Structural Analysis on Short-Lived Triplet Pairs Generated by Singlet Fission

• Project/Area Number: 17K05742
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: Yago Tomoaki 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (30451735)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 励起子分裂 / 遅延蛍光 / 磁場効果 / 有機結晶 / 三重項対 / シングレットフィッション / トリプレットフュージョン / 蛍光 / 交換相互作用 / 光物性 / 化学物理 / 分子性固体 / 太陽電池 / 磁性

Outline of Final Research Achievements

Triplet pairs are generated by singlet fission in organic solids. Triple pairs are important intermediate to determine the efficiency of singlet fission. However nature of the triplet pair states has not been clarified due to the short lifetime of triplet pairs. The magnetic field effects on delayed fluorescence are often observed after singlet fission and triplet fusion. We have measured magnetic field dependence of the intensity of delayed fluorescence with several organic crystals. We determined the structure of a triplet pair generated by singlet fission. The structure of triplet pair for efficient singlet fission were discussed on the basis of the magnetic field dependence of the delayed fluorescence.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

シングレットフィッション（励起子分裂）とは、一つの光励起状態（一重項）から二つの光励起状態（三重項）が生成する現象のことである。この励起子分裂を利用すると、太陽電池の効率を向上させることが可能である。このような励起子分裂を最適化するためには、その機構を明らかにすることが重要である。しかし、励起子分裂を効率よく起こす材料はいまだ少なくその機構は明らかにされていない。本研究では、磁場下での蛍光測定から有機結晶中での励起状態の構造を特定することに成功した。得られた結果より、励起子分裂は、分子の配向が非対称になっている場合に効率よく進行することが示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Low magnetic field effects on triplet pair annihilations at canonical orientations (2019)
  • Author(s): Tomoaki Yago
  • Journal Title: Journal of chemical physics Volume: 151 Issue: 21 Pages: 21450-21450
  • DOI: 10.1063/1.5127904
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploring the Structure of an Exchange-Coupled Triplet Pair Generated by Singlet Fission in Crystalline Diphenylhexatriene: Anisotropic Magnetic Field Effects on Fluorescence in High Fields (2018)
  • Author(s): Kei Ishikawa, Tomoaki Yago, Masanobu Wakasa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Issue: 39 Pages: 22264-22272
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b06026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Spin Exchange Model for Singlet Fission (2018)
  • Author(s): Tomoaki Yago and Masanobu Wakasa
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 695 Pages: 240-244
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2018.02.025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure and dynamics of triplet-exciton pairs generated from singlet fission studied via magnetic field effects (2018)
  • Author(s): Masanobu Wakasa, Tomoaki Yago, Yoriko Sonoda, and Ryuzi Katoh
  • Journal Title: Communications Chemistry Volume: 1 Issue: 1 Pages: 9-9
  • DOI: 10.1038/s42004-018-0008-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Singlet Fission in Fluorinated Diphenylhexatrienes (2017)
  • Author(s): Ryuzi Katoh, Masaaki Hashimoto, Akinori Takahashi, Yoriko Sonoda, Tomoaki Yago, and Masanobu Wakasa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 121 Issue: 46 Pages: 25666-25671
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b06905
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 一重項分裂と三重項融合過程で観測される三重項対の配向 (2020)
  • Author(s): 矢後友暁、田代愛実、石川慶、若狭雅信
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] Low magnetic field effects on triplet pairs (2019)
  • Author(s): Tomoaki Yago
  • Organizer: The 6th Awaji international workshop on electron spin science and technology: Biological and materials science oriented applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Low magnetic field effects on triplet pairs. (2019)
  • Author(s): Tomoaki Yago
  • Organizer: 16th international symposium on spin and magnetic field effects in chemistry and related phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low magnetic field effects on triplet pairs (2019)
  • Author(s): Tomoaki Yago
  • Organizer: 第58回電子スピンサイエンス学会年会
• [Presentation] 9,10-ジフェニルアントラセン単結晶中の T-T 消滅による蛍光に対する磁場効 (2019)
  • Author(s): 長谷川貴一・矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 日本化学会 第99春季年会
• [Presentation] Spin exchange model for singlet fission and triplet energy transfer (2018)
  • Author(s): Tomoaki Yago
  • Organizer: 27th PhotoIUPAC DUBLIN 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The structure of an exchange coupled triplet pair generated by singlet fission in crystalline diphenylhexatriene (2018)
  • Author(s): Tomoaki Yago, Kei Ishikawa, Masanobu Wakasa
  • Organizer: 27th PhotoIUPAC DUBLIN 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シングレットフィッションおよび三重項エネルギー移動に関するスピン交換モデル (2018)
  • Author(s): 矢後友暁
  • Organizer: 2018年光化学討論会
• [Presentation] 磁場効果を用いたシングレットフィッションにおける反応中間体の構造解析と電子的相互作用の計測 (2018)
  • Author(s): 石川慶・矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 第57回電子スピンサイエンス学会年会（
• [Presentation] シングレットフィッションによって生じる三重項対で観測される磁場効果曲線の形状 (2018)
  • Author(s): 矢後友暁・吉田朋美・若狭雅信
  • Organizer: 第57回電子スピンサイエンス学会年
• [Presentation] Characterization of Triplet Pairs Generated by Singlet Fission (2017)
  • Author(s): Tomoaki Yago, Yoriko Sonoda, Kei Ishikawa, Ryuzi Katoh, Masanobu Wakasa
  • Organizer: 5th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications” (5th AWEST 2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characterization of Triplet Pairs Generated by Singlet Fission (2017)
  • Author(s): Tomoaki Yago, Yoriko Sonoda, Kei Ishikawa, Ryuzi Katoh, Masanobu Wakasa
  • Organizer: " 9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛍光強度の磁場効果測定によるシングレットフィッション中間状態である相関三重項対の構造解析 (2017)
  • Author(s): 石川慶・矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] ルブレンのシングレットフィッションに対する高磁場効果 (2017)
  • Author(s): 吉田朋美・矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] シングレットフィッションによって生じる三重項対の分子配向 (2017)
  • Author(s): 矢後友暁・園田与理子・加藤隆二・若狭雅信
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] Characterization of Triplet Pairs Generated by Singlet Fission (2017)
  • Author(s): Tomoaki Yago, Yoriko Sonoda, Kei Ishikawa, Ryuzi Katoh, Masanobu Wakasa
  • Organizer: 15th international symposium on spin and magnetic field effects in chemistry and related phenomena (SCM2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シングレットフィッションによって生じる相関三重項対での磁場効果の角度依存性 (2017)
  • Author(s): 石川慶・矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 第56回電子スピンサイエンス学会年会
• [Presentation] ルブレンおよびテトラセンのシングレットフィッションに対する磁場効果 (2017)
  • Author(s): 吉田朋美・矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 第56回電子スピンサイエンス学会年会
• [Presentation] 光誘起電子移動反応およびシングレットフィッションにおけるスピン選択則 (2017)
  • Author(s): 矢後友暁・若狭雅信
  • Organizer: 第56回電子スピンサイエンス学会年会
• [Presentation] Angular Dependence of Magnetic Field Effect on Correlated Triplet Pairs Generated by Singlet Fission (2017)
  • Author(s): Kei Ishikawa, Tomoaki Yago, Masanobu Wakasa
  • Organizer: The 11th Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Light Induced Triplet Pairs in an Organic Crystal (2017)
  • Author(s): Tomoaki Yago, Kei Ishikawa, Masanobu Wakasa
  • Organizer: The 11th Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 埼玉大学理学部基礎化学科 活動報告/ Annual Reports/若狭研究室2018
  • URL: http://www.chem.saitama-u.ac.jp/wiki/index.php?%E6%B4%BB%E5%8B%95%E5%A0%B1%E5%91%8A%E3%83%BB%E4%BA%88%E5%91%8A%2FAnnual%20Reports%2F%E8%8B%A5%E7%8B%AD%E7%A0%94%E7%A9%B6%E5%AE%A42018
• [Remarks] 活動報告・予告 / Annual Reports/若狭研究室2017
  • URL: http://www.chem.saitama-u.ac.jp/wiki/index.php?%E6%B4%BB%E5%8B%95%E5%A0%B1%E5%91%8A%E3%83%BB%E4%BA%88%E5%91%8A%2FAnnual%20Reports%2F%E8%8B%A5%E7%8B%AD%E7%A0%94%E7%A9%B6%E5%AE%A42017