2021 Fiscal Year Research-status Report
Innovative light emitting device using chiral induced spin selective effects
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20K21167
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
西川 浩之 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (40264585)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 円偏光発光 / キラル誘起スピン選択 / キラル伝導体 / 発光デバイス / CP-OLED / キラル輸送材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
円偏光を発光する円偏光有機発光ダイオード(CP-OLED)の電荷輸送層にキラル誘起スピン選択性効果を導入することにより，高い電界円偏光発光特性を示すCP-OLEDの開発を目的としている。昨年度は凝集誘起増強円偏光発光材料であるキラルなペリレンジイミド誘導体，(R,R)-および(S,S)-BPPをCPL発光材料として用いた有機ELを最適化するため，キラルBPPと種々のホスト材料とを組み合わせた薄膜の光物性ならびにポリビニルカルバゾールを用いたホスト-ゲスト型デバイスの作製を行ったが，EL特性の向上は見られなかった。本年度は，キラルBPPが発光性ポリマーのキラルドーバントとして働く可能性があることに着目し，ホスト材としてポリフルオレン誘導体PFOを用いた薄膜のキラルドープを行った。その結果，PFOをキラルBPPでドープした薄膜では，アキラルなPFOの発光バンドでCPLを観測することに成功した。現在，このキラルドープ薄膜のデバイス化を試みているところである。
また，昨年度はキラル誘起スピン選択性効果を発現させるため，キラルなホール輸送材料の合成に着手し，ｐ型半導体として知られるポリチオフェンの側鎖にキラリティを導入した高分子の合成を行った。このキラルポリチオフェン誘導体のFETデバイスを作製しホール輸送能を評価したところ，ｐ型半導体の応答を確認でき，移動度も既報の値と概ね一致した。しかしキラルポリチオフェンのCDスペクトルは，その強度は非常に小さくキラル誘起スピン選択性効果はあまり期待できない。CD強度が小さかった原因は，側鎖のキラリティがポリマー主鎖から離れているためであると考えられる。そこで，キラリティがポリマー主鎖に直結した輸送材料として，PEDOTのエチレンジオキシ部位にアルキル基を導入したキラルPEDOTの合成に着手した。導入する置換基としてアルキルスルホ基を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題で柱となる研究項目は，円偏光を発光する有機ELデバイスであるCP-OLEDの作製である。これまでにキラルなペリレンジイミド誘導体をCPLエミッターとして用いた発光デバイスの作製には成功しているものの，そのデバイス特性が低いことが大きな課題であった。デバイス特性を向上させるためには，嫌気下でデバイス作製ができるシステムが必要である。そのような装置としてグローブボックスと真空蒸着装置が連結した装置の購入を初年度に計画していたが，購入の契約段階で事務的な不備があったことから，本年度の納品となってしまい，本年度後半にようやく装置の立ち上げが終了した。そのため，研究計画の遂行におおよそ１年の遅れが生じている。新たに導入した嫌気下でデバイス作製ができるシステムを用いてデバイス作製することにより，デバイスの特性，特にデバイスの寿命を大幅に向上させることに成功した。また今年度は，キラル発光体をゲストに用いたホスト‐ゲスト型のデバイスという発想を転換し，キラルBPPをアキラルな高性能発光ポリマーへのキラルドーバントとして用いることに焦点をあて，アキラルなPFO誘導体から比較的高い円偏光発光特性を有するCPLの取り出しにも成功した。
キラルBPPを用いたデバイスの特性，特にデバイスの寿命の向上は達成できたものの，デバイスの輝度は十分ではない。このような微弱な発光強度のデバイスに対しても，その円偏光特性を評価することは重要である。本研究課題では微弱な電界発光に対しても，円偏光発光特性が評価できる装置として，左右円偏光成分の同時測定系の開発も行っている。CPLの基準となる標準サンプルとして，キラルなEu錯体のクロロホルム溶液のCPLを，光励起により測定することに成功した。円偏光特性である非対称因子の値も既報の値と一致している。この測定システムおよび測定方法については特許出願を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，キラル発光体をゲストに用いたホスト‐ゲスト型のデバイスという発想を転換し，キラルBPPをアキラルな高性能発光ポリマーへのキラルドーバントとして用いることに焦点をあて，アキラルなPFO誘導体から比較的高い円偏光発光特性を有するCPLの取り出しにも成功した。次年度はアキラルな発光性ポリマーとしてPFO誘導体以外のポリマー，例えばF8BTなどを検討するとともに，キラルドーパントとしてキラルBPP以外のキラル化合物を探索する。これらキラルドープ型薄膜の光学特性を評価し，円偏光特性が大きかった組み合わせについて，適宜デバイス化を行いCPEL特性を評価する。
また本年度は，キラルなホール輸送材料として，ポリマーの側鎖にキラルな長鎖アルキル基を導入したポリチオフェンを合成し，ホール輸送材料としての適性を確認した。その結果，ホール輸送能はFETデバイスを構築することにより確認できたものの，CD測定からキラリティが反映する特性は大きくないことが明らかとなった。キラルポリチオフェンは中性分子であることから，FET構造では半導体特性を示すものの中性では絶縁体である。したがってホール輸送材料として利用するには，有機ELデバイスで広く用いられているPEDOT:PSSのようにアクセプターによるドープが必要となる。この点を改善するため，PEDOTにアルキルスルホ基を導入し，ポリマー主鎖へのキラリティの導入と自己ドープによる高伝導化を同時に満たす材料の開発を行う。現在，予備的な実験ではあるもののキラルなPEDOT誘導体の合成に成功している。今後，キラルPEDOTの光学特性，伝導特性を明らかにし，キラル誘起スピン選択性効果を導入したデバイスにおけるホール輸送材料としての可能性を検討する。また，電子輸送材料として，発光強度が十分に弱いキラルペリレンジイミド誘導体について検討するための実験を行う。
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| Causes of Carryover |
初年度に購入予定であった発光デバイスを嫌気下で作製するために必要であるグローブボックスと真空蒸着装置が一体化した装置が，大学側の事務手続き上の不備により，初年度に納品できず本年度の納品になってしまった。また，納入後当初のスペックでは嫌気下でのデバイス作製に必要な条件が十分でないことが判明したことから，本装置にガス精製装置を追加で連結した。そのため実際に稼働し始めたのが本年度後半であったことから，デバイス作製に必要な消耗品の予算消化にも遅れが生じたため，令和３年度に未使用額が生じた。本年度，デバイス作製に必要なグローブボックスと真空蒸着装置が連結した装置が立ち上がったので，令和４年度は，立ち上がった装置を用いて，研究計画に記載している各種デバイスの作製と物性評価を行い，研究計画の遅れを取り戻すべく研究課題の遂行を実現する。
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