Search for organic quantum dot emission using molecular-control mold technology

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00232
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 藤掛 英夫 東北大学, 工学研究科, 教授 (20643331)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柴田 陽生 東北大学, 工学研究科, 助教 (70771880) ; 石鍋 隆宏 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30361132)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 有機量子ドット / 有機蛍光色素単結晶 / 光ナノインプリント法 / 分子制御モールド / 静電スプレイ法

Outline of Annual Research Achievements

ディスプレイ・照明の技術分野では、光利用効率、色純度、演色性などを高めるため、中心波長や帯域制御など、発光波長を自在に変えられる材料・素子が求められている。そのための既存の無機量子ドット蛍光体は、発光効率向上、狭帯域化、寿命改善、脱カドミウムなどの課題を抱える。そこで本研究では、分子設計の自由度が大きい有機蛍光色素の微結晶サイズをナノサイズに規定することで、有機量子ドットの発光現象を確認することを目的とした。ここでは、微小な穴に有機蛍光色素の溶液を満たし、孤立した単結晶の成長を促進して、微結晶サイズを高精度に制御することを目指す。
初年度は、数百nmスケールの穴構造を形成した分子制御モールドを作製するとともに、有機蛍光色素の選択や基板の表面濡れ性を用いた単結晶成長の制御を行った。モールドの試作では、超微細加工が可能な半導体用加工技術を用いて、合成石英基板に様々なサイズの微小穴を作製できた。
また、本研究で用いる有機蛍光色素や有機溶媒を検討するため、溶媒揮発に伴う結晶成長の観察を行った。蛍光色素としては、有機溶媒に溶けやすい低分子量の棒状分子構造を選択して、溶液から単結晶が成長することを確認した。さらに、溶液の凝集を精密に制御するため、親水性（フッ素樹脂）と疎水部（ポリイミド膜）を設けた基板に、蛍光色素入りの溶液を塗布して、溶媒を揮発させた。これにより、親水部に溶液が凝集して結晶化が促進されることを確認した。
上記の実験結果を踏まえて、表面濡れ性制御を用いた結晶育成法と微小穴の表面構造を組み合わせれば、蛍光色素の微小単結晶の均一形成が可能になると思われる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度の目標は、ナノサイズの蛍光色素を結晶成長させるための分子制御モールド（微小穴）を作製することであった。高分子製でなく合成ガラスの基板であるが、微細な穴構造を有する分子制御モールドの作製を達成することができた。また、本研究に必要な有機蛍光色素やそれに適した有機溶剤を見い出すことができた。さらに、それらを用いた場合の単結晶成長の挙動を把握できた。これらの実験結果により、おおむね目標が達成できたと考える。

Strategy for Future Research Activity

２年目は、初年度で作製した子制御モールドの微小穴を用いて、有機蛍光色素の微結晶を作製することを目標とする。サイズが様々に規定されたモールドの微小穴に微結晶を育成するため、有機溶媒に溶かした蛍光色素溶液の液滴を、静電スプレイ法などの塗布法により充填する。その際に、微小穴に溶液が凝集しやすいように、表面濡れ性の制御についても検討する。静電スプレイ法では、マイクロミストコーターのノズルの放電により、吐出溶液の液滴が帯電するため、自発的に溶液ミストが微小化しやすい特徴がある。