同じ材料で発光色を変える、有機ELの新技術

日経テクノロジーオンライン
同じ材料で発光色を変える、有機ELの新技術 九州大学の研究グループが開発

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図1 今回の研究で用いた有機半導体材料の構造式とエネルギー準位図
(出所:九州大学のプレスリリース)

赤(R)、青(B)、緑(G)の各色に発光する3種類の有機分子を用意することなく、同じ有機材料によって
RGBの3色の発光を実現する。このような有機EL技術を、九州大学 最先端有機光エレクトロニクス研究センター
(OPERA)准教授の中野谷一氏、同センター長の安達千波矢氏らの研究グループが開発しています。

 
これまでの有機EL素子でRGBの3色の発光を実現するには、それぞれの色に発光する
有機分子を用いる必要がありました。有機ELでは、有機分子の励起子が基底状態へと遷移する際に
放出するエネルギーを発光として取り出します。この励起子のエネルギーが0.5eV程度と大きく、
同一分子での励起子エネルギーを自由自在に制御することが極めて難しかったため、
各色に発光する有機分子を使用しなければなりませんでした。

<3層構造の有機EL発光層、中間層の膜厚で色を制御>

今回、九州大学の研究グループは、同一分子系から成る3層構造の有機薄膜を開発。
中間層の膜厚によって、励起子エネルギーを任意に制御できることを見いだしています。
新開発の3層構造の有機薄膜は、電子供与性(ドナー)分子から成る有機薄膜「ドナー層」、
電子受容性(アクセプター)分子から成る有機薄膜「アクセプター層」、
これらの有機分子の励起エネルギーよりも高い励起エネルギーを持つ分子から成る
有機薄膜「スペーサー層」から構成されます。
ドナー層とアクセプター層の間にスペーサー層を挟んだ構造を取っています(図1)。


同研究グループは、ドナー分子として
4,4',4''-tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine (m-MTDATA)、
アクセプター分子として2,4,6-tris(biphenyl-3-yl)-1,3,5-triazine(T2T)、
スペーサー分子として3,3-di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl(mCBP)を用い、
これらの分子を真空蒸着法により数十nmオーダーの膜厚で積層させた薄膜について
励起子散逸過程を解析しています。

図2は、この3層構造の有機薄膜を発光層とした有機EL素子における発光スペクトルです。
スペーサー層の膜厚の増加に従い、発光スペクトルが短波長シフトすること、
すなわち励起子エネルギーの増加を確認しています。
数nm以上の離れた距離においてもドナー層とアクセプター層の間で分子間相互作用が存在し、
その励起子エネルギーをスペーサー層の膜厚によって制御できることが分かるとしています。

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図2 作製した有機EL素子の発光スペクトルのスペーサー層膜厚依存性
(出所:九州大学のプレスリリース)

また、図3の各有機EL素子の発光効率特性が示すように、EL発光効率は中間層の膜厚増加とともに向上。
5nmのスペーサー層を持つ3層構造の薄膜を有機ELの発光層として用いたところ、スペーサー層のない場合と比較し、
8倍以上の高いEL発光効率を得ることにも成功しています。これはドナー層とアクセプター層の間の距離を
制御することよって、励起子の熱活性化遅延蛍光(TADF)特性が向上した結果であるとのこと。

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図3 作製した有機EL素子の外部量子効率特性のスペーサー層膜厚依存性
(出所:九州大学のプレスリリース)

<新たな学術領域、新概念のデバイス創出に期待>

今回の研究成果は、有機半導体性分子の励起状態を分子骨格に基づく内的要因だけでなく、
分子間距離の制御という外的因子によっても自在に制御できることを、初めて実証したものといえるとのこと。
励起状態を外部因子により自在に制御できれば、従来の電荷によるスイッチングではなく、
励起子によるスイッチング素子など、これまでの有機半導体デバイスの概念を脱却する
新奇な学術領域を創成できると考えられるとしています。

なお、今回の研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)
「安達分子エキシトン工学プロジェクト」(研究総括:安達千波矢)の一環として行われたものになります。
2016年2月26日(米国東部時間)に、米国の科学雑誌
『Science Advances(American Association for the Advancement of Science; AAAS)』誌
に掲載されています。

九州大学ニュースリリース(PDF)
有機半導体性分子の励起子挙動制御に成功—エキサイプレックスの人工制御—

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