Spatiotemporal Analysis of Dynamic Exciton by Solid-State NMR

• Project Area: Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
• Project/Area Number: 20H05837
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鈴木 克明 京都大学, 化学研究所, 助教 (90747859)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥47,450,000 (Direct Cost: ¥36,500,000、Indirect Cost: ¥10,950,000); Fiscal Year 2024: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2023: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2020: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
• Keywords: 動的エキシトン / 固体NMR / 非晶 / 有機EL / 有機薄膜太陽電池 / 有機太陽電池 / 時空間解析 / 有機デバイス

Outline of Research at the Start

固体核磁気共鳴法(固体NMR)は、幅広い固体材料に対して原子レベルの分解能で構造・運動情報を与えてくれる優れた解析手法である。本研究では、固体NMRを用い、動的エキシトンを形成する種々のドナー-アクセプター(D-A)構造体について、その構造や運動の精密解析を行う。これらの研究により、電子励起状態、電荷分離など、動的エキシトンのダイナミクスと、材料の動的構造との相関解明に取り組む。相分離構造や分子コンフォメーション、またそれらの運動性を含めた包括的な精密解析を通し、領域内の共同研究により、D-Aモデル系、有機デバイス、合成および生命機能開拓に向けた、動的エキシトンの学理構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、A03梶との共同研究を進め、熱活性遅延蛍光（TADF）材料のコンフォメーション解析を進めた。具体的には、ドナー-アクセプター間のねじれ角について、分布を含めた解析を行うためのNMRシミュレーションを行い、13C, 2HラベルしたTADF材料の合成、固体NMR測定を行い、非晶膜中におけるをねじれ角の分布を明らかにすることができた。
さらにドナーアクセプター型のTADF材料について、その連結部にあるベンゼン環の運動と発光特性の相関を解明するために、TADF分子の各原子における化学シフト異方性測定を行い、現在その解析を進めている。
また、本年度はNMRのノイズ除去法を新たに開発した。本手法を用いることによりNMR解析の精密化、測定時間の短縮、使用サンプル量の低減が期待される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は主に、A03梶との共同研究を進め、有機電界効果トランジスタに用いるドナー・アクセプター混合物の構造解析を行った。TADF材料のコンフォメーション解析に関しても、二次元固体NMRの測定結果とシミュレーション結果との比較からねじれ角の分布に踏み込んだ解析を行うことができた。また、TADF材料の運動性解析に関しては、測定データは得られたもののノイズが多く詳細な解析が困難であった。そこで新たな展開としてNMRのノイズ除去法を開発にまで至った。この手法はESR等のNMR以外の測定法にも展開可能である。
以上のことから研究はおおむね順調に進んでいると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

本年度に開発したNMRのノイズ除去法は、1次元測定に加え2次元にも適用可能であり、通常長時間を要するNMR測定時間の短縮、サンプル量の低減が可能である。加えてESR測定やラマン分光測定等にも応用することが可能であるため、今後、共同研究としてA02小堀や山方のデータ解析に展開していく。

Research Products

• [Journal Article] Thioxanthone-containing blue thermally activated delayed fluorescent emitter (2023)
  • Author(s): Natsuko Kanno, Yongxia Ren, Yu Kusakabe, Katsuaki Suzuki, Katsuyuki Shizu, Hiroyuki Tanaka, Yoshimasa Wada, Hiromichi Nakagawa, Jan Geldsetzer, and Hironori Kaji
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 16 Issue: 1 Pages: 11006-11006
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acb3ad
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Donor-Acceptor 10-Cycloparaphenylene and Its Use as an Emitter in an Organic Light-Emitting Diode (2023)
  • Author(s): Dongyang Chen, Yoshimasa Wada, Yu Kusakabe, Liansheng Sun, Eiichi Kayahara, Katsuaki Suzuki, Hiroyuki Tanaka, Shigeru Yamago, Hironori Kaji, and Eli Zysman-Colman
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 25 Issue: 6 Pages: 998-1002
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.3c00127
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic nuclear polarization - nuclear magnetic resonance for analyzing surface functional groups on carbonaceous materials (2023)
  • Author(s): Hideka Ando, Katsuaki Suzuki, Hironori Kaji, Takashi Kambe, Yuta Nishina,Chiyu Nakano, Kazuma Gotoh
  • Journal Title: Carbon Volume: 206 Pages: 84-93
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2023.02.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imidazole Acceptor for Both Vacuum-Processable and Solution-Processable Efficient Blue Thermally Activated Delayed Fluorescence (2022)
  • Author(s): Yu Kusakabe, Yoshimasa Wada, Tomoya Misono, Katsuaki Suzuki, Katsuyuki Shizu and Hironori Kaji
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 19 Pages: 16740-16745
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c01308
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Near-infrared-red-orange thermally activated delayed fluorescence emitters using a strong tetracoordinated difluoroboronated acceptor (2022)
  • Author(s): Yongxia Ren, Hiromichi Nakagawa, Katsuaki Suzuki, Weizhe Hu and Hironori Kaji
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 61 Issue: 8 Pages: 081001-081001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac7a7c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Band-like Transport of Charge Carriers in Oriented Two-Dimensional Conjugated Covalent Organic Frameworks (2022)
  • Author(s): Ghosh Samrat、Tsutsui Yusuke、Kawaguchi Takahiro、Matsuda Wakana、Nagano Shusaku、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Seki Shu
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 34 Issue: 2 Pages: 736-745
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03533
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <i>N</i>-Adamantylphthalimide-based Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter for Solution-processed Organic Light-emitting Diodes (2021)
  • Author(s): Shibano Masaya、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Takano Toshiyuki
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 50 Issue: 12 Pages: 1953-1955
  • DOI: 10.1246/cl.210446
  • NAID: 130008131975
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near-Unity Singlet Fission on a Quantum Dot Initiated by Resonant Energy Transfer (2021)
  • Author(s): J. Zhang, H. Sakai, K. Suzuki, T. Hasobe, N. V. Tkachenko, I. Chang, K. Hyeon-Deuk, H. Kaji, T. Teranishi, and M. Sakamoto
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 143 Issue: 42 Pages: 17388-17394
  • DOI: 10.1021/jacs.1c04731
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multichromophore Molecular Design for Efficient Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters with Near-Unity Photoluminescence Quantum Yields (2021)
  • Author(s): Chen, D., Kusakabe, Y., Ren, Y., Sun, D., Rajamalli, P., Wada, Y., Suzuki, K., Kaji, H. and Zysman-Colman, E.
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 86 Issue: 17 Pages: 11531-11544
  • DOI: 10.1021/acs.joc.1c01101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient blue thermally activated delayed fluorescence emitters showing very fast reverse intersystem crossing (2021)
  • Author(s): Ren, Y., Wada, Y., Suzuki, K., Kusakabe, Y., Geldsetzer, J. and Kaji, H.
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 14 Issue: 7 Pages: 0710031-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac06df
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of Prime Factors to Maximize the Photocatalytic Hydrogen Evolution of Covalent Organic Frameworks (2020)
  • Author(s): Ghosh, S., Nakada, A., Springer, M.A., Kawaguchi, T., Suzuki, K., Kaji, H., Baburin, I., Kuc, A., Heine, T., Suzuki, H., Abe, R. and Seki, S.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: - Pages: 9752-9762
  • DOI: 10.1021/jacs.0c02633
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermally Activated Delayed Fluorescence Benzyl Cellulose Derivatives for Nondoped Organic Light-Emitting Diodes (2020)
  • Author(s): Shibano, M., Ochiai, H., Suzuki, K., Kamitakahara, H., Kaji, H. and Takano, T
  • Journal Title: Macromolecules Volume: - Issue: 8 Pages: 2864-2873
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.9b02644
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高効率TADF分子の開発と固体NMRによる有機非晶材料の構造解析 (2023)
  • Author(s): ○鈴木 克明, 梶 弘典
  • Organizer: International CPL and CPEL Conference 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] チオキサントンを用いた新規熱活性化遅延蛍光材料の開発 (2023)
  • Author(s): 〇菅野 奈都子, Ren Yongxia, 日下部 悠, 鈴木 克明, 志津 功將, 和田 啓幹, Geldsetzer Jan, 梶 弘典
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Structural Analysis of Organic Semiconducting Materials By Solid State NMR (2022)
  • Author(s): K. Suzuki , H. Kaji
  • Organizer: 241st ECS Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 固体 NMR による有機 EL 発光材料の定量的非晶構造解析 (2022)
  • Author(s): ○梶 弘典 、鈴木 克明
  • Organizer: 第 61 回 NMR 討論会（2022)
  • Invited
• [Presentation] Molecular scale analysis of charge transport in organic amorphous systems by multiscale simulation (2022)
  • Author(s): Hiroki Sato, Hironori Kaji
  • Organizer: ICEL2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thioxanthone‐containing Blue Thermally Activated Delayed Fluorescent Emitter (2022)
  • Author(s): Natsuko Kanno, Yongxia Ren, Yu Kusakabe, Katsuaki Suzuki, Katsuyuki Shizu, Hiroyuki Tanaka,
  • Organizer: ICEL2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Molecular Design Achieving Very Fast Reverse Intersystem Crossing (2021)
  • Author(s): Yongxia Ren, Yoshimasa Wada, Katsuaki Suzuki, Yu Kusakabe, Jan Geldsetzer, Hironori Kaji
  • Organizer: The 13th Asian Conference on Organic Electronics (A-COE2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体 NMR を用いた有機半導体材料の分子配向解析 (2021)
  • Author(s): 鈴木 克明, 梶 弘典
  • Organizer: 2021年光化学討論会
  • Invited
• [Presentation] Thioxanthone-based efficient blue thermally activated delayed fluorescence emitter showing very fast reverse intersystem crossing (2021)
  • Author(s): Yongxia Ren, Yoshimasa Wada, Katsuaki Suzuki, Yu Kusakabe, Jan Geldsetzer, Hironori Kaji
  • Organizer: 「有機ＥＬ討論会」第３３回例会・１５周年記念公開シンポジウム
• [Presentation] Achieving very fast reverse intersystem crossing by heavy atom effect (2021)
  • Author(s): Yongxia Ren, Yoshimasa Wada, Katsuaki Suzuki, Yu Kusakabe, Jan Geldsetzer,Hironori Kaji
  • Organizer: The 6th International TADF Workshop
  • Int'l Joint Research