2021 Fiscal Year Annual Research Report
Interaction in Dynamic Exciton Studied by Electron Spin Polarization Imaging
| Project Area | Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation |
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| Project/Area Number |
20H05835
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
小堀 康博 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (00282038)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 一重項分裂 / 電子スピン分極 / 時間分解電子スピン共鳴 / 光電荷分離 / 有機太陽電池 / 分子振動効果 / 励起子解離 / 構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では有機系分子を中心とした次世代の光エネルギー変換材料の創成に向け、分子機構の解明が重要な有機薄膜系や連結系において、動的エキシトンによるスピン系相互作用をオングストローム領域の三次元映像で可視化し、三重項励起子や電荷分離立体構造による動的機構・電子状態を明らかにした。領域内で連携して過渡種の運動性を特徴づけ、電子スピン分極の三次元画像から、時々刻々変化する励起子対、光電荷分離状態の立体配置、運動性による磁気的相互作用の変化を映像化すると共に、電子的カップリングを定量している。スピン変換、再結合性、電荷解離性や束縛性状態の立体配置と運動性を明らかにする。部位特異的分子運動とその周波数がどのようにスピン変換、電荷分離立体配置や電子的カップリングに寄与するかを紐解き、中間体電子軌道による再結合を有効に制御する電子状態など、分子論的特性によりデバイス高効率化や生命機能開拓への学理を拓いた。分子内シングレットフィッション系では、強く相関した多重励起子からの電子的相互作用による束縛を解く際にかかるねじれ振動モードと周波数を具体的に特徴づけるとともに、それによる解離多重励起子の立体構造の変化も明らかにした。さらに励起子解離による立体構造変化の分子論起源は不明であった。本研究では、電子構造論に基づき双性イオン構造による束縛励起子対からのテラヘルツ振動による開放として、具体的に記述することもできた。有機光触媒開発においては、光誘起電荷分離過程で生成する光触媒分子の電荷分離状態の中間体を特定し触媒サイクル機構を明らかにした。以上より、結晶性と非晶性を併せ持つ有機エレクトロニクス薄膜や有機光触媒のエントロピー効果と運動による電子的効果を用いるデバイス効率飛躍的向上化の知的基盤を獲得し、有機薄膜太陽電池開発で課題となっている超高効率化への指針を提示することができるようになってきた。
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| 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、領域内で連携して過渡種の運動性を特徴づけ、電子スピン分極の三次元画像から、時々刻々変化する励起子対、光電荷分離状態の立体配置、運動性による磁気的相互作用の変化を映像化する。世界最高性能の空間分解能を持つ中間体構造解析の画期的ツールとして独自に開発してきた「電子スピン分極イメージング法」を駆使し、時々刻々と変化する多重励起子や光電荷分離状態の立体配置とその分子運動効果をナノ秒領域の三次元動画 (映像化)として実験的に特徴づける。すでにこの映像化による電荷分離状態などの中間体構造解析の手法を確立しただけでなく、励起子解離による四電子系によるスピン量子効果で生成するスピン相関三重項対機構を確立している。世界ではじめて分子内励起子分裂で生成する多重励起子の解離が、分子内の特定の振動モードによる構造変化によって極めて高い量子収量で起こることを明らかにした。この他、有機太陽電池で生成する光キャリアの立体構造解析や、パルス電子スピン共鳴法を用いた多重励起子スピン量子操作、運動性の解析、有機薄膜における光キャリア生成に対する格子振動効果の観測の解明など、当初の計画を上回るペースにて研究の進捗が加速化している。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、共同研究を加速化し電子スピン分極イメージング法とパルス電子スピン共鳴法を駆使し、高次な一重項分裂機構の解明や、高性能有機薄膜太陽電池における光電荷分離状態の立体構造解析と不均一運動性の分類化をすすめる。励起子分裂系においては、薄膜において生成する多重励起子の解離機構の詳細を明らかにするとともに、四量子ビット系による量子演算操作を試みる。また、新たに金属有機構造体による励起子分裂とそれらの解離過程に対する分子論的解明の研究に着手している。金属有機構造体による分子運動正の制御とそれに伴う量子演算操作系の構築にも取り組む。また、三重項－三重項消滅による光アップコンバージョンの超高効率化をねらいとする多重励起子の分子運動性によるスピン操作や、熱活性化遅延蛍光材料による超高効率スピン変換機構の解明も共同研究により進めている。
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