東工大,有害元素フリーの高効率青色発光体を開発

東京工業大学は,有害元素を含まないハロゲン系青色発光体を新たに開発した(ニュースリリース)。

蛍光体は波長変換によってさまざまな色を作り出す。蛍光体で最も重要になるのが波長変換の効率であり,発光効率(PLQY)がその指標とされる。近年,PLQYが90%を超えるさまざまな高効率発光体が報告されているが,カドミウムや鉛のような有害元素を含むことが問題となっている。

研究では,新たなハロゲン化物発光体を見出すために,複合アニオン化合物に着目した。イオン半径が大きく異なるヨウ素イオン(I-)と塩素イオン(Cl-)からなる複合アニオン化合物を選択し,これらを許容する新しい相があるかを調査した。その結果、Cs5Cu3Cl6I2という新たな相の存在が確認された。

Cs5Cu3Cl6I2の光特性や大気安定性を調べると,発光波長は460nmであり,既存のCs3Cu2I5よりやや長波長側にシフトしていることがわかった。発光効率は95%と,これまでに報告されたハロゲン系青色発光体の中では最も高い値となった。

一方,大気安定性の試験でも良好な結果が得られた。Cs5Cu3Cl6I2は大気中に90日間放置しても劣化はみらない。塩化物発光体では大気中での劣化が数多く報告されているにもかかわらず,塩素がアニオンの75%を占めるCs5Cu3Cl6I2が,Cs3Cu2Cl5よりもかなり優れた大気安定性を示すことは注目に値するという。

Cs5Cu3Cl6I2とCsCu2I3は同じ1次元性材料に分類することができるが,PLQYでは,Cs5Cu3Cl6I2が95%,CsCu2I3が10%と顕著な差がみられる。この差の理由は,価電子帯上端の局在性,つまり正孔の有効質量の違いによるものであるという。銅を含むハロゲン系発光体のほとんどでは,発光は自己束縛励起子から生じる。この自己束縛励起子の生成には,正孔が空間的に局在されていることが望ましい。

また,Cs5Cu3Cl6I2の伝導帯下端には比較的大きなバンド分散がみられる。よって,価電子帯上端に生成した局在した正孔と,伝導帯下端の遍歴性の高い電子によって,発光効率の高い自己束縛励起子が効率よく生成されることが,Cs5Cu3Cl6I2での高いPLQYにつながっていると考えられるという。

また,溶液法を用いたバルク合成や,塗布法により薄膜作製が可能であるため,プラスチック基板を用いるフレキシブルディスプレーなどへの応用が期待されるとしている。

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