配位子交換を用いた全塗布型超高性能ペロブスカイト量子ドットLEDの開発

• 研究課題/領域番号: 19J21788
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分28030:ナノ材料科学関連
• 研究機関: 山形大学
• 研究代表者: 江部 日南子 山形大学, 有機材料システム研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2021年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2019年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: ペロブスカイト / 量子ドット / 発光デバイス / 表面修飾処理 / エネルギー移動 / LED / 全塗布型多積層技術 / 架橋性配位子

研究開始時の研究の概要

ペロブスカイト量子ドット(QD)は、色純度の高い発光スペクトルと高い発光量子収率、アニオン組成制御による全可視領域の発光波長の再現など際立った特徴をもち、次世代発光材料として注目されている。一方で、アルキル配位子により上層塗布溶媒に対し高い溶解性を示し、全塗布型ペロブスカイトQD-LEDの開発は極めて困難な課題である。また、絶縁性アルキル配位子により厚膜化した際の駆動電圧が著しく増加するため極薄膜(10nm)に制限され、励起子-電荷の相互作用による消光が高性能化の大きな妨げとなっている。本研究では、QD表面の配位子制御により高密度集積化を実現し、ペロブスカイトQD-LEDの高性能化を目指す。

研究実績の概要

本年度は、QD間エネルギー移動および表面修飾処理により高効率・長寿命ペロブスカイト量子ドット(QD)-LEDを開発した。
まず、非放射失活の速度 (~数十ns) を大きく上回る、QD間エネルギー移動 (~数ps)を用いることで、赤色ペロブスカイトQD-LEDの高性能化に成功した。本研究では、粒径制御によりそれぞれのバンドギャップを調整し、ドナー・アクセプター混合膜における光物性および電子物性への影響を検討した。ドナー・アクセプター混合膜において、非放射失活の抑制により、優れた発光量子収率を達成した。また、励起スペクトルよりドナーからアクセプターQDへエネルギー移動が生じていることを確認した。さらに、ドナー・アクセプター混合膜を用いて作製したLEDにおいて、外部量子効率の向上に成功し、ドナー・アクセプターQD間エネルギー移動が発光量子収率およびデバイス性能の向上に有用であることを明らかにした。
次に、QDの粒径制御およびグアニジウムカチオン置換による表面修飾処理により優れた相安定性を有するCsPbI3 QDの合成とQD-LEDの高性能化を試みた。赤色発光を示すCsPbI3 QD は、比較的小さい有効イオン半径を有するCsにより、室温に置いて歪みを持つ不安定な相構造を形成し、相転移による発光特性の低下が課題であった。本研究では、QDの小粒径化により表面張力が増大し、室温下で立方晶CsPbI3 QDを得ることに成功した。また、グアニジウムカチオン置換により表面欠陥を補填し、発光特性の向上だけでなく、大気安定性が改善することを明らかにした。さらに、得られたCsPbI3 QDを発光層に用いた LED において、外部量子効率およびデバイス耐久寿命の向上に成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Energy Transfer between Size-Controlled CsPbI₃ Quantum Dots for Light-Emitting Diode Application (2022)
  • 著者名/発表者名: Ebe Hinako、Wang Ya-Kun、Shinotsuka Narumi、Cheng Yu-Hong、Uwano Mizuho、Suzuki Rikuo、Dong Yitong、Ma Dongxin、Lee Seungjin、Chiba Takayuki、Sargent Edward H.、Kido Junji
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: ー 号: 15 ページ: 17691-17697
  • DOI: 10.1021/acsami.2c03971
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gel permeation chromatography process for highly oriented Cs3Cu2I5 nanocrystal film (2022)
  • 著者名/発表者名: Cheng Yu-Hong、Suzuki Rikuo、Shinotsuka Narumi、Ebe Hinako、Oshita Naoaki、Yamakado Ryohei、Chiba Takayuki、Masuhara Akito、Kido Junji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 4620-4620
  • DOI: 10.1038/s41598-022-08760-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-Step Crystallization for Low-Oxidation Tin-Based Perovskite Light-Emitting Diodes (2022)
  • 著者名/発表者名: Cheng Yu-Hong、Moriyama Reine、Ebe Hinako、Mizuguchi Kei、Yamakado Ryohei、Nishitsuji Shotaro、Chiba Takayuki、Kido Junji
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: ー 号: 20 ページ: 22941-22949
  • DOI: 10.1021/acsami.1c22130
  • 査読あり
• [雑誌論文] Post-Synthetic Surface Treatment of Perovskite Nanocrystals for Highly Efficient Light-Emitting Diodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Cheng Yu-Hong, Ebe Hinako, Chiba Takayuki、Kido Junji
  • 雑誌名: 日本画像学会誌 巻: 60 号: 6 ページ: 606-614
  • DOI: 10.11370/isj.60.606
  • NAID: 130008128288
  • ISSN: 1344-4425, 1880-4675
  • 年月日: 2021-12-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] All‐Inorganic Quantum‐Dot LEDs Based on a Phase‐Stabilized α‐CsPbI ₃ Perovskite (2021)
  • 著者名/発表者名: Y‐K. Wang, F. Yuan, Y. Dong, J‐Y. Li, A. Johnston, B. Chen, M. I. Saidaminov, C. Zhou, X. Zheng, Y. Hou, K. Bertens, H. Ebe, D. Ma Dongxin、Deng Zhengtao、Yuan Shuai、R. Chen, K. L. Sagar, J. Liu, J. Fan, P. Li, X. Li, Y. Gao, M-K. Fung, Z-H. Lu, O. M. Bakr, L-S. Liao, E. H. Sargent
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 60 号: 29 ページ: 16164-16170
  • DOI: 10.1002/anie.202104812
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neodymium Chloride-Doped Perovskite Nanocrystals for Efficient Blue Light-Emitting Devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Chiba Takayuki、Sato Jun、Ishikawa Shota、Takahashi Yoshihito、Ebe Hinako、Sumikoshi Shunsuke、Ohisa Satoru、Kido Junji
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 号: 48 ページ: 53891-53898
  • DOI: 10.1021/acsami.0c11736
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Crystal Growth of Perovskite Nanocrystals via Postsynthetic Lead(II) Bromide Treatment to Increase the Colloidal Stability and Efficiency of Light-Emitting Devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Chiba Takayuki、Takahashi Yoshihito、Sato Jun、Ishikawa Shota、Ebe Hinako、Tamura Kota、Ohisa Satoru、Kido Junji
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 号: 40 ページ: 45574-45581
  • DOI: 10.1021/acsami.0c13212
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bipolar-shell resurfacing for blue LEDs based on strongly confined perovskite quantum dots (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Yitong,Wang Y-K, Y. Fanglong...E. Hinako, T. Petar, D. Filip, L. Peicheng, K. H. Ting, S. Makhsud I, K. Eugenia, S. Erdmann, Liao L-S, V. Oleksandr, Lu Z-H, S. Edward H.
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 15 号: 8 ページ: 668-674
  • DOI: 10.1038/s41565-020-0714-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chelating-agent-assisted control of CsPbBr3 quantum well growth enables stable blue perovskite emitters (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Ya-Kun、Ma Dongxin、Yuan Fanglong、Singh Kamalpreet、Pina Joao M.、Johnston Andrew、Dong Yitong、Zhou Chun、Chen Bin、Sun Bin、Ebe Hinako、Fan James、Sun Meng-Jia、Gao Yuan、Lu Zheng-Hong、Voznyy Oleksandr、Liao Liang-Sheng、Sargent Edward H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17482-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gel Permeation Chromatography Purification Process for Highly Efficient Perovskite Nanocrystal Light-Emitting Devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Hinako Ebe, Takayuki Chiba, Satoru Ohisa, and Junji Kido
  • 雑誌名: The Society of Photopolymer Science and Technology 巻: ー
  • 査読あり
• [学会発表] Donor-Acceptor QD 間のエネルギー移動を用いた高性能ペロブスカイト QD-LED の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 江部日南子，上野瑞穂，篠塚奈瑠美，鄭宇宏，鈴木陸央，千葉貴之，城戸淳二
  • 学会等名: 第82回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Highly and Stable Perovskite Quantum Dots Light Emitting Device by Energy Transfer from Donor QD to Acceptor QD (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Ebe, T. Chiba, and J. Kido
  • 学会等名: The Material Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • 国際学会
• [学会発表] ヨウ素含有ペロブスカイト量子ドット発光デバイス (2019)
  • 著者名/発表者名: 江部日南子、千葉貴之、増原陽人、城戸淳二
  • 学会等名: 第22回ヨウ素学会シンポジウム
• [学会発表] 架橋性配位子を用いた高効率ペロブスカイト量子ドット LED の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 江部日南子、千葉貴之、高橋佳人、佐藤純、大久哲、城戸淳二
  • 学会等名: 第 80 回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Highly Efficient Perovskite Quantum-Dot Light-Emitting Device by Gel permeation chromatography as new purification process and Interfacial Engineering using Alkyl Ammonium Salt Layer (2019)
  • 著者名/発表者名: Hinako Ebe, Yoshihito Takahashi, Jun Sato, Takayuki Chiba, Satoru Ohisa, and Junji Kido
  • 学会等名: 2019 年度 化学系学協会東北大会