分子熱工学に基づく高性能な光アップコンバージョン結晶系の創出と学術基盤の構築

基于分子热工程的高性能光学上转换晶体系统的创建和学术基础设施的建设

基本信息

批准号：
20H02082
负责人：
村上陽一
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，太陽電池等で未利用な長波長な光（低エネルギーな光子群）を，利用可能なより短波長な光（より高エネルギーな光子群）に変換する光アップコンバージョン（UC）に関する．今年度は，交付申請書に記載した1番目の研究目的，「応用に適した熱力学的に安定かつ高効率な結晶性UC有機分子材料の創出」について著しい成果を得た．具体的に，本課題における提案着想の実現に成功し，熱力学的に安定かつ前例のない高性能を示す「α固溶体相」のUC有機結晶の創製に成功した．固体UC材料では一般に，光子を吸収する「増感分子」と，そこから励起状態を受け取り励起子として空間を伝播させUCを行う「発光分子」とを分子レベルで均一混合する必要があるが，従来は熱力学安定状態での二種分子のミクロな均一混合ができていなかった．本研究ではこの解決として「混合エントロピー」を二種分子混合の駆動力に用いた．本材料は平衡状態近傍で生成されるため高い結晶性を有し，材料内における励起子拡散長が1μm以上と，従来の固体UC材料より２桁程度長い励起子拡散長を実現した．これにより理論最大効率の32 %（UC量子効率16%），空気中における長時間光照射に対して安定，および，励起の閾値強度が自然太陽光の1/5程度と，前例のない極めて高性能な固体UC材料を創出した．本成果は査読付論文（Materials Horizons, IF: 13.266）に出版され，さらに新聞を含む多くのメディアに掲載された．本成果の過程で，交付申請書に記載した2番目の研究目的，「材料形成の成否を支配する根本要因の解明」も部分的に達成に至った．3番目の研究目的である「UC有機分子結晶中における励起子輸送の特性およびその支配因子の解明」は，その計測システム構築が難航し当初の計画から遅れたが，年度内に構想したシステムの構築を完了することができた．

这项研究与光学上转换（UC）相关，它将太阳能电池等中未使用的长波长光（低能量光子群）转换为可用的短波长光（高能量光子群）。今年，我们在资助申请中提出的第一个研究目标“创造适合应用的热力学稳定、高效的结晶UC有机分子材料”中取得了显着的成果。具体来说，我们成功实现了该项目中提出的想法，并成功创造了一种热力学稳定且表现出前所未有的高性能的“α固溶体相”UC有机晶体。固体UC材料通常需要吸收光子的“敏化分子”和从它们接收激发态并作为激子在空间中传播的“发光分子”在分子水平上的均匀混合物，以传统上进行两种类型的UC的微观均匀混合。分子处于热力学稳定状态是不可能的。在本研究中，作为这一问题的解决方案，采用“混合熵”作为混合两类分子的驱动力。这种材料具有高结晶度，因为它是在接近平衡状态下生成的，并且材料内的激子扩散长度超过1μm，比传统的固体UC材料长约两个数量级。因此，其理论最高效率为32%（UC量子效率为16%），对空气中的长期光照射稳定，并具有极高的激发阈值强度，约为自然太阳光的1/5我们创造了一种高性能固体UC材料。该成果发表在同行评审论文（Materials Horizons，IF：13.266）上，同时也发表在包括报纸在内的多家媒体上。在取得这一成果的过程中，资助申请中提出的第二个研究目的“阐明物质形成成败的根本因素”也部分实现。第三个研究目标“阐明超导有机分子晶体中激子输运的特性及其控制因素”，由于测量系统建设困难而推迟了原计划，但计划的系统是在财政预算内建设的。我能够完成。

项目成果

期刊论文数量（8）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Development of photon upconversion crystals and elucidations of their properties

光子上转换晶体的开发及其特性的阐明

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Riku ENOMOTO; Yoichi MURAKAMI
通讯作者：
Yoichi MURAKAMI

van der Waals solid solution crystals for highly efficient in-air photon upconversion under subsolar irradiance

范德华固溶体晶体可在亚太阳辐照度下实现高效空气中光子上转换

DOI：
10.1039/d1mh01542g
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
13.3
作者：
Enomoto Riku; Hoshi Megumi; Oyama Hironaga; Agata Hideki; Kurokawa Shinichi; Kuma Hitoshi; Uekusa Hidehiro; Murakami Yoichi
通讯作者：
Murakami Yoichi

研究者のwebページ

研究人员的网页

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

van der Waals solid solution crystals for highly efficient in-air photon upconversion under subsolar irradiance

范德华固溶体晶体可在亚太阳辐照度下实现高效空气中光子上转换

DOI：
10.1039/d1mh01542g
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
13.3
作者：
Enomoto Riku; Hoshi Megumi; Oyama Hironaga; Agata Hideki; Kurokawa Shinichi; Kuma Hitoshi; Uekusa Hidehiro; Murakami Yoichi
通讯作者：
Murakami Yoichi

研究代表者のホームページ

首席研究员的主页