2024 Fiscal Year Research-status Report

Micro-spectroscopic investigation of excition dynamics on multi-component molecular nanocrystals exhibiting photon-upconversion properites

Research Project

Project/Area Number	23K04541
Research Institution	Josai University
Principal Investigator	宇和田貴之城西大学, 理学部, 准教授 (30455448)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	橋本雅司城西大学, 理学部, 教授 (10635428)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords	フォトンアップコンバージョン / 三重項-三重項消滅 / 分子結晶 / ナノ粒子 / 顕微分光 / イメージング / ダイナミクス
Outline of Annual Research Achievements	増感剤・発光剤分子間の光励起エネルギー移動に基づく三重項-三重項消滅フォトンアップコンバージョン(TTA-UC)は、太陽光程度の低強度光においても高エネルギー光への変換を実現する。TTA-UCは幅広い応用が期待されており、そのためには固体中における高効率化が急務となる。我々は増感剤と発光剤からなる二成分分子結晶ナノ粒子を基礎とし、そこに更に嵩高い第三の分子を導入することで空気中でも高TTA-UC効率を示すナノ粒子の調製に成功した。この第三の分子によりナノ粒子内では増感剤・発光剤が密集していながらも会合が抑えられ、発光剤間のエネルギー移動、即ち励起子拡散が起きやすくなったと考えられる。本研究ではこのUCナノ粒子について顕微分光イメージングにより単一粒子レベルでTTA-UC励起ダイナミクスを観測することを目的としている。計画初年である昨年度は独自のUCナノ粒子の発光寿命測定を行い、本ナノ粒子の場合はナノ空間に閉じ込められた三重項励起子が効率よく衝突すること、その制御を第三の分子により行っていることを明らかにした。2年目の本年度は粒子内の第三の分子の比率を大幅に増大させUC効率が最大となる条件を探索したところ、第三の分子の存在にも関わらずUC効率は従来を大幅に上回る結果を得た。さらに、発光寿命測定の結果はアクセプター分子がナノ粒子内でよい結晶性を保ち続けていることを示唆していた。すなわち、第三の分子の比率を高めたことはアクセプター分子の配列を乱しておらず、おそらくはクラスター化したアクセプターに対する保護剤のような役割を果たしていると考えられる。達成したUC効率は従来の倍以上と想定を大幅に上回っており、分子結晶性ナノ粒子での達成は画期と考える。また退色も大きく抑えられ、より実用的なものとなったと言ってよい。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究の最終的な目的は、我々独自の嵩高い第三の分子(凝集抑制剤)を加えたUCナノ粒子のTTA-UCダイナミクスを、単一分子分光イメージングの方法論に基づき単一粒子レベルでの観測を実現することにある。そのためにはまず安定にUC発光を示し続けるナノ粒子を調製することが先決であった。さもなくば信号が弱く積算を重ねねばならない単一粒子での測定に耐えられないためであるし、またそれに耐えるほどでなければ測定の意義も弱いものであるからである。しかしながら本年度に第三の分子の濃度を大幅に高めることで安定にUC発光を示し続けるナノ粒子の調製に成功したため、目的に大きく近づいたばかりかナノ粒子の可能性を大きく高めることができた。すなわち、当初の目的に加えてナノ粒子の更なる改善というサブテーマも展開できるようになった。概して達成すべき目標はクリアしており、研究全体として着実に進展している。一刻も早い論文化を目指している。
Strategy for Future Research Activity	計画最終年度は我々独自のTTA-UCを引き起こすドナー・アクセプター分子に更に嵩高い第三の分子(凝集抑制剤)を加えた三成分ナノ粒子の単一粒子レベルでのTTA-UCダイナミクス観測を実現するべく、デュアルカラー発光顕微分光イメージング装置での測定に挑む。ナノ粒子の大幅な改善によりそのための下準備は整ったと言える。また、測定装置の方の構築も順調に進んでいる。一方で我々のナノ粒子の三重項励起子拡散を基礎としたTTA-UCダイナミクスの理解のためには、対比としてナノ粒子という微小空間に閉じ込められた系だけではなく、より広い系、例えば薄膜での測定も必須であると考えられるため、こちらの測定も同時に行ってゆきたいと考えている。試料はナノ粒子調製用の原液をガラス基板にキャストしたものを用いる予定である。並行してTTA-UCダイナミクス解明のフィードバックとして、分担者である橋本雅司教授(城西大学)の協力のもと、UCナノ粒子のドナー、アクセプター、凝集阻止剤の組み合わせと構造を再検討し、より高いUC効率を示すナノ粒子の開発にも挑戦する。
Causes of Carryover	研究が進むことで論文投稿が間に合わなくなったため。翌年度に投稿のために繰り越す。