101

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Efficient blue thermally activated delayed fluorescence emitters showing very fast reverse intersystem crossing2021

    • Author(s)
      Ren, Y., Wada, Y., Suzuki, K., Kusakabe, Y., Geldsetzer, J. and Kaji, H.
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 14 Issue: 7 Pages: 0710031-5

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac06df

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Identification of Prime Factors to Maximize the Photocatalytic Hydrogen Evolution of Covalent Organic Frameworks2020

    • Author(s)
      Ghosh, S., Nakada, A., Springer, M.A., Kawaguchi, T., Suzuki, K., Kaji, H., Baburin, I., Kuc, A., Heine, T., Suzuki, H., Abe, R. and Seki, S.
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: - Pages: 9752-9762

    • DOI

      10.1021/jacs.0c02633

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermally Activated Delayed Fluorescence Benzyl Cellulose Derivatives for Nondoped Organic Light-Emitting Diodes2020

    • Author(s)
      Shibano, M., Ochiai, H., Suzuki, K., Kamitakahara, H., Kaji, H. and Takano, T
    • Journal Title

      Macromolecules

      Volume: - Issue: 8 Pages: 2864-2873

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.9b02644

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 固体NMR・DNP-NMRによる非晶構造解析とその有機ELへの応用2023

    • Author(s)
      梶弘典、鈴木克明
    • Organizer
      日本核磁気共鳴学会 第62回NMR討論会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Structural and Dynamics Analysis of Organic Semiconducting Materials by Solid State NMR2023

    • Author(s)
      K. Suzuki and H. Kaji
    • Organizer
      243rd ECS Meeting
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高効率TADF分子の開発と固体NMRによる有機非晶材料の構造解析2023

    • Author(s)
      ○鈴木 克明, 梶 弘典
    • Organizer
      International CPL and CPEL Conference 2023
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] チオキサントンを用いた新規熱活性化遅延蛍光材料の開発2023

    • Author(s)
      〇菅野 奈都子, Ren Yongxia, 日下部 悠, 鈴木 克明, 志津 功將, 和田 啓幹, Geldsetzer Jan, 梶 弘典
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Structural Analysis of Organic Semiconducting Materials By Solid State NMR2022

    • Author(s)
      K. Suzuki , H. Kaji
    • Organizer
      241st ECS Meeting
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 固体 NMR による有機 EL 発光材料の定量的非晶構造解析2022

    • Author(s)
      ○梶 弘典 、鈴木 克明
    • Organizer
      第 61 回 NMR 討論会(2022)
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      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Molecular scale analysis of charge transport in organic amorphous systems by multiscale simulation2022

    • Author(s)
      Hiroki Sato, Hironori Kaji
    • Organizer
      ICEL2022
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thioxanthone‐containing Blue Thermally Activated Delayed Fluorescent Emitter2022

    • Author(s)
      Natsuko Kanno, Yongxia Ren, Yu Kusakabe, Katsuaki Suzuki, Katsuyuki Shizu, Hiroyuki Tanaka,
    • Organizer
      ICEL2022
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Molecular Design Achieving Very Fast Reverse Intersystem Crossing2021

    • Author(s)
      Yongxia Ren, Yoshimasa Wada, Katsuaki Suzuki, Yu Kusakabe, Jan Geldsetzer, Hironori Kaji
    • Organizer
      The 13th Asian Conference on Organic Electronics (A-COE2021)
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 固体 NMR を用いた有機半導体材料の分子配向解析2021

    • Author(s)
      鈴木 克明, 梶 弘典
    • Organizer
      2021年光化学討論会
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Thioxanthone-based efficient blue thermally activated delayed fluorescence emitter showing very fast reverse intersystem crossing2021

    • Author(s)
      Yongxia Ren, Yoshimasa Wada, Katsuaki Suzuki, Yu Kusakabe, Jan Geldsetzer, Hironori Kaji
    • Organizer
      「有機EL討論会」第33回例会・15周年記念公開シンポジウム
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Achieving very fast reverse intersystem crossing by heavy atom effect2021

    • Author(s)
      Yongxia Ren, Yoshimasa Wada, Katsuaki Suzuki, Yu Kusakabe, Jan Geldsetzer,Hironori Kaji
    • Organizer
      The 6th International TADF Workshop
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2020-11-24   Modified: 2024-12-25  

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