産業技術総合研究所(産総研)と九州大学は2017年5月11日、次世代有機EL素子の発光材料として注目される熱活性化遅延蛍光(TADF)を出す分子(TADF分子)の発光メカニズムを解明したと発表した(ニュースリリース)。

■従来考えられていたTADF発光メカニズム(左)と、今回明らかになったメカニズム(右)の模式図
(図:産総研のニュースリリースより)
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 有機ELは、有機分子が電流によってエネルギーの高い励起状態になり、それがエネルギーの低い基底状態に戻る際に発光する現象を利用している。TADFは、室温の熱エネルギーの助けを受けて有機EL分子が放出する蛍光。現在の有機ELに不可欠な希少金属が不要で低コスト化・高効率化の切り札と期待される。これまで、TADF発光は分子の2つの励起状態が関わり、それらの状態間のエネルギー差ΔESTが室温の熱エネルギー近くまで小さいほど発光効率が高いと考えられていた。しかし、室温の熱エネルギーではTADFの発光が困難なはずの分子でも100%に近い高い発光効率を示す事例もあった。

 今回、産総研は新規開発したポンプ・プローブ過渡吸収分光法を用いて、九大が開発したTADF分子の発光過程を調べた。同分光法は材料の励起状態での光吸収を100フェムト秒からミリ秒までの幅広い時間領域において、紫外光から可視光、赤外光までの広い波長領域で測定できる。

 8種類のTADF分子の発光量を調べたところ、2種類はΔESTとTADFの発光効率の間に相関が見られたが、CzBNと呼ばれる6種類の分子群はΔESTがTADFを示すのに困難なほど大きな値(室温での熱エネルギーの約10倍)を示すにも関わらず、3種類がTADFを発光した。TADFの有無で分子を分類すると、TADFを強く発光する分子群は全てパラ体であり、分子構造がTADFの発光に関与することを示唆した。

 8種類の分子に超短パルスレーザー(励起光)を照射して励起したのち、その状態の時間変化を過渡吸収分光法で観測した結果、TADFを強く発光する分子群(パラ体)では、プラスの電荷であるホールが分子内で自由に移動できる「電荷非局在励起種」が生成されたのに対して、TADFを発光しないか弱く発光する分子群では、ホールが自由に移動できない「電荷局在励起種」や「中性励起種」しか観測されなかった。つまり、TADFの発光には電荷非局在励起種が関係することが示された。これは赤外光領域の過渡吸収分光測定技術によって初めて観測された。

■8種類の有機分子の化学構造式
(図:産総研のニュースリリースより)
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