2022 Fiscal Year Research-status Report
ナノ構造体での励起子分裂および励起子融合の機構解明とその制御
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20K05416
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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, 准教授 (30451735)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | シングレットフィッション / 遅延蛍光 / ナノ粒子 / 磁場効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
既存のシリコン太陽電池においては、1100 nmの光のエネルギーは有効に活用されているが、それより短波長の光においては、光のエネルギーの一部が熱となり電気的なエネルギーに変換されずに放出されている。このようなエネルギーを有効活用できれば、太陽電池の効率の向上が期待される。
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。実際の有機デバイスにおいては、デバイスの効率化のためにデバイスサイズがナノメートルオーダーとなっていることが多い。本研究では、ナノメートルサイズの有機固体において励起子分裂過程がどのように進行するのかを明らかとすることを目的とした。再沈法により、ルブレン、ジフェニルヘキサトリエン、テトラセンのナノ粒子を作成した。磁場下での蛍光測定から有機ナノ粒子中での励起子分裂過程を観測することに成功した。ナノサイズ化することにより、蛍光に対する磁場効果の形状は変化せず、大きさだけが小さくなった。このことは、ナノ結晶ではシングレットフィッションが起きない分子の数が増加していることを示唆している。
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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４年度は、ルブレン、ジフェニルヘキサトリエン、テトラセンを用いて研究を進めた。再沈法により粒径が数百ナノメートルのナノ粒子を含んだ分散液を作成した。昨年度までにナノ粒子において蛍光寿命測定を行い、ナノ粒子においてはバルク結晶と比べて蛍光の減衰が遅くなり長寿命化するという現象を観測した。これは、シングレットフィッションによって生成した、三重項対の寿命が長くなったと解釈した。しかし、３種類の分子において遅延蛍光に関する磁場効果を系統的に観測したところ、どのナノ粒子においても磁場効果の形状は変わらず、その大きさだけが小さくなるという結果を得た。また、ジフェニルヘキサトリエンについては、ナノ粒子においても結晶構造が保持されていた。このことから、ナノ粒子化により結晶構造は変化せず、シングレットフィッションを起こすサイトについては、普通の結晶と同様にシングレットフィッションが進行すると考えている。ただし、シングレットフィッションを起こさないサイトはナノ粒子化により増加する。このようなサイトでは、シングレットフィッションを起こさないため蛍光寿命が増加すると考えられる。観測された蛍光寿命の長寿命化は、励起一重項の寿命が延びたためと結論した。また、シングレットフイッションを起こさないサイトが増えたと考えると、磁場効果が小さくなることも合理的に説明できる。
以上から、ナノ粒子化により有機結晶の結晶系は変化せずシングレットフィッションも普通の結晶と同様に進行することが明らかになった。しかし、ナノ粒子化によりシングレットフィッションを起こさないサイトが増加することもわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、テトラセンおよびジフェニルヘキサトリエンにおいてはナノ粒子化によって大きな結晶構造の変化はないことがわかった。しかし、ルブレンにおいては、様々な結晶系が存在することから、ナノ粒子の結晶系にも様々な可能性が考えられる。
またルブレンにおいては、ナノ粒子を作製する過程でこれまで大きな結晶の作成が難しかった不安定相の結晶の作成に成功した。これらの結晶を用いて、ナノ粒子でのシングレットフイッションに対する結晶系の効果、サイズ効果などを検討し、ルブレンナノ粒子のシングレットフィッションのダイナミクスを詳細に明らかにする予定である。
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| Causes of Carryover |
ルブレンのナノ粒子について、結晶相について詳細に検討する必要性が生じたため。
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