有害元素フリーの高効率青色発光体を実現

ポイント

• 蛍光量子効率90%の青色蛍光体を開発
• 有害元素を含まず室温で溶液から合成可能
• 電子注入層、正孔注入層の組み合わせでLEDの作製可能

低消費電力で高輝度に光る発光ダイオード（LED）は、ディスプレイや照明などの光源として大きなニーズがあります。また、大面積で発光するデバイスとしては、発光層に有機分子を用い、適当な電子注入層と正孔注入層^[用語1]で挟んで電圧を印可し電子と正孔を有機層で結合させる有機EL（OLED^※有機発光ダイオード）が知られており、近年では、大型テレビや高精細液晶ディスプレイに用いられています。しかしながら、有機発光層の寿命や化学的安定性などの問題を抱えていました。

東京工業大学 科学技術創成研究院の細野秀雄教授と元素戦略研究センターの金正煥助教ら研究グループは、ペロブスカイト^[用語2]に類似した構造を持つ物質Cs₃Cu₂I₅が青色発光し、その量子効率が90%以上あることを見出しました。この物質は、大気中でも安定で、溶液から容易に成膜することが可能です。ペロブスカイト型発光材料の研究は世界的に盛んに行われていますが、材料に鉛やカドミウムを含んだものが多く、このような有害成分を含まずに安定で高い発光効率を示す物質が求められていました。今回の発光物質はこのニーズに応えるものです。また、新たに見出した黄色発光物質を組み合わせることで、白色発光するLEDの作製にも成功しました。

本研究成果はドイツ科学誌「Advanced Materials」に速報としてオンライン版に2018年9月14日付で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究課題によって得られました。

研究の背景と経緯

電子と正孔を電極から注入して発光層で再結合させて光らせるLEDは、照明だけでなくディスプレイ用途でも急速に実用化が始まっています。これらは発光層に有機分子を用いたものですが、その材料自体の寿命や、水や酸素との反応による発光特性の劣化が問題でした。この問題を解決するために、半導体量子ドットやペロブスカイト系の発光材料の研究が世界的に活性化しつつあります。しかしながら、発光効率の高い材料は有害なカドミニウムや鉛を含んでいることから、有毒元素フリーで発光効率が高くかつ安定な発光材料が求められていました。

研究の内容

今回、有害な元素あるいは化学的に弱い有機物を含まない高効率な無機発光物質としてCs₃Cu₂I₅（以後CCI325）に注目しました。この物質は、CuI₄の4面体が2つ連結したユニットがCsイオンで囲まれている構造をとっています（図1）。

図1.（ア）Cs₃Cu₂I₅の結晶構造（緑：セシウムCs、青：銅Cu、紫：ヨウ素I）、密度汎関数計算から得られた（イ）伝導帯下端および（ウ）価電子帯上端の電荷密度

このCu^＋の2量体が発光中心のため、電子的には0次元と見做すことができます^[用語3]。効率の高い発光には光で励起した際に生じる励起子が、室温でも十分に安定である必要があります。この物質中での励起子の結合エネルギーは、およそ500 meVもあり、室温の熱エネルギーの20倍に相当します。これまでの3次元的電子構造をもつ無機ペロブスカイト発光体よりも1桁大きな値になります。この強い結合エネルギーは、電子系が0次元のために励起子が強く閉じ込められた結果と考えることができます。

図2. Cs₃Cu₂I₅単結晶の（ア）発光している試料の写真および（イ）高分解能電子顕微鏡による原子配列像（ウ）溶液法で作製された薄膜の発光（PL）および励起（PL）Eスペクトル

この物質は単結晶だけでなく、薄膜も溶液から合成することができます。発光のピーク波長は430 nm付近に存在し、強い青色発光を示します（図2）。そして、発光の量子効率は単結晶で90%以上、溶液からスピンコート^[用語4]で作製した薄膜でも60%以上で、これまで報告された無機ぺロブスカイト発光体の中では最も高効率です（表1）。

表1. 従来のハライド系青色発光体との量子効率の比較

作製した薄膜を大気中に2ヵ月間放置しても発光効率は低下しませんでした。さらに、新たに開発した黄色発光体と組み合わせると白色発光します。またLEDを試作し、動作できることも確認しました。

今後、電子注入層と正孔注入層を最適化することで高い電流効率が得られると考えられます。

図3. （ア）青色発光のCs₃Cu₂I₅と新規黄色発光体の粉末を混合し、白色フィルムを作製（イ）混合比に伴う色度の変化（ウ）白色フィルムのPLスペクトル（エ）Cs₃Cu₂I₅を発光層に用いた青色発光ダイオード

今後の展開

今回、有害元素を含まず、高い効率で青色に発光する安定な発光体の開発に成功することができました。また、大気中でスピンコートするだけで形成できる実用的なLEDを製造できる可能性が高まりました。製造にあたり日本はヨウ素の埋蔵量が世界2位のため、元素戦略的にも課題は少ないと考えられます。注入する電子と正孔の濃度を同程度になるように電子注入層と正孔注入層を最適化することで、どこまで高効率化が図れるかが今後の課題となります。

論文情報

掲載誌 :	ADVANCED MATERIALS
論文タイトル :	Lead‐Free Highly Efficient Blue‐Emitting Cs3Cu2I5 with 0D Electronic Structure
著者 :	Taehwan Jun, Kihyung Sim, Soshi Iimura, Masato Sasase, Hayato Kamioka, Junghwan Kim, Hideo Hosono（上岡隼人氏の所属は日本大学文理学部、他は東京工業大学）
DOI :	10.1002/adma.201804547

• ありふれた元素で高性能な窒化物半導体を開発│東工大ニュース
• 分子ワイヤの長距離共鳴トンネル現象を室温で確認│東工大ニュース
• 溶液塗布だけでできる透明p型アモルファス半導体を開発│東工大ニュース
• 貴金属を使わない高性能アンモニア合成触媒を開発│東工大ニュース
• 新たな発光材料の可能性を拓く「ナノコンポジット蛍光体」を開発 ―蛍光体探索の新たな道筋を示す―│東工大ニュース
• 新しいシート状物質「ホウ化水素シート（ボロファン）」の誕生 ～優れた水素吸蔵性能を有する新材料～│東工大ニュース
• 新アンモニア合成プロセス実用化へ ―細野秀雄教授 味の素、UMIと新会社―│東工大ニュース
• 東工大の研究グループが有機ELディスプレイの電子注入層と輸送層用の新物質を開発│東工大ニュース
• 高効率スクリーニングによる新しい2価スズ酸化物系光触媒材料の発見│東工大ニュース
• 希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見│東工大ニュース
• 電子を巧みに操り、物質の潜在能力を引き出す ― 細野秀雄（上）│研究ストーリー｜研究
• 電子を巧みに操り、物質の潜在能力を引き出す ― 細野秀雄（下）│研究ストーリー｜研究
• トムソン･ロイター引用栄誉賞に細野秀雄教授、大隅良典特任教授が選出│研究ストーリー｜研究
• 細野秀雄教授が明かすIGZO（イグゾー）薄膜トランジスタ開発物語 Nature Electronics誌に発表│東工大ニュース
• 細野秀雄教授の研究が、高校の化学の教科書に掲載│東工大ニュース
• 細野秀雄教授が英国王立協会外国人会員に選出│東工大ニュース
• 細野・平松研究室 ―研究室紹介 #45―│材料系 News
• 細野・神谷・平松・片瀬研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 細野秀雄 Hideo Hosono
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 金正煥 Junghwan Kim
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 研究成果一覧