KIT

柔軟性アントラセン分子混晶による FRET型光導波路

22a-P02-35○池田浩貴1、松尾匠2、林正太郎2 (1高知工大院工・2高知工大理工)

高知工科大学

Introduction
u柔軟性有機結晶(EMC)
EMC: Elastic Molecular Crystalsb

u有機混晶(MC)MC: Mixed Crystals

cbc

Ph

Hostcolumn 1a a

Ph

u柔軟性有機混晶 (EMMC)
EMC + MC → EMMC

Ar

Ar

Guest Ph

分子間スライディング

Ph

Ph

Ar

Ar

Ar

Ph

Ph

Ph

Ar

EMC

Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 16195.

Absorption and PL spectra

Plotsof doping ratio vs loss coefficient
Chem. Int. Ed. 2020, 59, 16195.

DBA
DFA
DFA@DBAα (dB/cm )Norm. Abs.

Norm. Int.

800

After doping
77 dB/cm

400

DFA0500600
Wavelength

0700

12345doping ratio (% )Energy transfer

elastic

DBA crystal
ODoping

DopantBr

Host

Mixed crystal

EX
WG

EXWG

PL int.

Obj.

u This research✔ FRETにより劇的に導波効率が向上

PL int.

400☞ 課題
量子効率が低い

DFA@DBA

Oelastic

柔軟性低損失光導波路の合成アプローチとして有用

Before doping
1258 dB/cm

DBA

1200

500µm

DFA@DBA

9,10-dibromoanthracene 9,10-diformylanthracene
DBA (Host)
DFA (Guest)

機械特性を維持し、光特性を改質できるのでは？

1600

DBA

EMMC

Dopant

わずかにドープするだけでは結晶構造は⼤きく変わらない→機械特性に影響はないはず…

✔ わずかにドーパントを加えることで光特性を改質
Nano Lett. 2018, 18, 4396.
✔ FRETにより発光波長がシフト
FRET: Förster resonance energy transfer✔ pitched π-stackによって実現

u柔軟性有機混晶の光特性改質

PhPhPhPhAr

Ar

分子間でスリップスタック
構造持!
を維
変形性弾

変形
弾性column 2

λ / nmλ / nmBr

9,10-dibromoanthracene

Fabrication of EMMCs

9,10-dicyanoanthracene

DBA (Host)

K. Ikeda et. al “Flexible FRET-assisted optical waveguide based on elastic mixed molecular crystals” Aggregate, 2023, 00, e378.
マイナビニュース ⾼知⼯科⼤、「弾性分⼦結晶」の光輸送機能を15倍に向上させる⼿法を開発 2023年7⽉6⽇ 14時41分

DCA (Guest)

発光量⼦効率と導波効率の向上

Mechanical properties
DCA@DBA_1%

u Crystal structuresDBA

DCA@DBA_2%

線形！

Crystal system

triclinic
𝑃1

𝑃1a (Å)3.9739(3)3.9715(3)8.7989(7)8.8281(8)c (Å)

16.0872(12)16.1340(14)α (deg.)78.915(3)78.812(7)β (deg.)83.942(3)83.986(7)γ (deg.)80.816(3)80.523(7)V (Å3)

543.30(7)545.79(8)Z

2

2

DCA@DBA_4%

Chloroform soln.
Solute: DBA and DCA
DCA@DBA_5%

DCA@DBA_3%

スクリーンショット 2023-07-01 14.32.38
500 µm✔ 結晶構造に変化なし✔ 組成比制御を達成

DFA@DBA_3%

triclinic

Space group
スクリーンショット
2023-07-01 14.32.38 b (Å)
DCA@DBA_3%

加熱して放冷DBA
DCA@DBA_4%

500 µm300 µm✔ MCでも柔軟性を維持

Optical waveguiding characteristics
DBAu Absorption and PL spectra u Photoluminescence quantum efficiency u Evaluation method of optical waveguides

spectrometer
ND: neutral densitystage

BS: beam splitter

CCD

DM: dichroic mirror

500 µmフィッティング関数 : IWG/IEX = Ae-αD

CrystalsΦPLDBA
0.036
resonance energy transfer-assisted optical waveguide based on elastic mixed molecular crystals
DFA@DBA
0.004
DCA@DBA
0.016
norm. int.

DCA@DBA_1%

norm. abs.

500 µm

IWG : 結晶端での発光強度
IEX : 励起位置での発光強度
A : 定数D : 導波距離 (µm)
α : 減衰係数 (dB/cm)

4倍向上!!

DCA

400
500 µm

500
600
Wavelength / nm

✔ 発光性の高い分子を Guestに700✔ FRETによる発光の長波長シフト
6.8 µm

9.6 µm

11.7 µmu Plots of doping ratio vs loss coefficient

EX

1600

0.5

α = 1258 dB/cm

0.4

α (dB/cm)

6.8
9.6
11.7
15.0

IWG/ IEXPL Int. (arb. unit)

D / µm

0.30.20.1

DBA

1200

スクリーンショット 2023-07-01 14.32.38

800

DCA@
DBA_1%

550
Wavelength / nm

65001020
D /µm

30110 dB/cm

DCA@DBA

0.0
450

Before doping
1258 dB/cm

After doping

4000012doping ratio (%)

laser

BS or DM
shutter
ND filter
half mirror

LED

1/2 waveplate

405 nmlaser

objective lens
×5, ×20, ×50

WG direction

Ex.

samplesample

samplestage

WG output

空間分解蛍光スペクトル

WG

20 µm

half mirror

sample stage

することで混晶の発光性を改善

15.0 µm

DBAmirror3

導波効率11倍向上!

Summary✔ 新たな柔軟性有機混晶を容易に創出✔ FRETによってGuest由来の発光✔ Guestを発光性の高い分子にすることで発光量子効率を向上✔ DFA@DBAと同様に結晶内でのFRET発現により導波効率が劇的に向上✔ DFA@DBAと同様にFRETにより再吸収の影響が低減されることで導波効率向上

doping ratio
0 (DBA)
123(%)
α_DFA@DBA
77±17 382±31 343±47(dB/cm)
1258±13
α_DCA@DBA
110±18 122±14 169±28(dB/cm)✔ 有機混晶から柔軟性を維持し、発光特性のチューニングに成功
FRET-assisted waveguides