大阪大學研究生院理學研究科助理教授谷洋介的研究團隊與九州大學研究生院理學研究院副教授宮田潔志的研究團隊合作，大幅刷新了有機分子磷光效率的世界紀錄，並明確了其中的關鍵——高速磷光的機制。相關研究成果發表在期刊《Chemical Science》上。
圖1. 高速磷光的機制示意圖。圖中藍光在中央分子上聚集並形成黃光，三重態與其他狀態混合產生高速磷光的情況。（©YAP. Co., Ltd.）
磷光是高能狀態的分子在改變電子自旋方向的同時發光的現象，目前被用於有機EL和癌症診斷等方面。
爲了獲得高效率的磷光，此前通常認爲需要使用銥和鉑等稀有金屬。然而，稀有金屬存在穩定供應方面的問題，而且在不使用稀有金屬的情況下利用有機分子實施高效磷光的機制尚未被解明。
研究團隊利用時間解析光圖譜等方法，詳細研究了自主開發的不含稀有金屬的有機分子「噻吩二酮」的發光情況。結果發現，噻吩二酮分子在溶液中的磷光效率最高可達38%，是此前世界紀錄的兩倍以上。此外，將這種分子少量添加到聚合體中製備的薄膜，在空氣中表現出了超過50%的磷光效率。
此外，研究人員還揭示了高效磷光產生的根源在於磷光的高速化。其速度研究人員認爲約爲5000/秒，比傳統有機分子的磷光速度高一個數規模以上，接近使用鉑等稀有金屬的磷光速度（約8300/秒）。
研究團隊透過量子化學計算明確了這種高速磷光的機制。磷光產生於「三重態」高能狀態，但純三重態通常不發光。此次的分子三重態中，混合了1%左右的發光性較強的其他狀態。研究人員認爲，正是這種較強狀態的混合，使得高速磷光成爲可能。
透過明確高速磷光的產生機制，爲不使用稀有金屬實施高速磷光的分子設計提供了指引。
谷助教表示：「噻吩二酮分子的發現是一個偶然，起初我們並不明白它爲何會表現出如此卓越的性能。但隨着研究的推進，就像拼圖的碎片拼湊起來了一樣，逐步明確了機制。現在沒有一種分子材料的機制變得如此清晰明瞭了。與此同時，我認爲這種分子還有許多深奧之處，對它今後的應用推廣也充滿了期待。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Chemical Science
論文：Fast, efficient, narrowband room-temperature phosphorescence from metal-free 1,2-diketones: rational design and mechanism
網路位址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc02841d
