Investigation of mechanisms of thermally activated delayed fluorescence using multi-excitation transient spectroscopy

• Project/Area Number: 19K15508
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Miyata Kiyoshi 九州大学, 理学研究院, 助教 (80808056)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 光機能性材料 / 熱活性化遅延蛍光 / 超高速分光 / 高次励起状態 / 光化学 / 励起状態ダイナミクス / 機能性発光分子材料 / 熱活性遅延蛍光 / 時間分解赤外分光 / 有機EL / 時間分解発光分光

Outline of Research at the Start

逆項間交差を利用した有機ELは発光効率を劇的に増大させるブレークスルー技術として期待されているが、分子レベルでの原理が明らかになっておらず材料開発の指針が必ずしも確立していない。また、逆項間交差は特殊なS1-T1変換過程として分子科学の観点からも非常に興味深いにもかかわらず、超高速分光を適用した詳細な研究は非常に限られている。本課題では、逆項間交差の微視的な機構を、近赤外‐中赤外領域の超短パルス光を利用した多段階励起の実験により、逆項間交差過程における高励起三重項状態の役割を分子科学的な観点から明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

To elucidate the mechanism of thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials at the molecular level, we developed two approaches in parallel: 1) experimental observation of vibrational spectra of excited states using time-resolved infrared spectroscopy, and 2) observation of higher-order excited states by applying the pump-push-probe method. We elucidated the changes in the molecular conformation upon excitation of multi-resonant TADF molecules and donor-acceptor molecules. We also constructed a pump-push-probe system, and were able to detect the dynamics of some TADF molecules from the higher-order triplet excited state.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

熱活性化遅延蛍光材料は未来のエレクトロニクスを拓く可能性のある重要な物質群であり、今回この材料群の分子レベルでの設計指針に繋がる知見が得られたのは価値が高い。特に分子の高次励起状態の分析は最先端の科学でも未踏学術領域の一つであり、今回測定手法を開発できた点は今後の分子エレクトロニクスに限らず光化学反応など多くの光励起状態を利用する現象のメカニズム解明につながる可能性がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] St. Andrews University(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Queensland(オーストラリア)
• [Journal Article] Coordination geometrical effect on LMCT-depended energy transfer processes of luminescent Eu(III) complexes (2021)
  • Author(s): Pedro Paulo Ferreira da Rosa, Shiori Miyazaki, Haruna Sakamoto, Yuichi Kitagawa, Kiyoshi Miyata, Tomoko Akama, Masato Kobayashi, Koji Fushimi, Ken Onda, Tetsuya Taketsugu, Yasuchika Hasegawa
  • Journal Title: J Phys. Chem. A Volume: 125 Issue: 1 Pages: 209-217
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.0c09337
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intramolecular-Rotation Driven Triplet-to-Singlet Upconversion and Fluctuation Induced Fluorescence Activation in Linearly-Connected Donor-Accepter Molecules (2020)
  • Author(s): Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Masaki Saigo, Youichi Tsuchiya, Chihaya Adachi, Ken Onda
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 153 Issue: 20 Pages: 204702-204702
  • DOI: 10.1063/5.0029608
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual Energy Transfer Pathways from an Antenna Ligand to Lanthanide Ion in Trivalent Europium Complexes with Phosphine-Oxide Bridges (2020)
  • Author(s): Shiori Miyazaki, Kiyoshi Miyata, Haruna Sakamoto, Fumiya Suzue, Yuichi Kitagawa, Yasuchika Hasegawa, Ken Onda
  • Journal Title: J. Phys. Chem. A Volume: 124 Issue: 33 Pages: 6601-6606
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.0c02224
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vapor Switching of the Luminescence Mechanism in a Re(v) Complex (2020)
  • Author(s): Kenta Sasaki, Hitomi Yamate, Haruka Yoshino, Hiroki Miura, Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Ken Onda, Ryo Ohtani, Masaaki Ohba
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 56 Issue: 85 Pages: 12961-12964
  • DOI: 10.1039/d0cc05462c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liquid-like dielectric response is an origin of long polaron lifetime exceeding 10 μ s in lead bromide perovskites (2020)
  • Author(s): Kiyoshi Miyata, Ryota Nagaoka, Masaki Hada, Takanori Tanaka, Ryuji Mishima, Taihei Kuroda, Sota Sueta, Takumi Iida, Yoshifumi Yamashita, Takeshi Nishikawa, Kenji Tsuruta, Yasuhiko Hayashi, Ken Onda, Toshihiko Kiwa, Takashi Teranishi
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 152 Issue: 8 Pages: 084704-084704
  • DOI: 10.1063/1.5127993
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective Reduction Mechanism of Graphene Oxide Driven by the Photon Mode versus the Thermal Mode (2019)
  • Author(s): M. Hada, K. Miyata, S. Ohmura, Y. Arashida, K. Ichiyanagi, I. Katayama, T. Suzuki, W. Chen, S. Mizote, T. Sawa, T. Yokoya, T. Seki, J. Matsuo, T. Tokunaga, C. Itoh, K. Tsuruta, R. Fukaya, S. Nozawa, S. Adachi, J. Takeda, K. Onda, S. Koshihara, Y. Hayashi, Y. Nishina
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 13 Issue: 9 Pages: 10103-10112
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b03060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 二重発光性有機発光材料の励起状態構造と緩和ダイナミクス (2021)
  • Author(s): 笠 僚宏、下田 侑史、西郷 将生、福田 凌大、宮田 潔志、土屋 陽一、中野谷 一、安達 千波矢、恩田 健
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会
• [Presentation] ドナー・アクセプター型分子の多孔性シリカへの光誘起吸着と光物性変化 (2021)
  • Author(s): 田村 徹、Raj Kumar Koninti、宮田 潔志、土屋 陽一、安達 千波矢、恩田 健
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会
• [Presentation] 時間分解赤外分光から考案する逆項間交差と発光効率を両立するための構造揺らぎの積極利用戦略 (2020)
  • Author(s): 宮田 潔志、下田 侑史、西郷 将生、笠 僚宏、土屋 陽一、中野谷 一、安達 千波矢、恩田 健
  • Organizer: 第31回有機EL討論会
• [Presentation] 励起状態における分子立体構造変化を実時間追跡する時間分解分光 (2020)
  • Author(s): 宮田 潔志、恩田 健
  • Organizer: 新学術領域第一回若手交流オンラインセミナー
• [Presentation] 超高速分光で追跡する希土類複合体のエネルギー移動過程 (2020)
  • Author(s): 宮田 潔志、宮崎 栞、杉岡 寛爾、北川 裕一、長谷川 靖哉、恩田 健
  • Organizer: 複合系の光機能研究会 オンラインライジングスター研究会
• [Presentation] Thermally activated delayed fluorescence under internal/external structural restriction (2020)
  • Author(s): MIYATA, Kiyoshi; SHIMODA, Yuushi; KONINTI, Raj Kumar; SAIGO, Masaki; TAMURA, Tetsu; TSUCHIYA, Youichi; NAKANOTANI, Hajime; ADACHI, Chihaya; ONDA, Ken
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] Direct observation of ultrafast structural dynamics of emergent materials for optoelectronics (2020)
  • Author(s): Kiyoshi Miyata, Ken Onda
  • Organizer: The 11th Asian Conference on Ultrafast Phenomena
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超高速分光で検出する分子性材料の超高速電子／構造ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 宮田 潔志、Xiaoyang Zhu、恩田 健
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 超高速分光で探る熱活性化遅延蛍光材料の光励起構造ダイナミクスと発光特性の関連 (2019)
  • Author(s): 宮田潔志、西郷将生、下田侑史、中野谷一、安達千波矢、恩田健
  • Organizer: 第31回配位化合物の光化学討論会
• [Presentation] Real-time observation of concerted electron-phonon dynamics in organic materials for optoelectronics (2019)
  • Author(s): Kiyoshi Miyata, Masaki Saigo, Yuushi Shimoda, Hajime Nakanotani, Chihaya Adachi, Yuki Kurashige, Kazuya Watanabe, Yoshiyasu Matsumoto, Ken Onda
  • Organizer: CEMS topical meeting on Organic Photoelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超高速振動分光で見る光機能性材料の励起状態ダイナミクス：協奏的に生じる電子／構造ダイナミクスの理解を目指して (2019)
  • Author(s): 宮田潔志、恩田健
  • Organizer: 九重分子科学セミナー2019
  • Invited
• [Presentation] Real-time observation of ultrafast structural dynamics in functional molecules using time-resolved infrared spectroscopy (2019)
  • Author(s): Kiyoshi Miyata, Ken Onda
  • Organizer: 15th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments
  • Int'l Joint Research / Invited