九大ら,有機材料による蓄光発光材を高性能化

九州大学と沖縄科学技術大学院大学(OIST)は,レアメタルを必要としない有機材料を利用した蓄光発光(Long Persistent Luminescence)材料の高性能化に成功した(ニュースリリース)。

蓄光材料の発光過程は,光吸収によって電子とホール(正孔)の電荷を生じる電荷分離過程,生成した電荷を蓄積する電荷蓄積過程,電子とホールが再結合し発光する電荷再結合発光過程からなる。有機材料では,無機材料に比べて電荷分離が難しく,生成した電荷がすぐに再結合するため蓄光発光は困難だった。

2017年に研究グループは,世界で初めて,電子ドナー性(電子供与性)と電子アクセプター性(電子受容性)を有する二つの有機材料を混合し,加熱融解したフィルムにおいて蓄光発光が得られることを報告した。しかし,電子とホールは不安定な状態で膜中に保持されているため,容易に酸素と反応して消光するという課題があった。また,蓄光発光の発光持続性能は市販される無機蓄光材料の100分の1程度に留まり,光を吸収できる波長も紫外光付近に限定されていた。

今回の成果では,電荷分離過程において,比較的安定な電子とホールが形成されるように分子設計を見直した。また,有機薄膜内を反応性が高い電子が拡散するのではなく,比較的安定なホールが拡散するように設計した。これにより酸素等との反応を大幅に低減することが可能となった。

さらに,ホールトラップ材料を添加することにより,ホールと電子の分離状態の安定化に成功した。この素子は,紫外光だけでなく可視光を吸収し,蓄光発光を示す。これらにより窒素下では従来に比べ約10倍の性能を示し,大気下でも機能する有機蓄光材料を実現した。さらに,発光波長も分子の選択によって可視光から近赤外光まで取り出すことが可能なため,バイオイメージング用途への応用も期待されるという。

この成果により,有機材料における電荷分離状態の安定化が実現した。研究グループは今後,電荷分離の効率を上げることで無機材料に匹敵する蓄光発光の実現が期待されるとする。また,安定な電荷分離状態は,蓄光材料としての利用だけでなく,熱ルミネッセンスや光刺激発光など,これまで有機材料では実現が困難であった光機能材料としても利用が期待されるとしている。

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