助成番号

５－２190225
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ
（和文）

シングレット・フィッションとトリプレット利用を制御する分子集積材料の創出

研究テーマ
（英文）

Creation of molecular assemblies to control singlet fission and triplet utilization

研究期間

２０１９年 ～ ２０２０ 年
（漢字）

楊井 伸浩

（カタカナ）

ヤナイ ノブヒロ（英文）Nobuhiro Yanai

所属機関・職名

九州大学・准教授

研究代表者
氏
名

共同研究者
（１名をこえる場合は、別紙追加用紙へ）

研究機関名

氏
名

（漢字）

Akshay Rao（カタカナ）

アクシェイ ラオ（英文）Akshay Rao

所属機関・職名

九州大学

ケンブリッジ大学・グループリーダー

概要 （600 字～800 字程度にまとめてください。）
励起三重項（トリプレット）の有効利用は様々な有機デバイスの分野において重要度が高まっており、中でもシングレット・フィッションは、光吸収により生じた 1 つの一重項励起子が隣接する分子と電気的に相互作用することにより 2 つの三重項励起子に分裂する過程であり、太陽電池のエネルギー変換効率を飛躍的に向上させる戦略の一つとして近年注目を集めている。シングレット・フィッションにより分子間に電気的な相関を持つ相関三重項対が生成され、相関三重項対から 2 つの独立した三重項励起子が生成される。相関三重項対から効率よく三重項励起子を生成するためには、三重項対の分子間に生じる電子的な相互作用を制御することが重要である。そこで本研究では、高い結晶性を持ち、色素間の距離や配向を精密に設計可能な多孔性金属錯体 (metal-organic frameworks; MOFs) に着目した。シングレット・フィッ
ションを示す代表的な分子であるペンタセンを骨格に持つ配位子を用いて Zr イオンと錯形成させることにより多孔性金属錯体を合成した。得られた多孔性金属錯体の吸収スペクトルより、配位子の溶液中とニート固体の中間的な分子間相互作用が多孔性金属錯体中で形成されていることが分かった。得られた多孔性金属錯体の時間分解発光測定を行ったところ、100 ps 以下の高速な発光減衰が観測され、SF によりシングレット状態が迅速に消費されていることが示唆された。更に超高速過渡吸収分光により、多孔性金属錯体を光励起した後に 4.73 ps の時定数でペンタセンのトリプレットが生成することが分かった。このようにピコ秒オーダーの非常に速い速度でトリプレットが形成したことより、目的とする多孔性金属錯体中におけるシングレット・フィッションの発現を達成した。また、シングレット・フィッションの逆過程であるフォトン・アップコンバージョンについても研究を行い、従来困難であった波長変換を実現する色素の開発や、固体中での高効率なフォトン・アップコンバージョンを達成するための設計指針の確立に成功した。

- 1 -発表文献 （この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文課題
雑誌

Bulk Transparent Photon Upconverting Films by Dispersing High Concentration IonicEmitters in Epoxy Resins
Tsubasa Kashino, Masanori Hosoyamada, Rena

著者名Haruki, Naoyuki Harada, Nobuhiro Yanai,

ページ
論文課題

13676～13683

ACS Appl. Mater. Interfaces

発行年

202

1巻号

13

Photon upconverting bioplastics with high efficiency and in-air durability
Pankaj

雑誌

雑誌名and Nobuo Kimizuka

Bharmoria,

Shota

Hisamitsu,

Yoichi

Sasaki, Tejwant Singh Kang, Masa-aki Morikawa,

著者名

Biplab Joarder, Kasper Moth-Poulsen, Hakan

雑誌名J. Mater. Chem. C

発行年

2

Bildirir, Anders Mårtensson, Nobuhiro Yanai eand Nobuo Kimizuka

ページ

DOI: 10.1039/d1tc00287b

論文課題Discovery of Key TIPS-Naphthalene for Efficient Visible-to-UV Photon Upconversion
under Sunlight and Room Light

雑誌

2

1巻号

Naoyuki Harada, Yoichi Sasaki, Masanori

著者名

Hosoyamada, Nobuo Kimizuka* and Nobuhiro

雑誌名Angew. Chem. Int. Ed.

発行年

2Yanaiページ
論文課題
雑誌0142～147

2

1

巻号

60

Leaping across the visible range: near-infrared-to-violet photon upconversion employing
a silyl-substituted anthracene
Rena

著者名

0Haruki,

Masutani,Yoichi

Nobuhiro

Sasaki,Yanai,andKoutaNobuo

雑誌名Chem. Commun.

発行年

2Kimizukaページ
論文課題7017～7020

020

巻号

56

巻号

59

Stimuli-Responsive Molecular Photon Upconversion

雑誌

著者名
ページ
論文課題

雑誌

10252～10264

雑誌名Angew. Chem. Int. Ed.

発行年

2020

Near-Infrared-to-Visible Photon Upconversion by Introducing an S-T Absorption
Sensitizer into a Metal-Organic Framework
Biplab Joarder, Arijit Mallick, Yoichi Sasaki, Mika

著者名

Kinoshita, Rena Haruki, Yusuke Kawashima, Nobuhiro

雑誌名ChemNanoMat

発行年

20upconversion

inYanai, and Nobuo Kimizuka

ページ
論文課題
雑誌

Nobuhiro Yanai, and Nobuo Kimizuka著者名916～919
Visible-to-UV
co-assembly

photonYusuke Kawashima, Hironori Kouno, Kana Orihashi,

20air-saturated

雑誌名Mol. Syst. Des. Eng.

発行年

2巻号

6waterby

巻号

5

Koki Nishimura, Nobuhiro Yanai, and Nobuo Kimizuka

ページ792～796- 2 -020

multicomponent

英文抄録 （100 語～200 語程度にまとめてください。）
Singlet fission is a process that a pair of triplet excitons residing on different chromophores
is formed from one singlet exciton. It has attracted much attention for overcoming theShockley-Queisser limit in single-junction solar cells. For the efficient formation of free tripletsby singlet fission, it is important to control the electronic coupling between the interacting
chromophores. In this study, we synthesized metal-organic frameworks (MOFs) by combining metal ionswith pentacene-based ligands to precisely control the inter-chromophore interactions. MOFs weresynthesized by complexing Zr ions with a ligand having pentacene unit, which is a typical moleculeshowing a singlet fission. Ultrafast transient absorption spectroscopy shows that a triplet ofpentacene is generated with a time constant of 4.73 ps after photoexcitation of the MOF. The triplet
was formed at a very fast rate on the order of picoseconds, thus achieving the singlet fission in
the MOF. Photon upconversion, which is the reverse process of singlet fission, was also studied,
and we succeeded in developing chromophores that achieve wavelength conversion, which has beendifficult to achieve in the past, and in establishing design guidelines for achieving highly
efficient photon upconversion in solids.

- 3 -