分子間相互作用による TADF 発光分子の完全水平配向と超高効率有機 EL 素子

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有機分子の多積層固体薄膜からなる有機エレクトロルミネッセンス (EL) 素子は、分子配向制御という観点から見ると、未だ大幅な伸びしろのある未熟な発光デバイスである。分子配向は主に物理化学的な視点から研究が進められているが、本研究ではホストとの弱い化学結合に焦点を当てて配向メカニズムの解明を試み、熱活性化遅延蛍光材料 (TADF) の完全水平配向による超高効率有機 EL を実現することを目的とした。以下に研究実績を記載する。分子配向の重要因子を効率よく実験結果から獲得するためには、分子構造と分子配向の相関関係を分子レベルで検証する必要がある。この項目では、系統的に構造に違いを与えたホスト分子を新たに開発し、TADF 材料 TZ-SBA-Ph (H. Arai et al., Chem. Eur. J. 2021, 27, 10869) の分子配向のホスト依存性を検証した。その結果、シアノ基やホスフィンオキシド基を有するホスト材料を用いると、相対的に大きな水平配向度を与えた。原因を解明するために、ガラス転移点や薄層クロマトグラフィー (TLC)、材料単膜の溶媒の接触角により、ホスト分子の分子間相互作用の強さを定量化した。これら実験値と量子科学計算から得られた結果から、(i) 発光分子とホスト間の弱い化学結合の強さと (ii) 発光分子内の相互作用部位と遷移双極子モーメントの位置関係が重要であると示唆された。最終的に、光学計算を活用し、素子の膜厚と材料の屈折率を最適化することで、光取出効率を最大化するデバイスを作製した。その結果、外部量子効率 40% を超える極めて高効率な有機 EL を実現した。これまでは、実験を繰り返すことで有機 EL の高効率化が実現されてきたが、本研究で得られた発光分子の分子配向の知見と素子設計指針に従えば、研究開発の大幅な効率化・迅速化が期待される。