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動的エキシトンの仮想スクリーニングによる有機EL材料の探索と実用

公募研究

研究領域動的エキシトンの学理構築と機能開拓
研究課題/領域番号 21H05413
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関大阪大学

研究代表者

相澤 直矢  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (60754918)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
キーワード遅延蛍光 / 有機EL / 仮想スクリーニング / 量子化学計算 / 励起状態 / 動的エキシトン / 逆項間交差 / スピンー軌道相互作用 / 熱活性化遅延蛍光 / ベイズ最適化 / 機械学習 / 項間交差
研究開始時の研究の概要

本研究は「三重項から一重項励起状態への逆項間交差をナノ秒オーダーで引き起こす遅延蛍光材料の創出」を目的とする。そのために、①スピン-軌道相互作用に代表される動的エキシトン効果を考慮した量子化学計算と②機械学習による速い逆項間交差を示す候補分子の仮想スクリーニングを効率的に行う。さらに、③候補分子の合成から光物性およびデバイス特性評価までの一貫した実験研究を推進する。このような、理論設計と実証実験を両輪とした本研究により、ナノ秒オーダーの逆項間交差を示す遅延蛍光材料を見出すことで、貴金属を含む従来のリン光デバイスを凌ぐ高輝度かつ高効率な有機ELデバイスを実現する。

研究実績の概要

次世代の有機EL材料として注目さている熱活性化遅延蛍光(TADF)材料は、通常発光しない励起三重項状態から発光可能な励起一重項状態への遷移である逆項間交差(RISC)により、有機ELの内部量子効率を100%まで高めることが可能である。しかし、吸熱的な遷移であるRISCがTADFを律速し、その寿命は通常の蛍光と比べて非常に長いマイクロ秒に留まっている。本研究では、スピン-軌道相互作用に代表される動的エキシトン効果を考慮した量子化学計算とベイズ最適化により、高いRISC速度定数(kRISC)を示す有機分子の仮想スクリーニングを行った。その結果、理論上10^7 s^-1以上の高いkRISCを示す分子を58種類見出した。また、機械学習後の非線形回帰モデルを用いて、kRISCの極大値周辺における分子フィンガープリントの重要度を定量した。さらに、仮想スクリーニングで見出した分子を合成し、光物性を評価したところ、804 nsの短い遅延蛍光寿命と8.3 × 10^7 s^-1の高いkRISCを示すことを明らかにした。この高いkRISCに由来して、本材料を用いた有機ELデバイスは、5000 cd m^-2の高輝度時においても22.8%の高い外部量子効率を示した。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 6件、 招待講演 16件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Delayed fluorescence from inverted singlet and triplet excited states2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa, Yong-Jin Pu, Yu Harabuchi, Atsuko Nihonyanagi, Ryotaro Ibuka, Hiroyuki Inuzuka, Barun Dhara, Yuki Koyama, Ken-ichi Nakayama, Satoshi Maeda, Fumito Araoka, Daigo Miyajima
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 609 号: 7927 ページ: 502-506

    • DOI

      10.1038/s41586-022-05132-y

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dual-acceptor thermally activated delayed fluorescence emitters: Achieving high efficiency and long lifetime in orange-red OLEDs2022

    • 著者名/発表者名
      Xiaoxiao Hu, Naoya Aizawa, Minjun Kim, Miaofei Huang, Zhiyi Li, Guanhao Liu, Honglei Gao, Teng Gao, Xiangyu Dong, Yong Zhang, Jianjun Liu, Pengfei Wang, Yuanping Yi, Yong-Jin Pu, Ying Wang
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: 434 ページ: 134728-134728

    • DOI

      10.1016/j.cej.2022.134728

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Electron spin resonance resolves intermediate triplet states in delayed fluorescence2021

    • 著者名/発表者名
      Bluebell H. Drummond, Naoya Aizawa, Yadong Zhang, William K. Myers, Yao Xiong, Matthew W. Cooper, Stephen Barlow, Qinying Gu, Leah R. Weiss, Alexander J. Gillett, Dan Credgington, Yong-Jin Pu, Seth R. Marder, Emrys W. Evans
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 号: 1 ページ: 4532-4532

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24612-9

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Energy Transfer from Blue-Emitting CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals to Green-Emitting CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals2021

    • 著者名/発表者名
      Kazushi Enomoto, Risa Oizumi, Naoya Aizawa, Takayuki Chiba, Yong-Jin Pu
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 号: 35 ページ: 19368-19373

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c05140

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Delayed Fluorescence from Energetically Inverted Singlet and Triplet Excited States2023

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa
    • 学会等名
      The 103rd CSJ Annual Meeting Asian International Symposium Photochemistry
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Delayed Fluorescence from Inverted Singlet and Triplet Excited States2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa
    • 学会等名
      The 7th International TADF Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 励起一重項と三重項のエネルギーが逆転した有機 EL 材料の 開発2022

    • 著者名/発表者名
      相澤直矢
    • 学会等名
      第16回物性科学領域横断研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 励起一重項と三重項のエネルギー逆転2022

    • 著者名/発表者名
      相澤直矢
    • 学会等名
      第4回JST未来材料セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 励起一重項と三重項のエネルギーが逆転した遅延蛍光材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      相澤直矢
    • 学会等名
      2022年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 励起一重項と三重項のエネルギーが逆転した有機EL材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      相澤直矢
    • 学会等名
      2022年映像情報メディア学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 理論計算が先導する熱活性化遅延蛍光材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      相澤直矢
    • 学会等名
      有機EL討論会 第34回例会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Kinetic Prediction of Reverse Intersystem Crossing in Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa
    • 学会等名
      241st ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Delayed Fluorescence from Energetically Inverted Singlet and Triplet Excited States for Efficient Organic Light-Emitting Diodes2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa, Daigo Miyajima, Yong-Jin Pu
    • 学会等名
      SID Display Week 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 最適化計算が先導する熱活性遅延蛍光材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      相澤直矢
    • 学会等名
      2021年度東北プラズマフォーラム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 最適化計算が先導する熱活性遅延蛍光材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      相澤 直矢
    • 学会等名
      東北プラズマフォーラム 令和3年度 東北大学 電気通信研究所 共同プロジェクト研究会(招待講演)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Getting to Grips with Spin Flips: Kinetic Prediction of Reverse Intersystem Crossing2021

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa
    • 学会等名
      CEMS Topical Meeting Online Excited-State Chemistry of Functional Materials
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 理論計算が先導する熱活性遅延蛍光材料の開発2021

    • 著者名/発表者名
      相澤 直矢
    • 学会等名
      第15回 光”機到来!Qコロキウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Delayed Fluorescence from Energetically Inverted Singlet and Triplet Excited States2021

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa
    • 学会等名
      The 13th Asian Conference on Organic Electronics (ACOE)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Kinetic Prediction of Reverse Intersystem Crossing in Thermally Activated Delayed Fluorescence Materials2021

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa, Yu Harabuchi, Satoshi Maeda, Yong-Jin Pu
    • 学会等名
      The 28th International Display Workshops (IDW)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 理論計算が先導する熱活性遅延蛍光材料の開発2021

    • 著者名/発表者名
      相澤 直矢
    • 学会等名
      第6回動的エキシトン若手セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] 45-1 Low-Molecular-Weight Materials: Wet Processing, Handbook of Organic Light-Emitting Diodes (分担執筆)2021

    • 著者名/発表者名
      Naoya Aizawa
    • 総ページ数
      16
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 研究者のwebページ

    • URL

      https://www.n-aizawa.com

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] Google Scholar

    • URL

      https://scholar.google.co.jp/citations?user=agrDe20AAAAJ

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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