| 研究課題/領域番号 |
21H04692
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分35:高分子、有機材料およびその関連分野
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
大北 英生 京都大学, 工学研究科, 教授 (50301239)
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| 研究分担者 |
山本 俊介 京都大学, 工学研究科, 准教授 (70707257)
KIM HYUNGDO 京都大学, 工学研究科, 助教 (80837899)
玉井 康成 京都大学, 工学研究科, 助教 (30794268)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円)
2024年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2023年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2022年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2021年度: 30,030千円 (直接経費: 23,100千円、間接経費: 6,930千円)
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| キーワード | 電荷生成 / オフセットレス / エントロピー / エンタルピー / 自発的対称性の破れ / 結晶性共役高分子 / 非晶性共役高分子 / 界面電荷移動状態 / ヘテロ接合界面 / エネルギーカスケード / 縮環系共役分子 / 一重項励起子 / 凝集状態 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の概要は、有機薄膜半導体に生成した電子－正孔対である励起子がクーロン引力を打ち破って自由電荷キャリアへとエネルギーオフセットが無い（オフセットレス）条件でも電荷生成を実現している光電変換の学理を探究するものである。具体的には、レーザ分光法を駆使してオフセットレス条件での電荷生成ダイナミクスを解明し、空間的に対称性が破れたヘテロ接合場におけるエントロピー効果やエンタルピー効果といった従来モデルの実験的検証と、振電相互作用に起因する自発的対称性の破れに基づくまったく新しい電荷生成機構の探求という二つの観点から核心をなす「問い」の学理を探究する研究である。
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| 研究実績の概要 |
令和4年度は、以下の研究項目ついて検討し、後述するような成果を挙げた。
【エントロピー効果】非晶性共役高分子のPCDTBTあるいはRRa-P3HTとフラーレン誘導体PCBMを用いたブレンド膜における界面電荷移動（CT）状態を起点とした励起子を経由しない電荷生成ダイナミクスの温度依存性を検討した。その結果、いずれも温度依存性を示さず、PCDTBTよりもエネルギー不均一性の高い非晶性共役高分子RRa-P3HTを用いた場合、解離効率は30%以下と低くエネルギー不均一性に依存することが分かった。熱平衡モデルでは不均一性が高いほど高い解離効率を与えると予測するので、この結果を解釈するには非熱平衡状態での電荷生成機構を考慮する必要があると考えられる。
【エンタルピー効果】ヘテロ接合界面においてエネルギーカスケード構造を有する二元ブレンド系として、側鎖構造の異なるPTzBT-BOHDならびにPTzBT-12ODとフラーレン誘導体PCBMを用いたブレンド膜における電荷生成ダイナミクスを検討した。その結果、いずれの系も高い解離効率の高効率電荷生成が観測されたが、カスケード構造の違いに起因して電荷解離効率にわずかながら違いが見られた。
【自発的対称性の破れ】バンドギャップエネルギーの異なる縮環系の共役が発達した分子群を用いて、溶液状態における発光寿命測定ならびに発光量子収率測定を行い、輻射ならびに無輻射遷移速度を系統的に検討した。その結果、輻射遷移速度はバンドギャップエネルギーによらずほぼ一定の値を示し、無輻射遷移速度は再配向エネルギーの違いにより分類するとそれぞれの群ごとにエネルギーギャップ則が成立することを明らかにした。興味深いことに、再配向エネルギーの小さな群は大きな群よりも無輻射遷移速度が抑制されており一重項励起子が長寿命であることを見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和4年度は、非晶性共役高分子／フラーレンブレンド膜について界面電荷移動吸収帯の直接励起による電荷生成ダイナミクスを観測し、エネルギー不均一性に解離効率は大きく依存することを明らかにすることができた。また、ヘテロ接合界面におけるカスケード構造により電荷解離効率にも違いが見られることを見出した。縮環系共役分子の励起子ダイナミクスについては、溶液系について輻射ならびに無輻射遷移速度のエネルギーギャップ依存性を検討し、後者は再配向エネルギーが支配因子であることを明らかにした。このように、当初計画どおり着実な進展が見られている。
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| 今後の研究の推進方策 |
基本的には当初計画通りに研究を推進する予定であるが、研究分担者のみならず研究協力者との連携を強化することにより研究の展開を加速する。特に、新規材料を導入することにより検討できる範囲を拡大することができるので、本研究の展開に資する共同研究の実施については積極的に進めていく。
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