手頃な価格でプリント可能なフォトルミネッセンス材料

February, 9, 2024, Washington--米国の研究者は、高発光(highly photoluminescent)ディスプレイ部品の製造に適した新しい3Dプリント可能な結晶性材料を開発した(Science、doi:10.1126/science.adi4196)。「超分子インク」と名付けられたこの技術は、いずれ有機LED(OLED)ディスプレイやウェアラブルデバイスに電力を供給できると研究チームは考えている。

より安価で高輝度の金属
材料の組み立てプロセスでは、クラウンエーテル(陽イオンと強い親和性を持つリング状の有機分子)の溶液が、ハロゲン化物ペロブスカイトの金属ハロゲン化物イオン八面体単位を新しい結晶構造に導く。超分子インクは、遷移金属であるハフニウムとジルコニウムを含む粉末で構成されており、これらは地殻に多く含まれているため、一部のOLEDに使用されているイリジウムなどのレアメタルよりも安価である。

また、超分子インクをアセンブリするプロセスでは、スペクトルの青と緑の領域で小さなオプトエレクトロニクス構造が明るく輝く。ハフニウムは、ペロブスカイトに96.2%のフォトルミネッセンス量子収率(PLQY)で青色光を放出させるが、ジルコニウムを含む緑色エミッタのPLQYは82.7%。

OLEDの内部
カリフォルニア大学バークレー校(UC Berkeley)の博士課程候補、ローレンス・バークレー国立研究所の科学者Peidong Yangの研究グループのメンバーであるCheng Zhuによると、OLEDは主に有機物質で構成されているが、そのほとんどには金属成分も含まれている。例えば、イリジウムを含むものは有機金属キレートと呼ばれるグループに属する。

Zhuによると、アルミニウムを豊富に含み、コストが安いため、OLEDにアルミニウムを組み込もうとする科学者もいるが、結果として得られる物質は青色光を発することができず、調整もできない。研究チームが知る限り、ハフニウムがOLED構造の金属中心として使用されたのはこれが初めてである。

ペロブスカイトが適切に組み立てられると、研究チームはそれらを3Dプリントインクに組み込んだ。青と緑の発光体との干渉を避けるため、インクにはフォトモノマーのポリ(エチレングリコール)ジアクリレートを主成分とする吸光剤フリー樹脂を配合し、印字解像度をコントロールするためにフォトインヒビタを多く含んでいる。ペロブスカイト粉末の粒子は十分に小さいため、印刷された構造の品質に影響を与えなかった。

Zhuによると、チームは青色発光体がほぼ統一性のあるPLQYを持っていることに興奮しており、この特性は、発光プロセス中に吸収されたほぼすべての光を可視光に変換する並外れた能力を示していると同氏は説明した。「PLQYがほぼ統一された青色発光体は非常に稀で、達成が困難である。われわれはすぐに、何か特別なものを発見したことに気付いた」。

正しいレシピ
OLED発光素子としての材料のカラーチューナビリティと発光性を実証するために、研究チームは複合インクから薄膜ディスプレイのプロトタイプを作製し、この材料がプログラム可能な電子ディスプレイに適していることを確認した。

Zhuによると、溶媒の濃度、温度、前駆体分子を完璧にしなければならなかったため、エミッタを合成するための適切なレシピを見つけることが最大の課題だった。(新素材のアセンブリプロセスは、室温で約80°Cまで可能)。

Zhuによると、研究チームは次に、超分子インクを使って電気を動力源とする照明を作る可能性を探りたいと考えている。このインクを製品化するためには、大規模な生産プロセスの精緻化が必要になる。