2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of organic semiconductors and their application to light-emitting devices by means of machine learning approach and quantum chemical calculation
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21H04564
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
内藤 裕義 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90172254)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
麻田 俊雄 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10285314)
小林 隆史 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10342784)
池田 浩 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30211717)
八木 繁幸 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40275277)
小関 史朗 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80252328)
松井 康哲 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90709586)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 機械学習 / 量子化学計算 / デバイスシミュレーション / 燐光発光材料 / 熱活性化遅延蛍光材料 / マイクロフローリアクター / 逆構造有機発光ダイオード / 高速インピーダンス分光系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1) 電荷移動度を求める独自の統計的計算手法であるSuccessive Conduction (SC) モデルにおいて、大きなパイ共役系をもつ分子や対称性が高い大きな分子にも適用できるように拡張した。高速に移動度を計算できるため、分子のスクリーニングにおいて有効である。2) アモルファス有機半導体薄膜において、機械学習により既知の分子構造と電荷移動度を学習させ、所定の電荷移動度をとる分子の特徴を再現する分子骨格を自動生成するシステムを作製している。3)燐光発光材料であるイリジウム錯体の発光スペクトルの形状および強度を理論的に予測するために、最低三重項状態と基底状態との間のスピン軌道相互作用、振動状態を考慮した発光強度を理論的に導出し、発光スペクトルに及ぼす効果について考察した。
4) スルホニル基をアクセプター、アゾール系置換基をドナーとした熱活性化遅延蛍光（TADF）材料の合成を行った。また、独自のTADF材料の溶液および固体における時間分解発光、時間分解IR測定により固体状態で評価した。5) 塗布型ホスト高分子合成のため、高い三重項準位を有する両極性低分子をアクリレート官能基で修飾したモノマーを合成した。6) 14族元素で架橋したビチオフェン二量体を基盤骨格に用いて、赤色～近赤外領域に発光を示すアクセプター/ドナー/アクセプター（A-D-A）型蛍光色素の創出に成功した。7) 深赤色～近赤外領域で発光を示す有機イリジウム(III)錯体の創出に成功した。
8) time-stretched pulse (TSP)を用いたインピーダンス分光系を構築し、数秒でインピーダンススペクトルが測定できることを実証した。
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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
1) 分子軌道の電子密度を定式化することで、拡張型SCモデルを開発した。これにより、実験事実とより整合性がある結果を得ることに成功した。2) 機械学習のため、過去の文献を精査し400分子に及ぶデータベースを作成した。さらに、深層学習により分子の合成容易性と構造形成規則を得た。これらを利用して所定の移動度等の物理量を有する分子構造提案システムを作成できた。3) 燐光材料とともにTADF分子の蛍光スペクトルの形状および強度を理論的に予測するとともに、三重項状態から最低励起一重項状態への逆項間交差による遷移速度定数を理論的に示した。
4) TADF材料の分子構造とコンフォメーション変化の挙動を機械学習により明らかにするため、様々な構造を有する置換基を容易に導入する合成ルートを検討した。5) 1,1':3',1''-ターフェニルおよび2,6-ジフェニルピリジンを基盤骨格とするカルバゾール系p型および両極性有機半導体にアクリレート官能基を導入したモノマーの合成に成功した。6) 炭素、ケイ素、もしくはゲルマニウムで架橋したビチオフェン二量体の両分子末端にジシアノビニレン骨格を導入することで赤色蛍光色素が、また、バルビツリルメチレン骨格を導入することで近赤外蛍光色素がそれぞれ得られた。いずれの色素も赤色および近赤外発光としては高い発光量子収率が得られた。7) 2-アリールキノキサリン類をシクロメタル化配位子に用いることで、トルエン中室温下で662～813 nmに発光極大を示す燐光性ビスシクロメタル化イリジウム(III)錯体が得られた。同錯体の有機発光ダイオード（OLED）からの発光を観測した。
8) 100 Hz以下の低周波で強度が高くなるTSP信号を発生させ、SN比よくインピーダンススペクトルを短時間で測定できることを実証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 拡張したSCモデルは、酔歩モデルを利用して移動度算出を行っている。一方、分子集合体においてKinetic Monte Carlo (KMC) 法を用いて解析した結果は特定の分子対に長時間電荷がトラップされている結果が得られた。酔歩モデルに異方性を導入することによりSCモデルのさらなる高精度化を目指す。2) 深層学習により所定の物理量を有する分子骨格を予測するため、3億以上の分子情報を有するデータベースを用い、環構造を有する分子を抽出し、分子骨格設計に適した手法を開発する。3) TADF分子の蛍光スペクトルの形状および強度をより正確に予測する表式を導出する。また、高い三重項状態からの逆項間交差を考慮した表式を導出する。
4) 発光量子収率を向上させるための分子設計指針を得るため、様々な置換基を導入したTADF材料の合成を行う。また、非対称なドナーを用いて、発光スペクトルの半値全幅を制御するための分子設計指針を明らかにする。5) 当該年度で合成したモノマーは立体障害が大きいため、重合の進行が遅いと推察される。比較的立体障害の小さなp型コモノマーを共重合することで高分子化することを目指す。また、合成したポリマーの電子物性、OLED特性を検討する。6) 当該D-A-D型蛍光色素の光・電子物性を評価し、電子デバイスとしての有用性を吟味する。7) 深赤色燐光を示す錯体の場合、発光量子収率は0.60と良好な値を得たが、近赤外燐光を示す錯体では、発光量子収率は0.17にとどまった。近赤外燐光錯体の発光量子収率の向上を目指して、シクロメタル化配位子および補助配位子の分子設計を検討する。
8) 高速測定が可能になったインピーダンススペクトルから高速で電子物性を評価できるよう機械学習を導入する。9) 光・電子物性を入力し、OLED特性を予測するデバイスシミュレーションを行う。
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[Presentation] Pressure Responsiveness to Fluorescence Properties of Crystals of Organoboron Complexes Possessing the [2.2]Paracyclophane Moiety2021
Author(s)
Shun Irii, Takuya Ogaki, Takumu Ari, Shun Yamamoto, Hana Miyashita, Kazutaka Nobori, Hiroki Iida, Yoshiki Ozawa, Masaaki Abe, Hiroyasu Sato, Eisuke Ohta, Yasunori Matsui, Hiroshi Ikeda
Organizer
2021年光化学討論会
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