三重項励起子の高効率利用を目指した軽原子のみから構成される新規有機ＥＬ材料の開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J04794
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鈴木 克明 京都大学, 化学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 有機EL / 熱活性遅延蛍光 / ホウ素化学 / 固体発光

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、熱活性遅延蛍光材料に見られる三重項励起子の高効率利用に着目し、高い外部量子効率を示す有機EL素子の開発を目的として、１．分子内配位結合を用いた新規TADF材料の開発、２．固体状態における励起状態の構造制御を利用した新しいTADF型蛍光材料の開発、３．逆転一重項-三重項　(iST) 材料の開発を行ってきた。
四配位ホウ素材料に関して、本年度は申請書記載の計画通り、材料の薄膜物性評価と素子特性の評価を行った。遅延蛍光を示す材料ではあるものの、有機EL素子の外部量子効率は低い値にとどまった。現在、種々の素子構造を検討しており、効率の改善が見られている。
固体発光材料に関して、本年度は、昨年度合成した固体状態においても高い蛍光量子収率を示す三配位ホウ素発光材料について、その蛍光特性評価、有機EL素子評価を進めた。これらの材料は当初予定していた化合物とはやや異なる構造の化合物ではあるが、ホスト材料中において高い蛍光量子収率と小さな一重項-三重項エネルギー差を示す遅延蛍光材料であることが明らかとなった。これら材料を有機EL発光ドーパントとする素子を作製し、特に青色で外部量子効率21%を越えることを明らかにした。
iST材料に関して、本年度は溶液プロセスによる薄膜の作製、有機EL素子の作製に取り組んだ。薄膜作製時に材料の凝集による蛍光量子収率の低下が見られたため、現在凝集を抑えた材料の分子設計・合成進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、固体発光材料に関して、三配位ホウ素骨格を用いて、高い外部量子効率を示す青色有機EL素子を作製することができた。これらの研究は機能性ホウ素化学の分野に大きなインパクトを与えるものであり、そのインパクトの大きさが評価され、上述の結果をまとめた論文がAngew. Chem. Int. Ed紙に採択された。
また、四配位ホウ素材料、iST材料についてもデバイス性能を飛躍的に改善させる見通しを得つつあり、研究は概ね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

前年度までの研究成果を踏まえ、研究を進展させていく。
四配位ホウ素材料については、その外部量子効率の低さの原因が、励起子の再結合領域が金属電極側に偏っていたために起こる金属と光のプラズモン相互作用によるものと、明らかとなりつつある。そこで、今後金属と光のプラズモン相互作用を抑制した有機EL素子を作製し、その特性評価を進めていく。
固体発光材料については、単結晶構造解析を通じて、固体状態における発光効率の高さの原因を解明していく。また、ドナー、あるいはアクセプター部位の修飾により、他の発光色を示す材料の開発にも取り組んでいく。
iST材料について本年度は、薄膜作製時にiST材料のスタッキングにより、蛍光消光が起こり、蛍光量子収率が低くなることを明らかにした。今後、材料設計を見直し、スタッキングを抑制したiST材料の設計・合成を行い、材料の薄膜における光物性、及び有機EL特性を評価していく。

Research Products

• [Journal Article] Purely organic electroluminescent material realizing 100% conversion from electricity to light (2015)
  • Author(s): Kaji, H., Suzuki, H., Fukushima, T., Shizu, K., Suzuki, K., Kubo, S., Komino, T., Oiwa, H., Suzuki, F., Wakamiya, A., Murata, Y. & Adachi, C
  • Journal Title: Nature communication Volume: 6 Pages: 8476-1 8476-6
  • DOI: 10.1038/ncomms9476
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly Efficient Electroluminescence from a Solution-Processable Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter (2015)
  • Author(s): Wada, Y., Shizu, K., Kubo, S., Suzuki, K., Tanaka, H., Adachi, C. & Kaji, H
  • Journal Title: Applied Physics Letter Volume: 107 Pages: 183303-1-4
  • DOI: 110.1063/1.4935237
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Triarylboron-based Fluorescent Organic Light-emitting Diodes with External Quantum Efficiencies Exceeding 20% (2015)
  • Author(s): Suzuki, K., Kubo, S., Shizu, K., Fukushima, T., Wakamiya, A., Murata, Y., Adachi, C. & Kaji, H.
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 54 Pages: 15231 15235
  • DOI: 10.1002/anie.201508270
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 三配位ホウ素骨格に基づいた熱活性化遅延蛍光材料の開発 (2016)
  • Author(s): 鈴木克明、久保勝誠、志津功將、福島達也、若宮淳志、村田靖次郎、安達千波矢、 梶弘典
  • Organizer: 第63会応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] Highly efficient organic light emitting diodes using donor-acceptor type triaryl-boron compounds showing thermally activated delayed fluorescence (2015)
  • Author(s): Katsuaki Suzuki, Shosei Kubo, Katsuyuki Shizu, Atsushi Wakamiya, Tatsuya Fukushima, Yasujiro Murata, Chihaya Adachi, and Hironori Kaji
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research