2019 Fiscal Year Research-status Report
Structural Analysis on Short-Lived Triplet Pairs Generated by Singlet Fission
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17K05742
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
矢後 友暁 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (30451735)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | シングレットフィッション / トリプレットフュージョン / 蛍光 / 磁場効果 / 有機結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シングレットフィッション（励起子分裂）とは、一つの光励起状態（一重項）から二つの光励起状態（三重項）が生成する現象のことである。この励起子分裂を利用すると、太陽電池の効率を向上させることが可能である。励起子分裂を用いたスキームにおいては、（1）はじめに分子が短波長の光を吸収する。（2）励起子分裂が起こり、エネルギーが低い励起状態が二つ生成する。（3）励起状態のエネルギーが太陽電池の駆動に必要なエネルギーにマッチしているため、二つの励起状態エネルギーどちらもが電気エネルギーに変換される。したがって、この波長での太陽電池の変換効率は励起子分裂がない場合に比べ倍となり、太陽電池の効率化が達成される。
このような励起子分裂の最適化するためには、その機構を明らかにすることが重要である。しかし、励起子分裂を効率よく起こす材料はいまだ少なくその機構は明らかにされていない。本研究では、励起子分裂の機構を明らかにする第一歩として、励起子分裂過程において生成する二つの励起状態がカップルした状態を観測し特定することを目的とし研究を行った。磁場下での蛍光測定から有機結晶中での励起状態対の構造を特定することに成功した。令和一年度は、シングレットフィッションの逆過程であるトリプレットフュージョン（三重項励起子融合）の磁場効果の観測を高磁場まで行った。得られた磁場効果のパターンは、シングレットフィッションで観測された磁場効果のパターンと異なっており、三重項励起子のダイナミクスが二つの過程で異なっていることが明らかになった。また、低磁場で観測される磁場効果に関して理論的な考察を行い、低磁場での磁場効果の観測から傘寿項対の構造を類推できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和一年度は、アントラセンおよびジフェニルアントラセン（DPA）の有機結晶を用いて
赤色の光の照射により、蛍光を観測した。この過程では、基底状態から直接励起三重項を生成し、トリプレットフュージョンにより遅延蛍光が観測される。実験および理論的解析より、レベルクロス機構による磁場効果のパターンが三重項対の配向と磁場の向きに強く依存することを見出した。このことは、レベルクロスによる磁場効果の観測から交換相互作用が働く相関三重項対の構造を決定できることを意味していた。単結晶において磁場効果の磁場方向依存性を詳細に検討し、相関三重項対の構造を決定した。決定された構造は二つの三重項が平行となる配置であった。この結果は、シングレットフィッションで観測された分子の配向と異なっており、シングレットフィッションとトリプレットフュージョンでは、異なった配向の三重項対が生成していることを示唆している。これは、効率の良いシングレットフィッション材料、トリプレットフュージョン材料を構築するうえで重要な指針となると考えられる。
また、理論的な考察から低磁場領域の磁場効果が、三重項対の構造の情報を含んでいることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和二年度は、さらに理論的な考察を進め、低磁場効果の観測から三重項対の構造を決定する方法を確立する予定である。
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| Causes of Carryover |
本研究では、超伝導磁石を用いた高磁場までの磁場効果を観測し、シングレットフィッションやトリプレットフュージョン過程の反応中間体である、三重項対の構造決定を行った。しかし、磁場効果の結果の解析を進めていくうえで、低磁場の磁場効果も三重項対の構造の情報を含むことが明らかになった。これは、本研究で見つかった新たな知見である。この方向でさらなる研究を進めるには新たな時間と実験が必要となった。そのため、次年度額生じた。次年度は、低磁場領域での磁場効果測定およびその解析を行う。
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