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分子科学的アプローチによる有機デバイスの劣化抑制

Research Project

Project/Area Number 23K04879
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 35030:Organic functional materials-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

儘田 正史  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60625854)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords有機EL / OLED / 熱活性化遅延蛍光 / TADF / 逆交換交差 / 有機半導体デバイス / 有機エレクトロニクス / 有機発光ダイオード / 有機半導体レーザー
Outline of Research at the Start

有機ELは実用化されディスプレイとしての地位を確立しており,関連する様々な新技術も開発されてきた。しかし,効率を大幅に向上できる熱活性化遅延蛍光や究極の色純度が可能となる有機半導体レーザーなどは魅力的な将来展望とは裏腹に,実用化に至っていない。その原因は素子耐久性の低さにあり,安定性の向上は有機デバイスにおける最重要課題である。有機分子に起因した多くの劣化メカニズムが示唆されているが,分子構造の特徴との直接的な相関はほとんど理解できておらず,分解や失活を含めた励起子過程の全貌や励起子-ポーラロン相互作用の影響などの解明を進める。

Outline of Annual Research Achievements

熱活性化遅延蛍光(TADF)や有機半導体レーザーといった新技術を実用化するためには、高効率であるだけでなく高い耐久性を示すことが極めて重要であり、有機デバイスの素子劣化のメカニズムを明らかにしながら、具体的な分子構造へとフィードバックすることが求められている。この際に、分子の励起状態やポーラロン状態などがどのように劣化を引き起こすか、また、励起子過程のどの段階が劣化経路に強く結びついているかといった基礎的知見は、今後の分子設計において極めて重要となる。
R5年度の研究において、発光材料の構造や励起状態が安定性に及ぼす影響について研究を実施した。具体的には、複数のドナーが密集したマルチドナー型TADFが高い安定性を示すと期待し、新規化合物を合成するとともに、シングルドナー型TADF分子との比較を行った。分子の励起状態エネルギーやTADFの効率を同等に揃えることで構造と安定性の相関を適切に比較した。その結果、同じドナー基をもつ場合、マルチドナー型分子の方が高い安定性を示すこと、特定のドナー基がラジカルアニオン状態で低い安定性を示すことを明らかとした(Sci. Rep. 2023, 13, 7644)。また、結晶材料を使うことでこれまで不可能であった励起状態ダイナミクスの比較検討を行った。TADFにおける主要過程である逆交換交差(RISC)を高速化することで劣化を抑制できると考えられているが、RISCを向上させるためには分子構造や分子間相互作用などを変える必要があり、RISCの大小のみの影響を直接比較することはできなかった。しかし、同一の材料を同じ相互作用をもつ結晶状態で、ゲスト分子の有無によって励起子過程を制御することに成功した。その結果、RISCのわずかな向上は耐久性向上に寄与しないことが明らかとなった(J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 5221)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究では、有機デバイスの劣化を有機半導体材料の具体的な分子構造と結びつけることを目指しており、R5年度の検討においても不安定性の原因となる構造や耐久性を向上しうる構造を明らかとしている。また、高速RISCにより耐久性の向上を目指すよりも、励起状態やラジカルアニオン/カチオン状態での安定性を高めることが、より効率的に長寿命素子の開発につながるといった方向性を示した。個別の成果は学術誌に報告しており、また、様々な取組みを同時に進めており、それらについても成果を得つつある。以上の研究進捗状況より、本年度までの研究進捗状況は計画以上に進展していると自己判断した。

Strategy for Future Research Activity

R5年度は、発光材料における分子構造や励起子過程の安定性に関する検討を行い、様々な知見を得ている。一方、有機ELでは発光材料と組み合わせるホスト材料や発光層と接する電荷輸送材料など多岐にわたる材料を用いており、これらが低いデバイス耐久性のボトルネックとなっている可能性がある。そのため、革新的なホストや電荷輸送材料を創出することで、高性能デバイスの開発を進める。また、新規有機レーザー材料を創出し評価を進めることで、より過酷な条件下から分子の安定性を俯瞰する。有機発光材料の多様な分子構造と安定性の知見を蓄積することを進める。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2024 2023

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Multiple donor-acceptor design for highly luminescent and stable thermally activated delayed fluorescence emitters2023

    • Author(s)
      Madushani Bhagya、Mamada Masashi、Goushi Kenichi、Nguyen Thanh Ba、Nakanotani Hajime、Kaji Hironori、Adachi Chihaya
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7644-7644

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34623-9

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of Hydrogen Bonding on Thermally Activated Delayed Fluorescence Behaviors Based on a Study of Hydrate Crystals2023

    • Author(s)
      Mamada Masashi、Katagiri Hiroshi、Adachi Chihaya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 14 Issue: 22 Pages: 5221-5225

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c00915

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ベンゾビスチアゾール誘導体のホウ素架橋と光学特性2024

    • Author(s)
      内田崚太、儘田 正史、畠山 琢次
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Highly efficient carbazole-based host material to improve molecular orientation for organic light-emitting diodes2024

    • Author(s)
      Bhagya Madushani, Masashi Mamada, Chihaya Adachi
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 高効率・長寿命青色OLEDのための新規HBL/ETL材料の素子評価2023

    • Author(s)
      桐山汐音、儘田正史、合志憲一、安達千波矢
    • Organizer
      有機EL討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] マルチドナー型TADF分子における立体障害の効果2023

    • Author(s)
      矢田佐和子、儘田正史、安達千波矢
    • Organizer
      第60回化学関連支部合同九州大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Stable singlet biradical compounds for potential application in organic electronic devices2023

    • Author(s)
      Masashi Mamada
    • Organizer
      CEMS Topical Meeting on Chemistry of π-Conjugated Materials
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Multiple donor-acceptor design for highly luminescent and stable thermally activated delayed fluorescence emitters2023

    • Author(s)
      Bhagya Madushani, Masashi Mamada, Chihaya Adachi
    • Organizer
      International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stabilities of TADF molecules based on multiple donor-acceptor design2023

    • Author(s)
      Bhagya Madushani, Masashi Mamada, Chihaya Adachi
    • Organizer
      The 15th Asian Conference on Organic Electronics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 次世代有機光デバイスのための分子技術2023

    • Author(s)
      儘田正史
    • Organizer
      RIMED 第25回研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 有機EL素子への応用を志向したπ電子系材料の開発2023

    • Author(s)
      儘田正史
    • Organizer
      第16 回有機π電子系シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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