Creation of quantum molecular electronics by fusion of advanced materials chemistry a nd quantum solid-state physics

• Project/Area Number: 23K20039
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research )
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 安達 千波矢 九州大学, 工学研究院, 教授 (30283245)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金 有洙 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50373296) ; 恩田 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (60272712) ; 畠山 琢次 京都大学, 理学研究科, 教授 (90432319)
• Project Period (FY): 2023-11-17 – 2030-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥682,370,000 (Direct Cost: ¥524,900,000、Indirect Cost: ¥157,470,000); Fiscal Year 2029: ¥108,290,000 (Direct Cost: ¥83,300,000、Indirect Cost: ¥24,990,000); Fiscal Year 2028: ¥108,290,000 (Direct Cost: ¥83,300,000、Indirect Cost: ¥24,990,000); Fiscal Year 2027: ¥108,290,000 (Direct Cost: ¥83,300,000、Indirect Cost: ¥24,990,000); Fiscal Year 2026: ¥108,290,000 (Direct Cost: ¥83,300,000、Indirect Cost: ¥24,990,000); Fiscal Year 2025: ¥108,290,000 (Direct Cost: ¥83,300,000、Indirect Cost: ¥24,990,000); Fiscal Year 2024: ¥104,000,000 (Direct Cost: ¥80,000,000、Indirect Cost: ¥24,000,000); Fiscal Year 2023: ¥36,920,000 (Direct Cost: ¥28,400,000、Indirect Cost: ¥8,520,000)
• Keywords: 量子分子エレクトロニクス / OLED / 有機半導体レーザー / 先進有機デバイス / 有機量子物性 / 有機CT / 有機発光デバイス / 材料化学

Outline of Research at the Start

本国際先導研究では、有機化学研究者と量子物性研究者を融合し、有機CTの科学技術の深化と次世代量子分子エレクトロニクスの創成を進める。第一の目標は、CT現象を基軸に新しい発光分子の創製と発光デバイスへの応用、有機センシングデバイス等への展開を進める。同時に、基礎的な視点から超高速分光、1分子計測技術等による分子の本質的な光電子物性の解明を進める。第二の目標として、封止技術によらず、本質的に水・酸素等と親和性の高い材料・デバイスの構築を進め、自然エネルギー・環境エネルギーで動作するデバイスや自己修復・回復の実現等により、メンテナンスフリーで長期間動作する低環境負荷のデバイスの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、有機化学研究者と物性研究者を融合し、有機CTの科学技術の深化と次世代量子分子エレクトロニクスの創成を目的としている。本提案の第一の着目点は、CT現象を基軸に、新しい発光分子の創製と発光デバイスへの応用、有機センシングデバイス、メモリー、熱電素子、超伝導等への展開、また、基礎的な視点から超高速分光、1分子計測技術等による分子の本質的な光電子物性の解明である。第二の着目点は、ウェラブルデバイスや生体内への埋め込みなど、様々な環境下における有機デバイス（アンビエントエレクトロニクス）技術の本質的な確立である。有機デバイスは、現在、水・酸素等の影響を完全に排除した厳密な環境が必須であるが、今後、その適用範囲を広げるためには、封止技術によらず、本質的に水・酸素等との親和性の高い材料・デバイスの構築が必須である。これが実現できれば、自然エネルギー・環境エネルギーで動作するデバイスや自己修復・回復の実現等により、メンテナンスフリーで長期間動作する低環境負荷のデバイス実現への可能性が広がる。初年度においては、これらの研究目的を推進するための体制づくりを行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

組織化に関して、初年度は、ポスドク（助教）の雇用や大学院生の海外派遣実施に係わる問題点を整理した。また、主要な海外連携先であるSt Andrews大学、CNRS（Sorbonne大学）、Queensland大学）との共同研究実施体制の構築、共同研究契約のひな形づくりを進めた。ポスドク雇用に関しては未だ十分な人員を確保できておらず、令和6年度にもおいても継続して雇用を進めて行く。研究面に関しては、九大（安達研、恩田研）、京大（畠山研）、理研（Kim研）の4研究室で実質的な共同研究を開始した。安達研の若手研究者が中心となり、畠山研で開発したマルチレゾナンス（MR）型TADF分子の1分子における電子状態解析を理研においてSTM技術を用いて進めた。本研究により、MR-TADF分子の詳細な電子状態の理解が進み、次世代のTADF分子の設計指針を得ることができた(ACS Nano投稿中)。さらに、先進MR-TADF分子を用いたOLEDのデバイス化を進めた。電流励起から励起子失活過程までを詳細に解析することで最適なデバイス構造を形成し、これまで報告されているOLEDデバイスの中ではトップクラスの耐久特性を実現した（Nature Comm. (in press))。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、国際共同研究プロジェクトの核となるポスドク（助教）レベルの人員の雇用、コアとなる海外連携先（St Andrews大学、CNRS（Sorbonne大学）、Queensland大学）との共同研究実施体制の構築、大学院生の短期・中期の海外派遣のトライアルを実施し、プロジェクトを推進する上での問題点（共同研究契約、派遣方法、予算執行、アウトリーチ）を整理し、実施体制を構築する。共同研究内容に関しても、各研究機関で十分な議論を行い、量子分子エレクトロニクス分野の方向性を確立させる。さらに、若手研究者の短・長期滞在（出張）プログラムを推進し、プログラムを軌道に載せる。また、準コア大学（モントリオール理工大、蘇州大、トロント大）との研究交流の拡大を検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of St. Andrews(英国)
• [Journal Article] Bright, efficient, and stable pure-green hyperfluorescent organic light-emitting diodes by judicious molecular design (2024)
  • Author(s): Yi-Ting Lee, Chin-Yiu Chan, Nanami Matsuno, Shigetada Uemura, Susumu Oda, Masakazu Kondo, Rangani Wathsala Weerasinghe, Yanmei Hu, Gerardus N. Iswara Lestanto, Youichi Tsuchiya, Yufang Li, Takuji Hatakeyama, Chihaya Adachi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 3174-3174
  • DOI: 10.1038/s41467-024-47482-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 多重共鳴効果を鍵とした高効率有機EL素子の開発 (2024)
  • Author(s): 畠山琢次
  • Organizer: 野口遵研究助成金講演会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超高速時間分解分光を用いた無機・有機材料の光化学過程の解明 (2024)
  • Author(s): 恩田健
  • Organizer: 超セラミックス：分子が拓く無機材料のフロンティア 公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Time-resolved Spectroscopic Studies on Fundamental Processes in Photofunctional Materials (2024)
  • Author(s): Ken Onda
  • Organizer: Bio-Inspired Wonders and Energy Innovations: OIST-Kyudai Joint Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 時間分解分光を用いた光機能性材料の動的過程の解明 (2024)
  • Author(s): 恩田健
  • Organizer: 第2回 再生可能資源の利用に資する固体触媒技術の動向研究会
  • Invited
• [Presentation] Time-resolved Spectroscopic Studies on Emissive Processes in Organic Light Emitting Diode (2024)
  • Author(s): Ken Onda
  • Organizer: The 11th Shanghai-Tokyo Advanced Research Symposium on Ultrafast Intense Laser Science (STAR11)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of laser wavelength tunability by distributed feed-back resonator dimensions (2024)
  • Author(s): B.S. B. Karunathilaka, Nobuhiro Takeishi, Chihaya Adachi
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ホストおよびゲスト分子の重水素化による NIR-OLEDの高効率化 (2024)
  • Author(s): 田村結花、中野谷一、安達千波矢
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Highly efficient carbazole-based host material to improve molecular orientation for organic light-emitting diodes (2024)
  • Author(s): Bhagya Madushani, Masashi Mamada, Kenichi Goushi, Hiroshi Katagiri, Hajime Nakanotani, Takuji Hatakeyama, Chihaya Adachi
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 可溶性有機半導体レーザー材料の開発 (2024)
  • Author(s): 嘉屋有晟、Fabrice Mathevet、安達千波矢
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Unique exciplex characteristics formed by simultaneous excitation of donor and acceptor units (2024)
  • Author(s): Tharindu P. B. Rajakaruna, Xun Tang, Hajime Nakanotani, Chihaya Adachi
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Efficient Metal Free Deep Blue Multi Resonance Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter for High Performance Organic Light Emitting Diodes (2024)
  • Author(s): Wathsala Weerasinghe, S. M. Suresh, D. Hall, T. Matulaitis, A. M. Z. Slawin, S. Warriner, Y. T. Lee, C-Y. Chan, Y. Tsuchiya, E. Zysman-Colman, C. Adachi
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 有機熱電デバイスの原理検証と高性能化 (2024)
  • Author(s): 亀山真奈、近藤駿、今岡健太郎、Yoko Shimoi、Fabrice Mathevet、藤原隆、後藤博史、中野谷一、八尋正幸、安達千波矢
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] NDI含有HOF構造の高導電特性 (2024)
  • Author(s): 今岡健太郎、小野利和、Fabrice Mathevet、安達千波矢
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Judicious Design of Pyridine-based Hosts for Stable, Efficient, and Low-Driving Thermally Activated Delayed Fluorescence Organic Light-Emitting Diodes (2024)
  • Author(s): Yanmei Hu, Alexander Civil, Yufang Li, Gerardus N. Iswara Lestanto, Youichi Tsuchiya, Chin-Yiu Chan, Chihaya Adachi
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 木幡真太郎、中野谷一、安達千波矢 (2024)
  • Author(s): 熱活性化遅延蛍光分子におけるアンチストークス発光
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 特異な熱挙動を示すTADF材料の包括的速度論解析 (2024)
  • Author(s): 土屋陽一、水越啓斗、西郷将生、笠僚宏、宮田潔志、恩田健、安達千波矢
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Development of p-Extended for MR-TADF Materials (2023)
  • Author(s): Takuji Hatakeyama
  • Organizer: A-COE 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多重共鳴効果を用いた高色純度TADF材料の開発 (2023)
  • Author(s): 畠山琢次
  • Organizer: 有機EL討論会 第37回例会
  • Int'l Joint Research / Invited