有機発光材料の動的エキシトン過程の理解と機能開拓

• Project Area: Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
• Project/Area Number: 21H05401
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 儘田 正史 九州大学, 工学研究院, 助教 (60625854)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: ドナーアクセプタ / 熱活性化遅延蛍光 / 有機半導体レーザー / 有機発光ダイオード / 自然放射増幅光 / 有機レーザー / エレクトロルミネッセンス / ドナーアクセプター

Outline of Research at the Start

ドナーアクセプタ相互作用は、有機発光ダイオードの高効率化に向けて注目されている熱活性化遅延蛍光(TADF)の発現の鍵となっている。TADFの性能を左右する一重項-三重項エネルギーギャップ(ST gap)や逆交換交差過程については理解が進みつつあるが、放射速度も含めた分子構造や分子軌道との相関は完全に明らかとなっていない。放射速度が大きいTADF材料、つまりST gapが小さいにもかかわらず振動子強度が大きい材料にも着目することで、ドナーアクセプタ分子における電荷移動(CT)型励起状態の性質と励起子過程について理解を深める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、熱活性化遅延蛍光(TADF)分子においてあまり議論されてこなかった振動子強度について着目し、その理解と制御、およびレーザー特性の発現という機能化を目指した。本来相反するパラメータである小さな一重項-三重項エネルギーギャップ(ST gap)と大きな放射速度定数を示す材料について探索を行い、前年度までに、単純なD-A構造でありながら0.2 eV以下のST gapと10^8 s^-1以上の放射速度定数を示す材料を見出し、自然放射増幅光(ASE)の観測に成功した。本年度は類似のドナーやアクセプタ構造を持つ化合物や、異なる結合位置でD-Aを連結した化合物など、8種類の誘導体についての検討を進めた。ドナー性を強めた化合物では、ST gapが減少した一方、放射速度定数の増加や遅延蛍光成分の減少などが見られ、通常のD-A化合物とは異なる傾向を示した。用いるホスト材料の違いで放射速度が大きく異なる化合物もあり、ST gapとは独立して放射速度定数を向上できる可能性が示唆された。
さらに、D-A分子とは異なる設計に基づくTADF分子である多重共鳴効果(MRE)型のDABNA-2を用いて、レーザーデバイスの最適化を行った。その結果、これまで報告されたTADF分子では最も低いレーザーしきい値を実証した。これは、蛍光色素のレーザーしきい値に匹敵する値であり、三重項励起子のレーザー発振への活用の可能性が高まった。そこで、連続光発振についての実験も行ったが、レーザー発振を観測することができなかった。これは、用いたレーザー光源に対する吸収率が低いことが原因と考えられたため、類似のMRE化合物であるDABNA-NPを用いた三元膜を作製し、MRE分子からMRE分子へのエネルギー移動を初めて実証し、低いしきい値を維持しながら吸収率を向上させることに成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
• [Journal Article] A very low lasing threshold of DABNA derivatives with DFB structures (2023)
  • Author(s): Mamada Masashi、Maedera Satoshi、Oda Susumu、Nguyen Thanh Ba、Nakanotani Hajime、Hatakeyama Takuji、Adachi Chihaya
  • Journal Title: Materials Chemistry Frontiers Volume: 7 Issue: 2 Pages: 259-266
  • DOI: 10.1039/d2qm01040b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly Efficient Deep‐Blue Organic Light‐Emitting Diodes Based on Rational Molecular Design and Device Engineering (2022)
  • Author(s): Mamada Masashi、Katagiri Hiroshi、Chan Chin‐Yiu、Lee Yi‐Ting、Goushi Kenichi、Nakanotani Hajime、Hatakeyama Takuji、Adachi Chihaya
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 32 Issue: 32 Pages: 2204352-2204352
  • DOI: 10.1002/adfm.202204352
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unexpected role of hole and electron blocking interlayers controlling charge carrier injection and transport in TADF based blue organic light-emitting diodes (2022)
  • Author(s): Mamada Masashi、Adachi Chihaya
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 121 Issue: 13 Pages: 131103-131103
  • DOI: 10.1063/5.0100373
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-performance solution-processed red hyperfluorescent OLEDs based on cibalackrot (2022)
  • Author(s): Wallwork Nicholle R.、Mamada Masashi、Shukla Atul、McGregor Sarah K. M.、Adachi Chihaya、Namdas Ebinazar B.、Lo Shih-Chun
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry C Volume: 10 Issue: 12 Pages: 4767-4774
  • DOI: 10.1039/d1tc04937b
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cibalackrot Dendrimers for Hyperfluorescent Organic Light‐Emitting Diodes (2022)
  • Author(s): Wallwork Nicholle R.、Mamada Masashi、Keto Angus B.、McGregor Sarah K. M.、Shukla Atul、Adachi Chihaya、Krenske Elizabeth H.、Namdas Ebinazar B.、Lo Shih‐Chun
  • Journal Title: Macromolecular Rapid Communications Volume: - Issue: 16 Pages: 2200118-2200118
  • DOI: 10.1002/marc.202200118
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis, Aromaticity, and Application of peri‐Pentacenopentacene: Localized Representation of Benzenoid Aromatic Compounds (2021)
  • Author(s): Jousselin‐Oba Tanguy、Mamada Masashi、Wright Karen、Marrot Jerome、Adachi Chihaya、Yassar Abderrahim、Frigoli Michel
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/anie.202112794
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 弱アクセプター構造を用いた深青TADF 材料の創出とOLED 特性 (2022)
  • Author(s): 儘田正史、片桐 洋史、Chan Chin-Yiu、Lee Yi-Ting、合志 憲一、中野谷 一、畠山 琢次、安達 千波矢
  • Organizer: 光化学討論会