2024年12月10日　Display Daily 

 

ミシガン大学の研究者らが、有機発色団と遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）を組み合わせたヘテロ構造体を開発することで、超高速三重項発光体を実現する新たな戦略を発表しました。この研究の最大の成果は、これらのハイブリッド構造体から室温でマイクロ秒単位のリン光を得られたことです。通常、有機発色団単体では、振動のない条件下でもミリ秒単位の非常に遅いリン光しか示しません。

 

OLED技術の課題

OLED技術における大きな課題の一つは、励起された電子がどのように振る舞うかを扱うことです。電流によってこれらの材料を励起すると、一重項と三重項の2種類の励起状態が生じます。一重項は光を容易に得られる状態と考えることができ、一方、三重項は通常、無駄なエネルギーとなります。

 

現在のOLED技術では、イリジウムなどの高価な金属を含む材料を使用して、この三重項の問題に対処しています。これらの材料は、通常無駄になる三重項を非常に迅速に（マイクロ秒単位で）光に変換できるため、ディスプレイに最適です。しかし、これらの材料は高価であり、特に青色光の場合、経時的に劣化することがあります。

 

新しいアプローチ

本研究では、発光分子に直接高価な金属を導入するのではなく、サンドイッチ構造を作成しました。単純な有機分子（通常、三重項から得られる光は遅く非効率的）を取り、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる特殊な材料の非常に近くに配置します。TMDは非常に薄い金属含有材料のシートと考えることができます。

 

これらの2つの材料を非常に接近して配置すると（髪の毛の幅の100万分の1程度）、驚くべき現象が起こります。TMDは触媒のように作用し、有機分子がその三重項を、単独の場合よりもはるかに速く光に変換するのを助けます。ディスプレイには遅すぎるミリ秒単位ではなく、高価なイリジウム系材料と同様にマイクロ秒単位で変換が行われます。

 

研究の詳細

材料の選択: 研究者は、ジエチル2,5-ジヒドロキシテレフタレート（DDT）と、MoS2、MoSe2、WS2、WSe2などのさまざまなTMDを組み合わせたモデルシステムに焦点を当てました。DDTは、三重項集団の系間交差を促進できる芳香族カルボニル基を含むため選択されました。DDTは通常、室温では青色蛍光のみを示し、77Kでは非常に遅いミリ秒単位のリン光しか示しませんが、DDT/TMDハイブリッドは、室温で数十マイクロ秒の寿命を持つ明るい緑色リン光を示しました。

 

メカニズム: このような劇的なリン光速度の向上（通常の1000倍以上速い）は、「空間スピン軌道近接効果」と呼ばれる現象を通じて起こります。DDT分子がTMD表面と密接に並ぶと、TMD中の重い遷移金属原子が、近くのDDT分子内のスピン軌道結合を強化します。これは、MoS2の存在がDDTの励起状態エネルギーに大きな変化を引き起こし、関連する状態間のスピン軌道結合行列要素を劇的に増加させることを示す詳細な量子化学計算によって実証されました。

 

重要な構造要件: 研究者らは、この超高速発光を実現するためのいくつかの重要な構造要件を特定しました。TMDは、MoやWなどの重い遷移金属を含む2H結晶構造を有する必要があります。Tiなどのより軽い金属では、この効果は得られませんでした。有機発色団は、TMD表面との適切な配向および電子結合を可能にするために、オルトヒドロキシル基を有する芳香族カルボニルコアを必要とします。さらに、有機分子とTMD表面の間の間隔を慎重に制御する必要があり、約4.6Åが最適であることがわかりました。

 

実験的検証: 研究者らは、複数の実験手法を用いて、これらの知見を包括的に検証しました。時間分解フォトルミネッセンスによりマイクロ秒単位の減衰が示され、電子スピン共鳴により新しい三重項シグナルが明らかになりました。ラマン分光法は、成分間の電子結合を示し、走査型トンネル顕微鏡法は、適切な分子配向を確認しました。詳細な量子化学計算により、メカニズムの理論的な理解が得られました。

 

意義

この研究は、イリジウムやプラチナなどの高価な貴金属を必要とせずに、高速リン光材料を作成するための新しい戦略を提供します。マイクロ秒単位の発光時間スケールにより、高リフレッシュレートで動作するディスプレイなどのアプリケーションに実用的です。さらに、このアプローチは、発色とスピン軌道結合増強の役割を分離するため、それらを独立して最適化することができます。これらの材料は、潜在的に脆弱な金属-配位子結合に依存しないため、従来の有機金属リン光体よりも安定である可能性もあります。

 

メカニズム

研究者らは、この現象が複数の同時発生するメカニズムを通じて起こると提唱しています。これには、重い原子との近接によるスピン軌道結合の直接的な増強、新しい系間交差経路を可能にする電子状態の再配列、三重項集団を収容できるTMD欠陥状態の寄与、および界面での電荷移動状態の可能性のある関与が含まれます。

 

結論

この研究は、従来の分子設計戦略ではなく、界面効果を利用して効率的な三重項発光体を設計するための新しい方向性を示しています。

 

参考文献

Choi, J., Im, H., Heo, JM. et al. Microsecond triplet emission from organic chromophore-transition metal dichalcogenide hybrids via through-space spin orbit proximity effect. Nat Commun 15, 10282 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51501-8