| 研究課題/領域番号 |
17H03183
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
村上 陽一 東京工業大学, 工学院, 准教授 (80526442)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ナノ・マイクロ熱工学 / 有機固体創製の分子熱工学 / 分子エネルギー工学 / 発光スペクトル制御 / スピン三重項状態 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，太陽電池などの光エネルギー変換系で，現在利用されず損失となっている低エネルギーの光子群（長波長の光）を，利用可能なより高エネルギーの光子群（短波長の光）に変換する「光アップコンバージョン（UC）」に関するものであり，幅広い光変換技術に対して光エネルギーの利用効率を高められる意義を持つものである．本研究は，その目的を，二本の柱，(i)発光分子とその凝集を制御するスペーサー分子とを複合化する準平衡（弱非平衡）下での分子膜創製，および(ii)準平衡下での共有結合性有機構造体（COF）の合成による新規な光機能材料の創製，によって達成を狙うものである．本年度に得られた研究実績の概要は以下の通り．
(i)については，独自設計を行った温度制御下において顕微鏡下その場観察が可能な蒸着装置を完成させ，その装置系を用いて，発光分子とスペーサー分子との混合性・成膜性・発光特性の評価を行った．その結果，ガラス基板上に，青色蛍光を発する50μm以上の単結晶ドメインをもつ発光分子膜の成膜に成功した．また，基板にプラチナをスパッタして表面エネルギーを増大させることで，狙い通り，膜の濡れ性・広がり性が改善することを見出した．これと並行して，両種分子の熱力学的な混合特性を解明する研究を実施した．その結果，両者が限られたモル比内で固溶体を形成する有限混溶共晶系と特定し，さらにその発光特性の改善を示した．
(ii)については，引き続き，青色発光基をもつブロック分子を用いた試料作製に取り組んだ．しかし，このブロック分子のもつ結合基の不安定性に起因して望ましい結晶性をもつ試料作製には至っていない．まず合成の支配要因について理解を得るため，当年度は，結晶性の良否を決める支配因子を明らかにするための系統的な実験を遂行した．その結果，平衡調整剤，温度，酸触媒等が生成物の質に与える影響について一定の理解を獲得した．
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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
「研究実績の概要」に記載の項目(i)と(ii)についての進捗状況は以下の通り．
(i) 応募時の調書に記載した有機分子成膜装置に対し，一年度目末に見出された装置密閉性と温度均一性の不十分さに対して対策を行い，上述の成果を得ることできた．また，当初予想した基板の表面エネルギーが成膜性に及ぼす影響も確認でき，目的とした比較的大きな単結晶ドメイン（50μm以上）をもつ青色発光分子膜の作製に至り，順調に進行していると言える．一方，準平衡（弱非平衡）下での有機分子成膜には，応募時に予想・提案した長所は存在するものの，巨視的な膜形態としては表面が比較的粗いものとなり，cmオーダーでの形態均一性が得ることが難しいことが改善すべき点として見出されている状況である．
(ii) 当年度は，引き続き，青色発光部位を含むブロック分子を用いて研究を進めたが，上述のように，その結合基（ボロン酸基）から形成される共有結合が加水分解への安定性が低く，顕微鏡観察や特性評価に著しい支障が出ることに直面した．当年度後半までこの分子での合成改良を試みたが，この理由からこの分子の使用を中止し，青色発光能は持たないが市販入手可能な別の結合基をもつブロック分子に切り替えた．その結果，良質な結晶粉末試料を得ることができ，結合基選択の重要性を認識した．このことを機に，まず，いきなり一足とびに目的達成に挑むのではなく，試料合成過程における様々な影響因子が，それぞれどの程度の支配力を持っているかの基盤的知見の獲得と合成機構への理解獲得に注力した．具体的に，試料の質向上に向けた条件探索を行い，平衡調整剤濃度，温度，酸触媒濃度，反応の順番などが生成物に与える影響について，多くの知見と理解とを獲得できた．なお，当年度後半にはこれまでの問題点を解決した新規な合成装置を設計・製作し，それにより試料作製と条件探索の効率が格段に向上した．
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| 今後の研究の推進方策 |
上述の「現在までの進捗状況」を踏まえ，今後の研究の推進方策は以下の通り．
項目(i)については，上記で見出された改善すべき点への対策として，膜のマクロな形態を規定しながら，当初計画通り，温度制御と弱非平衡とを利用できる基板上の成膜装置を新たに作製，開発し，その解決に望む計画である．具体的に，この問題点が認識された当年度の中盤～後半以降，この解決を行う新装置の設計に取り掛かり，また，必要な部品もおよそ入手し終わったが，一部は当年度中には完了できなかった．そのため，次年度（三年度目）にこれを継続し，当該装置を完成させ，応募時の計画調書に記載した着想を効果的に達成できる，マクロスケールの膜形態の均一性も備えた，目的の有機分子膜試料の作製に取り組む計画である．また，次年度は，このようにして得られた有機分子膜の特性評価も実施する計画である．
項目(ii)については，引き続き試料の質改良に向けた条件探索に取り組みつつ，上述の加水分解安定性が高い結合基をもち，青色発光能をもつブロック分子の選定・入手を試み，それを用いた試料合成に取り組んでゆく計画である．合成装置には，次年度も引き続き，上述の改良した新装置を用いてゆく計画である．また，当年度に導入した粉末X線装置および熱分析装置による試料評価を，引き続き合成の改善のためのフィードバックを行う重要な計測法として十分機能させ，試料作製条件の改善を加速してゆく計画である．その結果，三年度目には研究計画調書に記載した目的に叶う試料の創出と，その初段評価とを実施してゆく計画である．
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