2022 Fiscal Year Annual Research Report

量子ドット-有機分子配列構造に基づく新規光捕集系の構築

Research Project

Project/Area Number	22J22173
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Kwansei Gakuin University
Principal Investigator	久保直輝関西学院大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2022-04-22 – 2025-03-31
Keywords	量子ドット / 超分子集合体 / 自己集合 / エネルギー移動 / 電子移動 / 有機無機ハイブリッド
Outline of Annual Research Achievements	量子ドットは、優れた光捕集能を有するため、太陽電池などの光電子デバイス材料として非常に魅力的である。しかし、デバイスで重要となる固体状態では、光捕集によって生成した励起子は拡散中に消滅し、材料としての性能が低下してしまう。本研究の目的は、量子ドットの層と有機分子集合体の層がナノメートルレベルで交互に並んだ配列構造を構築することで、量子ドット層で生成した励起子が消滅する前に、有機分子層へのエネルギー移動・電子移動を誘起することである。この目的を達成するために、本年度は「量子ドット-有機分子配列構造の構築」に関して、以下の研究項目を遂行した。 1.配列構造の構築に向けたペリレンビスイミド誘導体集合構造の構築目的とした量子ドット-有機分子配列構造を得るには、鋳型となる有機分子集合構造の作製が必要である。そこでまず、有機分子として、量子ドットへの吸着部位となるカルボキシ基を両端に有するペリレンビスイミド誘導体（PBI）を合成した。吸収・発光スペクトルより、PBIは低極性溶媒中においてπ-πスタッキングしていることが分かり、集合構造の形成が示唆された。さらに、透過型電子顕微鏡（TEM）観察より、集合初期では速度論的に形成された粒状集合体（集合体A）が形成し、時間経過によりシート構造（集合体B）へ成長することが明らかになった。 2.量子ドット-有機分子配列構造の構築量子ドットとして直径8 nmのペロブスカイト型CsPbBr3ナノ結晶を合成し、上記で得られた2種のPBI集合体（集合体A,B）とそれぞれ混合した。TEM観察により、それぞれ異なる共集合構造が形成されることが明らかとなり、CsPbBr3ナノ結晶と混合するPBIの集合状態を調節することで、最終的に形成する共集合構造が制御可能であることを明らかにした。さらに、吸収スペクトル解析より、共集合メカニズムについての知見も得ることに成功した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の研究計画通り、量子ドットの層と有機分子集合体の層が交互に並んだ配列構造を構築することに成功した。この配列構造は、量子ドットへの吸着部位を有するナノサイズの有機分子集合体と、量子ドットを混合することで得られた。また、吸収スペクトル測定により、その形成メカニズムについても知見を得ることができた。さらに、ナノ構造の異なる2種類の有機分子集合体と量子ドットの組み合わせを検討し、混合する有機分子の集合構造が結果として得られる量子ドット-有機分子共集合構造に与える影響を明らかにした。これらの成果は、本研究で着目する配列構造を意図して作り分けることが可能であることを意味しており、次年度以降につながる重要な知見と言える。したがって、本年度の研究はおおむね順調に進展していると考える。
Strategy for Future Research Activity	量子ドット-有機分子配列構造の構築に成功したため、今後は当初の計画通り、配列構造内でのエネルギー移動・電子移動の評価に取り組む。まず、配列構造の正確な光物性評価を可能にするため、より高収率に配列構造が構築される条件を検討する。前年度では、混合する有機分子の集合構造が、形成される量子ドット-有機分子共集合構造に与える影響を調査するため、集合構造が時間変化するPBIを用いた。しかし、目的とした配列構造の構築には、安定したナノサイズのPBI集合構造を得ることが望ましい。そこで、分子デザイン、および集合構造の作製条件（溶媒や濃度）の検討により、ナノサイズのPBI集合構造の選択的な形成を狙う。作製したPBI集合体の溶液に量子ドット（CsPbBr3ナノ結晶）を加えることで、高収率な配列構造の構築を試みる。その後、得られた配列構造について、吸収・発光スペクトル、発光寿命を測定することで、配列構造内でのエネルギー移動を評価する。また、量子ドット-PBI間の距離を短くすることで、電子移動が起こると期待される。そこで、アルキル鎖の短いPBIを新たに合成し、量子ドット-PBI間の距離を短くした配列構造の構築を試みる。その後、得られた配列構造について、発光寿命測定、および過渡吸収測定を行うことで、配列構造内での電子移動を評価する。