北大、高色純度で高輝度な緑色発光を示す新型「レアアース分子」を開発

北海道大学(北大)は6月23日、紫外線励起により高色純度で高輝度な緑色発光を示す新型の「レアアース分子」の開発に成功したことを発表した。

同成果は、北大大学院工学研究院の北川裕一准教授、同・長谷川靖哉教授らの研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の化学全般を扱うオープンアクセスジャーナル「Communications Chemistry」に掲載された。

色純度の高い発光を示す蛍光体はディスプレイや照明などで利用され、現代社会になくてはならない物質となっている。そうした中で、色純度の高い発光色を示す化合物群である「レアアース分子」の研究を行っているのが同研究チームだ。レアアース分子とは、ユーロピウムやテルビウムなどのレアアースと有機分子から構成される無機・有機ハイブリッド材料であり、毒性が低いことなども特徴として挙げられる。

(左)高温下で強く光る新型レアアース分子(右)発光の様子(出所:北大)

このレアアース分子を強く光らせるためには、アンテナ分子の吸収した光エネルギーを効率良くレアアースに渡すことが重要であるほか、レアアースの発光準位より有機分子のエネルギードナー準位が十分高いことが必要であるという。そうした中で、周囲の環境温度が上がることにより、そのエネルギーを受け渡す効率が下がり、発光輝度が下がってしまうという課題を抱えていたのこと。そこで研究チームは今回、レアアース分子に、紫外線を効率良く集めることができる芳香族アンテナを導入したとする。

その結果、高色純度で強い緑色発光を示す新型レアアース分子の開発に成功。同新型分子は、レアアースの発光準位より有機分子のエネルギードナー準位が低いにも関わらず、強い緑色発光が示されたという。

新型レアアース分子の発光スペクトル。電荷移動発光を示す有機系蛍光色素が比較として示されている。レアアース分子は色純度の高い発光色が示されている(出所:北大)

また、芳香族アンテナを導入したレアアース分子は、X線構造解析によって剛直な構造を有していることを解明。強い緑色発光は、この特筆した長い光励起寿命に由来しているという。このエネルギードナー準位が低い有機分子を導入した新型分子の発光輝度は、研究チームがこれまで開発してきた高発光効率を示すレアアース分子と比べ、室温で200倍以上高い値を示したとしている(365nm、紫外線照射条件)。

新型レアアース分子のX線構造解析による分子構造モデル(出所:北大)

さらに、これまでのレアアース分子は高温条件下で発光輝度が下がってしまう課題があることは上述した通りだが、同新型分子は、室温から温度を上げると発光輝度が向上するということが確認されたという。この特異な現象は、熱アシストにより光増感発光が促進された結果であり、芳香族アンテナの長い光励起寿命に由来しているとした。