2019 Fiscal Year Annual Research Report
高次励起状態から発光する分子設計と光エネルギー材料への応用
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18H02046
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
平田 修造 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (20552227)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | Kasha則 / 高次一重項励起状態 / 内部項間 / 光アップコンバージョン / 2光子吸収 / 分子軌道 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高次励起状態(Sn)が最低励起状態(S1)にまで高速に緩和する分子光化学の概念は、新しい光化学過程を材料中に構築していく上での大きな障害となっている。本研究ではそのような根本的な問題を解決する分子設計を提案するとともに連続光下での光アップコンバージョンに向けた材料開発を行う。具体的には基底状態とS1は一部電子軌道のオーバーラップが生じるが、特定のSnとS1の電子軌道は分離された分子群を開発する。この分子ではSnからS1における電子緩和過程が遅くなる結果、Snの寿命が長くなりSnからの高効率蛍光が期待される。Snの電子状態を制御することで、現象論ではなくSnから蛍光を示す物理化学を構築する。さらにそのような分子を剛直ホストにドープした際の最低励起三重項状態を経由した2段階吸収過程による光アップコンバージョン発光を検証する。本研究では、通常孤立分子では生じないとされる弱い連続光下での非線形光化学の新しい研究分野の土台を構築していく上でも重要な研究になる。
現在までに、緑色のナノ秒パルスによる2段階吸収を通して高次励起状態が形成されると高次励起状態から青色蛍光を示すことが見いだされた。2光子吸収による光アップコンバージョン特性は、これまでに報告されているどの非共鳴型の2光子吸収分子よりも大きいものであった。上記分子を用いた小型のナノ秒光パルスレーザーで3次元発光を実証した。いくつかの分子は固体薄膜にドープすると、10倍程度弱い光でのPUCが生じた。その向上は一重項励起状態寿命が薄膜中の方が10倍程度向上していることに由来していることを確認した。
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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
高次励起状態(Sn)や最低一重項励起状態(S1)の電子軌道が制御された分子を計算科学により設計しそれら分子を各種合成した。これらの分子の多くは、直接紫外線励起をしてSnを形成するとSnから青色蛍光を示さないが、緑色のナノ秒パルスによる2段階吸収を通して高次励起状態が形成されると高次励起状態から青色蛍光を示すことが見いだされた。S1を経由する過程で、分子のコンフォメーションが大きく変化し、その状態を保持しながら高次励起状態を形成していることに由来していること量子化学計算を用いて明らかにした。
さらに合成した分子の一部の2光子吸収による光アップコンバージョン特性は、これまでに報告されているどの非共鳴型の2光子吸収分子よりも大きく、ナノ秒光パルス下で最も強く光アップコンバージョンを示す分子を開発することに成功した。Snからの蛍光量子収率から、この大きな光アップコンバージョン特性は、緑色の実吸収によりS1が効率よく形成され、その後S1からSnへの2段階目の吸収が効率よく生じる2段階吸収による大きな2光子吸収特性に基づくものであることが確認された。上記分子を用いた小型のナノ秒光パルスレーザーで3次元発光を実証した。
さらにいくつかの分子では、溶液中ではなく蒸着法を用いて固体薄膜にドープすると、10倍程度弱い光でのPUCが生じた。その向上は一重項励起状態寿命が薄膜中の方が10倍程度向上していることに由来していることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに合成した分子は、既存の最大の2光子吸収断面積を示す分子に対して、ナノ秒光パルスに対して10000万倍程度の2光子吸収能力を示すが、Snからの蛍光量子収率は依然として1%以下と小さい。そのため、最終年度はSnからの蛍光量子収率を大きく改善するために、SnとS1の軌道が完全に重ならない分子を設計し、これまでに比べ、非常に弱いナノ秒パルス光で光アップコンバージョン発光が生じる分子を目指す。
また剛直な固体ホスト中でSnから蛍光を示す分子骨格にて、剛直なホストバインダーにドープされた薄膜を作製する。その薄膜に532 nmの連続光を照射した際の光アップコンバージョン特性の有無を計測する。その薄膜中の分子の三重項励起状態寿命および、T1から高次三重項励起状態への吸収スペクトルを過渡吸収測定により測定する。三重項状態から再び一重項状態に高次励起状態を経由して逆項間交差が生じないかを検証する。
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Research Products
(12 results)
