化学：単一分子における選択的な三重項励起子形成
Nature 570, 7760 doi: 10.1038/s41586-019-1284-2
電荷注入による有機分子内での励起子形成は、有機発光ダイオード（OLED）にとって不可欠な過程である。スピン統計に基づく単純なモデルによると、注入された電荷はスピン一重項（S1）励起子とスピン三重項（T1）励起子を1:3の割合で形成する。T1励起子の失活によって生じるりん光を用いた高効率OLEDが初めて報告されてから、T1励起子をより効果的に使用することが、OLEDのエネルギー効率向上のための主要戦略となっている。OLEDのエネルギー効率を向上させる別の方法は、動作電圧を下げることである。交換相互作用に起因して、T1励起子はS1励起子よりもエネルギーが低くなるため、原理的には、このエネルギー差を用いれば低いOLED動作電圧でT1励起子だけを形成できるようになると思われる。しかし、そうしたやり方でT1励起子を選択的に直接形成する方法は、まだ確立されていない。今回我々は、走査型トンネル顕微鏡を用いた単一分子のエレクトロルミネッセンスの研究について報告し、帯電分子を利用してT1励起子を選択的に形成する簡便な方法を実証する。Ag(111)上のNaCl三層膜に吸着された3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物（PTCDA）分子は、高い電圧を印加すると、りん光信号と蛍光信号の両方を示した。これに対して、印加電圧が低いときには、りん光だけが生じており、これは、S1励起子が形成されずにT1励起子だけが選択的に形成されたことを示している。このりん光のバイアス電圧依存性と微分コンダクタンス測定結果から、負に帯電したPTCDA分子からスピン選択的に電子が取り除かれることが、この系における主なT1励起子形成機構であることが明らかになった。この機構は、帯電分子における交換相互作用を考慮することによって説明できる。今回の知見は、励起子形成を伴う電子輸送過程を、分子内の電子スピンの操作によって制御できることを示している。我々は、交換相互作用を考慮してデバイスを設計することで、より動作電圧が低いOLEDを実現できると予想する。
