2020 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of operation mechanisms of next-generation high-luminance organic light-emitting devices
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19K21955
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
丸本 一弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (50293668)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機発光デバイス / 素子動作機構 / 電子スピン共鳴 / 発光電気化学セル / 有機イオントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は発光電気化学セル（LEC）の素子動作機構を分子レベルで解明し、素子高特性化を目指すことを目的とする。電荷ドーピング状態や形成過程等について電子スピン共鳴（ESR）分光によるオペランド直接観測を行い、従来手法では成し得なかった微視的な観点からLECの動作機構の解明を行う。
初年度は青色発光Hostポリマーと三重項-三重項消滅（TTA）ポリマーを用いたLEC素子を作製し、Hostポリマーの場合は、p型ドーピング後にn型ドーピングが、TTAポリマーの場合は、n型ドーピング後にp型ドーピングがそれぞれ進行するドーピング過程を見出している。今年度は、初年度の研究を確立させると共に、HostポリマーとTTAポリマーの両方を発光層に用いて、発光ダイオードと同様に発光過程にTTAを利用したLEC素子を作製し、オペランドESR研究を進め、ホスト・ゲスト系のドーピング過程を研究した。更に、HostポリマーやTTAポリマーのカチオンとアニオンの密度汎関数理論（DFT）計算を行い、観測されているESR信号の結果と比較することで、上記の3つのLECの電荷ドーピング過程を確立した。
また、熱活性化遅延蛍光（TADF）材料3ACR-TRZを用いたLECのESR研究も実施した。ホスト材料CBPのみ用いたCBP-LEC、TADF材料のみを用いた3ACR-TRZ -LEC、ホスト材料とTADF材料の両方を用いたCBP:3ACR-TRZ-LECの3種類のLECのオペランドESR測定を行い、印加電圧下のESR測定を行い、発光に伴いESR信号の増加を観測した。それぞれのESR信号のFitting結果とDFT計算結果を用いて、印加電圧上昇と共に増加するCBPカチオン、3ACR-TRZカチオン、CBPアニオン、3ACR-TRZアニオンの信号を同定し、これら3つのLECの電荷ドーピング過程を解明することが出来た。
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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
本年度、新たにCBP-LEC、3ACR-TRZ-LEC、CBP:3ACR-TRZ-LECの3種類のLEC等も作製し、発光に伴う電荷ドーピング状態について微視的な観点での解明を行うために、オペランドESR測定等を行った。
まず、電流密度-電圧-輝度特性評価で、電極界面での電気二重層の形成過程と電荷ドーピング過程を観測することができた。発光については、同じ材料を用いたOLEDと同様な緑色発光を確認できた。なお、今回、ESR信号の同定を行いやすくするために、通常使用される正孔輸送層PEDOT:PSSを使用せずにLECを作製したため、輝度は低かった。
CBP-LEC、3ACR-TRZ-LEC、CBP:3ACR-TRZ-LECのESR信号はバイアス変化に伴い変化し、ESR信号から算出したスピン数により、電荷ドーピング状態の変化が立証された。3種類のLECのESR信号から得られたFitting結果とDFT計算結果を比較して、ESR信号の変化はそれぞれの発光材料のホールと電子によるドーピングに由来することが分かり、ドーピング過程を考察することができた。CBP-LECに関しては、発光開始までCBPカチオン由来の信号が観測され、発光直前からCBPアニオン由来の信号も追加で観測された。3ACR-TRZ-LECに関しては、発光開始まで3ACR-TZRカチオン由来の信号が観測され、発光開始から3ACR-TZRアニオン由来の信号も追加で観測された。CBP:3ACR-TRZ-LECに関しては発光前にCBPカチオンと3ACR-TRZカチオン由来の信号が観測され、発光開始からCBPアニオンと3ACR-TRZアニオン由来の信号が追加で観測された。
これらの結果はTADF材料を用いたホスト・ゲスト系のLECの電荷ドーピング状態についてより深い知見を与え、今後のデバイス性能向上に一助となると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、令和2年度の研究を発展させると共に、更に新たなTADF材料（例えばDACT-II等）や燐光材料（例えばIr(ppy)3等）を用いたLECのESR研究にも取り組み、LECにおける電荷ドーピング状態を確立する。また、異なるイオン液体（例えば[THA][BF4]等）や、異なる光活性層のホール輸送材料（例えばPVK等）や電子輸送材料（例えばOXD-7等）を使用して、LECの素子構造を変化させ、どのような電荷ドーピング過程が生じているのか、比較研究も進める。これまでのLECのESR研究により、発光に伴い電荷ドーピングに由来するスピン数の増加を観測しており、LECでは電極界面だけでなく、バルク材料全体に電荷ドーピングが進んでいることが示されている。そして、印可電圧の変化に伴い、異なる材料におけるカチオンやアニオンの電荷ドーピング状態を明らかに出来ている。上記の異なる発光材料や素子構造についてオペランドESR研究を実施し、これらの現象が普遍的に得られるのかを明らかにする。そして、LECのドーピング過程の解析により、LECの動作機構の本質を分子レベルのミクロな観点から理解し、LECの系統的な電荷状態の解明や発光原理の解明を進める。更には素子特性向上のため、得られた情報に基づいて素子材料・構造の選定やホスト・ゲストの配合比等を最適化し、更なる高効率なLECの開発を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は、新型コロナウィルスの流行により、参加予定の学会が中止になったため。
使用計画は、次年度に参加予定の学会の参加費に使用する予定である。
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