次世代有機EL発光材料の発光効率の増幅効果を新理論から発見～新原理に基づく高性能な有機EL材料の創出に光～(JST)

2024.02.01更新

ポイント

次世代有機ＥＬ発光材料の発光効率を増幅する新しい量子機構の理論的発見に成功
量子過程シミュレーションに必要なパラメーターを高精度に推定可能なアルゴリズムの開発に成功
121個の次世代有機ＥＬ材料の計算データから速度定数理論の詳細な解析を実現

　東海国立大学機構名古屋大学大学院理学研究科の羽飼雅也博士前期課程学生、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（WPI-ITbM）の柳井毅教授、藤本和宏特任准教授、九州大学高等研究院の安田琢麿教授らの研究チームは、次世代有機EL発光材料の発光効率を増幅する新しい量子機構の理論的発見に成功しました。

　有機ELにおいて電気的に励起された発光分子は、25パーセントの励起一重項状態と75パーセントの励起三重項状態を形成します。非発光性の励起三重項の蓄積は発光量子効率低下の原因となるため、スピン反転によりこれを励起一重項へと変換して発光させる熱活性化遅延蛍光（TADF）機構が注目を浴びています。TADF機構は100パーセントに迫る高い内部量子効率を実現できる一方、スピン反転の効率が低いという課題があり、これを克服するための新たな分子設計理論の確立が待たれています。

　本研究では、TADFの律速過程であるスピン反転を飛躍的に高速化する新しい量子機構を発見しました。この量子機構では、分子の振動が誘発するスピン反転効果と、高次の励起三重項状態を用いるスピン反転効果とが協調し合うことでスピン反転が飛躍的に高速化します。この機構に基づく新理論を導き出し、従来理論での見積もりと比べて約1000倍以上のスピン反転速度をもたらす加速効果を生み出すことをシミュレーションから発見することに成功しました。有機EL発光材料の開発は既存の理論に縛られていますが、今後の研究により、本手法が明らかにした新原理に基づく高性能な有機EL発光材料の創出が期待されます。

　本研究成果は、2024年2月1日（日本時間）付アメリカ科学振興協会「Science Advances」でオンライン公開されます。

本成果は、以下の事業・共同利用研究施設による支援を受けて行われました。

日本学術振興会科学研究費補助金基盤B（21H01881）
研究プロジェクト:「多参照電子論に基づく状態遷移速度計算法：無輻射失活及びプロトン共役電子移動の解析」
研究代表者:柳井毅
研究期間:2021年4月～2024年3月

科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 CREST（JPMJCR21O5）
研究プロジェクト:「励起ダイナミクス制御に基づく光機能性ヘテロπ電子系の創製」
研究代表者:山口茂弘
研究期間:2021年10月～2026年3月

日本学術振興会国際共同研究加速基金（国際先導研究）（22K21346）
研究プロジェクト:「動的元素効果デザインによる未踏分子機能の探究」
研究代表者:山口茂弘
研究期間:2022年12月～2029年3月

日本学術振興会科学研究費補助金基盤A（21H04694）
研究プロジェクト:「有機エキシトニクスの攻究と新発光機能の開拓」
研究代表者:安田琢麿
研究期間:2021年4月～2025年3月

文部科学省・共同利用・共同研究システム形成事業「学際領域展開ハブ形成プログラム」（JPMXP1323015482）
研究プロジェクト:「マルチスケール量子－古典生命インターフェース研究コンソーシアム」
研究代表者:井上圭一
研究期間:2023年10月～2033年3月

計算科学研究センター（Research Center for Computational Science）施設利用
研究代表者:柳井毅
研究期間:2023年10月～2033年3月
課題番号:23-IMS-C087

＜プレスリリース資料＞

本文PDF（1.26MB）

＜論文タイトル＞

“Extended theoretical modeling of reverse intersystem crossing for thermally activated delayed fluorescence materials” DOI：10.1126/sciadv.adk3219

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