エキシトン限界は破られるべきものです。OLEDが100％を超える成果を達成しました

九州大学の有機フォトニクス・エレクトロニクス研究センター（OPERA）の研究者たちは、有機発光ダイオード（OLED）のエネルギーを分割する方法を実証し、エキシトン生成の100％の限界を超えることに成功しました。この成果は、センシングや通信アプリケーション向けの低コストで高強度な近赤外光源の創出に向けた有望な新しい道を開くものです。

OLEDは、炭素を含む有機分子の層を使用して、電荷を光に変換します。通常のOLEDでは、1つの正電荷と1つの負電荷が分子内で結びつき、エキシトンと呼ばれるエネルギーパケットを形成します。1つのエキシトンは、そのエネルギーを放出して、最大1つの光線、またはフォトンを生成することができます。

この新しい技術は、「シングレットフィッション」というプロセスを使用して、エキシトンのエネルギーを2つに分割し、エキシトンの生成効率における100％の限界を超えることを可能にしました。

シングレットフィッションのプロセスを使用して、OLED内でエキシトンの数を増加させ、エキシトン生成効率の100％の限界を突破する方法を示したイラスト。発光層は、シングレットフィッションを担当するルブレン分子と、発光を生成するErQ3分子の混合物で構成されています。正電荷と負電荷がルブレン分子で結びつくとシングレットエキシトンが生成され、そのエネルギーの半分を2番目のルブレン分子に転送することによって、2つのトリプレットエキシトンが生成されます。次に、これらのトリプレットエキシトンはErQ3分子に転送され、そのエネルギーはErQ3によって近赤外線の放出として放出されます。

「簡単に言うと、OLEDにおけるエキシトンのための“両替機”として作用する分子を組み込みました。10ドル札を2枚の5ドル札に両替する両替機のように、この分子は高エネルギーのエキシトンを2つの低エネルギーのエキシトンに変換します」と、九州大学の中野谷肇准教授は説明しています。

エキシトンにはシングレットとトリプレットという2種類の形態があり、分子は特定のエネルギーを持つシングレットまたはトリプレットを受け入れることができます。研究者たちは、シングレットエキシトンのエネルギーの半分のエネルギーを持つトリプレットエキシトンを受け入れることができる分子を使用することによって、1つの電荷ペアに対して1つのエキシトンという制限を克服しました。

このような分子では、シングレットがそのエネルギーの半分を隣接する分子に転送し、残りの半分を自分で保持することで、1つのシングレットから2つのトリプレットが生成されます。このプロセスは「シングレット分裂」と呼ばれます。

次に、トリプレットエキシトンは、エネルギーを使用して近赤外線を放出する2番目のタイプの分子に転送されます。本研究では、研究者たちは電荷ペアを100.8%のトリプレットに変換することができ、100%がもはや限界ではないことを示しています。これは、シングレット分裂を使用したOLEDの最初の報告であり、以前は有機太陽電池で観察されていました。

さらに、研究者たちは、デバイスをさまざまな磁場にさらした際に、近赤外線放射と残存するシングレットからの微量の可視光放射を比較することで、シングレット分裂効率を簡単に評価することができました。この評価は通常難しいものです。

「近赤外線光は、バイオロジーや医療アプリケーション、通信技術において重要な役割を果たしています」と、OPERAの所長である足立千隼（アダチ・チハヤ）教授は述べています。「シングレット分裂がOLEDに使用できることが分かったことで、効率的な近赤外線OLEDの創製という課題を克服するための新しい道が開かれ、これにより実用的な利用がすぐに可能になるでしょう。」

全体的な効率は、近赤外線放射が有機発光体からは伝統的に効率が悪いため、初期の研究ではまだ比較的低いですが、エネルギー効率は最大で100%に制限されることは当然です。それでも、この新しい方法は、発光体分子を変更することなく、効率と強度を向上させる方法を提供しており、研究者たちは発光体分子自体の改善にも取り組んでいます。

さらに改善が進むことで、研究者たちはエキシトン生成効率を125%にまで引き上げることを望んでおり、これは電気的操作により自然に25%のシングレットと75%のトリプレットが生成されるため、次の限界値となります。その後、トリプレットをシングレットに変換する方法を考案し、最終的には量子効率200%に到達する可能性を模索しています。