励起一重項と三重項のエネルギーが逆転した次世代有機EL材料の開発

1925年にドイツの物理学者フリードリヒ・フントは「同一の電子配置において最大のスピン多重度を持つ状態が最低エネルギーを持つ」という経験則を提案した。このフントの規則は、多電子原子や分子の基底状態や励起状態において広く成り立つ。例えば、数多くの有機化合物の三重項励起状態は、一重項励起状態より低エネルギーで、両状態のエネルギー差ΔESTは正であると知られている。もし負のΔESTを実現できれば、三重項励起状態を低エネルギーの一重項励起状態に速やかに変換する理想的な有機EL材料を実現できると期待できる。本研究では、約3万5千種の分子の理論計算を行い、負のΔESTを持つ可能性がある候補分子HzTFEX2を見い出した。この分子のΔESTは、多数の電子配置間の相互作用により負になると考えられる。パウリの排他原理より、三重項励起状態と比べ一重項励起状態の方がとり得る二電子励起配置の数が多いため、配置間の相互作用によってエネルギー的に安定化される。この一重項の安定化が、交換相互作用による三重項の安定化を上回り、ΔESTが負になることを明らかにした。HzTFEX2は、一重項励起状態と三重項励起状態間の可逆的な項間交差を介して起こる遅延蛍光を示し、その寿命はわずか217 nsであった。また、低温において遅延蛍光が短寿命化し、正のΔESTを持つ通常の有機化合物とは全く逆の性質を示した。これは、一重項励起状態が、三重項励起状態よりも低エネルギーであり、低温において発光を担う一重項励起状態の占有密度が増大するためであると考えられる。この遅延蛍光の温度依存性から、ΔESTを-11 meVと決定した。さらに、HzTFEX2を用いた有機EL素子の外部量子効率が17％（内部量子効率85％に相当）に到達したことから、電流励起で生じた三重項励起状態が効率的に発光に利用できることを実証した。

1925年にドイツの物理学者フリードリヒ・フントは「同一の電子配置において最大のスピン多重度を持つ状態が最低エネルギーを持つ」という経験則を提案した。このフントの規則は、多電子原子や分子の基底状態や励起状態において広く成り立つ。例えば、数多くの有機化合物の三重項励起状態は、一重項励起状態より低エネルギーで、両状態のエネルギー差ΔESTは正であると知られている。もし負のΔESTを実現できれば、三重項励起状態を低エネルギーの一重項励起状態に速やかに変換する理想的な有機EL材料を実現できると期待できる。本研究では、約3万5千種の分子の理論計算を行い、負のΔESTを持つ可能性がある候補分子HzTFEX2を見い出した。この分子のΔESTは、多数の電子配置間の相互作用により負になると考えられる。パウリの排他原理より、三重項励起状態と比べ一重項励起状態の方がとり得る二電子励起配置の数が多いため、配置間の相互作用によってエネルギー的に安定化される。この一重項の安定化が、交換相互作用による三重項の安定化を上回り、ΔESTが負になることを明らかにした。HzTFEX2は、一重項励起状態と三重項励起状態間の可逆的な項間交差を介して起こる遅延蛍光を示し、その寿命はわずか217 nsであった。また、低温において遅延蛍光が短寿命化し、正のΔESTを持つ通常の有機化合物とは全く逆の性質を示した。これは、一重項励起状態が、三重項励起状態よりも低エネルギーであり、低温において発光を担う一重項励起状態の占有密度が増大するためであると考えられる。この遅延蛍光の温度依存性から、ΔESTを-11 meVと決定した。さらに、HzTFEX2を用いた有機EL素子の外部量子効率が17％（内部量子効率85％に相当）に到達したことから、電流励起で生じた三重項励起状態が効率的に発光に利用できることを実証した。