2020 Fiscal Year Annual Research Report
Three-Dimension Visualizations of Electron Spin Polarization for Elucidating Molecular Motion Effect of Geometries of Multiexciton and Charge-Separated States
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19H00888
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大西 洋 神戸大学, 理学研究科, 教授 (20213803)
池田 浩 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30211717)
羽會部 卓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70418698)
松木 陽 大阪大学, 蛋白質研究所, 准教授 (70551498)
濱田 守彦 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (70827948)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 励起子分裂 / 電子スピン分極 / エントロピー / 中間体立体構造 / 振電効果 / 多重励起子 / スピン相関三重項対 / 有機薄膜太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単一の光子から複数の三重項励起子を生むシングレットフィッション(一重項分裂)は有機薄膜太陽電池において飛躍的に高い光エネルギー変換効率をもたらす現象として世界的に注目されている。本研究では、時間分解電子スピン共鳴法をベースに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」を主たる手法とし、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。
固体材料として、TIPSペンタセンのスピンコート膜を作成し様々な温度において時間分解電子スピン共鳴スペクトルを観測した。すでに我々が報告しているスピン相関三重項対モデルを用いた解析に従って、励起子分裂の解離(T+T)による立体配置を特徴づけると共に、解離速度に対する温度効果を得ることができた。このデータを元にした解析により、結晶性固体薄膜中での解離に対する活性化パラメータの定量化をすすめている。
分担者の羽曾部から提供を受けたペンタセン連結ダイマーやテトラセン連結ダイマーについて、時間分解電子スピン共鳴計測をおこなうとともに、多重励起子生成直後の分子内振動効果を考慮に入れた電子スピン分極解析を行った。これにより五重項多重励起子の生成に対し有効となる分子内振動モード、立体配置が明らかになった。さらにスピン相関三重項モデルによる解析をすすめ、分子内でT+Tによる完全解離状態での立体構造と電子的相互作用を明らかにすることにも成功した。この完全解離について、五重項励起子の解析で明らかになったねじれ振動運動が活性化因子として役割を果たすことが明確になった。
ZnS半導体ナノ粒子の光照射で生成する長寿命電荷生成機構を電子スピン共鳴法で明らかにした。ナノ粒子内のナノ秒電荷ホッピングによる解離が明らかになった。
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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
シングレットフィッション(SF)と、後続する②界面電荷分離過程で生成する中間体の立体構造を極めて高い空間分解能であるオングストローム領域で三次元映像として動画表示することが、デバイス高効率化に導く電子状態、エントロピー効果および分子運動性の明確な指針を得る上で重要である。ナノ秒時間分解電子スピン分極イメージングの解析プログラムが既に完成されているだけでなく、分子間および分子内励起子分裂で生じた多重励起子の観測並びにその温度効果観測を進め、具体的な立体構造や運動モードの理解が当初計画よりも進んでいるだけでなく、半導体ナノ粒子のキャリアダイナミクスへの応用も進んでおり当初の計画以上の進展が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
シングレットフィッション(SF)と、後続する②界面電荷分離過程で生成する中間体の立体構造を極めて高い空間分解能であるオングストローム領域で三次元映像として動画表示するため、さらに具体的な映像化プログラムの作成を進める。これとともに共同研究を積極的にすすめ、さら種々の励起子分裂材料についての構造や運動性解析とともに活性化エンタルピー、活性化エントロピーの特定や解離の活性化に寄与する振動モードおよび周波数の特定を進める。
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