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2021 年度 実施状況報告書

一重項分裂を駆動力とする革新的光反応の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20KK0120
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

羽會部 卓  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70418698)

研究分担者 小堀 康博  神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (00282038)
婦木 正明  神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 助手 (50874442)
研究期間 (年度) 2020-10-27 – 2024-03-31
キーワード一重項分裂 / 逐次反応
研究実績の概要

一般に、分子の光吸収過程では一光子光学許容状態(1光子吸収→1励起子生成)のみが遷移可能であり、励起状態を介した化学反応の量子収率の最大値は100%である。さらに、分子会合体になると単量体と比較して励起子間の消滅により吸収した励起エネルギーが迅速かつ大幅に失活する。この光化学の重大な問題点の解決策として二分子近接下で1光子の吸収過程から2つの三重項励起子を生成する多励起子生成反応の一重項分裂(SF)が考えられ、三重項励起子の生成効率ΦTは200%まで向上する。この励起子の倍増が可能なSFを種々の反応系でより汎用性を高めるには材料開発を含む基礎物性評価と反応開発の両輪による基礎学理の構築が急務である。本研究では国際共同研究を通してSFを最大限活用できる逐次反応系の構築を目指す。
まず、SFで最も汎用性の高いペンタセンと比較して、T1のエネルギーがより高く、強相関の三重項対(TT)生成の発熱性がより乏しい特徴を有するテトラセンに着目した。従来的な構造パラメーターである電子カップリングだけでなく、新たに立体柔軟性に着目し、異なるスペーサー部位を有する計4種類の二分子連結体を合成した。その結果、小さな電子カップリングと大きな立体柔軟性を有する4,4’-ビフェニル基で連結したテトラセン二分子連結体において量論的な三重項量子収率(196 ± 12%)の実現に成功した。次に、ペンタセン修飾量子ドットの分子集合体系では光吸収後の量子ドットの励起状態からペンタセンへのS-Sエネルギーを介して近接ペンタセン間の量論的なSFが観測された。量子ドットの光吸収光子数に対する三重項量子励起子の収率はほぼ200%となり、量論的なS-Sエネルギー移動とSFの逐次反応の観測に成功した。

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

高効率三重項量子収率を示すテトラセン二量体やペンタセン修飾量子ドットでの量論的な逐次反応系の観測に成功したため。

今後の研究の推進方策

2022年度はSF後の高効率励起子拡散を示す材料開発を目指して研究を進める予定である。

次年度使用額が生じた理由

2021年度に検証を予定していたアセン二量体の過渡吸収スペクトルにおける温度依存性評価について、必須となる機材の購入が2021年度内に間に合わなかった。そのため、サンプル合成を含めて2022年度に測定を行う必要が出てきたため。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] タンペレ大学(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      タンペレ大学
  • [雑誌論文] Synergetic Role of Conformational Flexibility and Electronic Coupling for Quantitative Intramolecular Singlet Fission2021

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Shunta、Sakai Hayato、Nagashima Hiroki、Fuki Masaaki、Onishi Kakeru、Khan Ramsha、Kobori Yasuhiro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 ページ: 18287~18296

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c04734

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Near-Unity Singlet Fission on a Quantum Dot Initiated by Resonant Energy Transfer2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang Jie、Sakai Hayato、Suzuki Katsuaki、Hasobe Taku、Tkachenko Nikolai V.、Chang I-Ya、Hyeon-Deuk Kim、Kaji Hironori、Teranishi Toshiharu、Sakamoto Masanori
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 143 ページ: 17388~17394

    • DOI

      10.1021/jacs.1c04731

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular Design Strategy for High-Yield and Long-Lived Individual Doubled Triplet Excitons through Intramolecular Singlet Fission2021

    • 著者名/発表者名
      Hasobe Taku、Nakamura Shunta、Tkachenko Nikolai V.、Kobori Yasuhiro
    • 雑誌名

      ACS Energy Letters

      巻: 7 ページ: 390~400

    • DOI

      10.1021/acsenergylett.1c02300

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Tetracene Molecular Architectures for High-Yield and Long-Lived Individual Triplet States through Singlet Fission2021

    • 著者名/発表者名
      Taku Hasobe, Hayato Sakai, Yasuhiro Kobori, Nikolai V. Tkachenko
    • 学会等名
      239th The Electrochemical Society Center Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] フェロセンをリンカーとするペンタセン二量体の合成と分子内一重項分裂発現2021

    • 著者名/発表者名
      早坂 稜、酒井 隼人、羽曾部 卓
    • 学会等名
      2021web光化学討論会
  • [学会発表] テトラセン分子ワイヤーにおける一重項励起子分裂で生成した多重励起子のスピンダイ ナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      婦木 正明、中村 俊太、酒井 隼人、羽曾部 卓、小堀 康博
    • 学会等名
      2021web光化学討論会

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公開日: 2022-12-28  

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