公大ら,有機ELの「再結合過程」の観測に成功

大阪公立大学と日本化学工業は,ポスト有機LEDの一つとして注目されている有機発光デバイスLEC(Light-emitting electrochemical
cell)が電界発光時に時間とともに電子状態を変化させる様子を,ランプ光照射を介してその光吸収を計測することにより,直接観測することに初めて成功した(ニュースリリース)。

最近のスマートフォンや大型テレビでは,有機材料の電界発光(EL)特性を利用した有機LEDが多用されている。ELは,印加電圧により発生する電子と,電子の抜け穴である正電荷のホールが出会う再結合反応によって生じるが,同時に再結合を阻害する反応も生じてしまう。

そのため,発光に至る過程を精査することが性能向上に向けた必須課題となっており,国内外でその技術開発競争が加速している。一方で,再結合過程の情報を直接観測する実験手法はなく,実際の開発現場では,素子に流れた電流や発光輝度をバロメーターに,手探りに材料の改良などが進められている。

研究では,イオン液体材料から作成した高輝度LECに対して,EL過程で生じる電子状態の変化を直接観測することに成功した。研究グループは分光技術を使った独自の手法を用いて,電子とホールがもつ光吸収スペクトル計測とEL動作を同期させた。

その結果,ELを起こすための電圧を印加してから,マイクロ秒(百万分の1秒)の時間スケールでスペクトルが変化する様子を初めて観測できた。また結果の解析により,LECの発光メカニズムは,

①電圧印加の後,直ちにホールが発生し,ホールを収容する層が電子側の電極との界面近くまで成長してから僅かな電子との再結合を経て,ELが発生する②その後ホール層の後退と同時に,電子を収容する層が徐々に成長しながらEL量が定常になる,という2段階をたどることが分かった。

研究で用いた分光計測による観測手法は,今回適用したLECに限らず,一般の有機LEDも含め発光素子全般に適用が可能。そのため,この手法の活用により,EL過程の詳細を明らかにできることに加え,素子動作を阻害する過程の早期発見につながると期待されるという。

研究グループは今後,測定時間の短縮化に努め,迅速な素子診断システムの実現を目指すとしている。

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