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有害元素フリーの高効率青色発光体を実現 ~LEDをマイルドな製造環境で作製可能に~

 東京工業大学は2018年9月20日,同大学 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 正煥助教らの研究グループが,ペロブスカイト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たと発表した.本成果は,文部科学省 元素戦略プロジェクト<拠点形成型>事業,研究課題「東工大元素戦略拠点」によって得られ,ドイツ科学誌Advanced Materialsオンライン版で公開された(注).

 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活用され,有機分子層を電子注入層と正孔注入層で挟んで電圧を印加し電子と正孔を結合させる有機発光ダイオード(OLED)は大面積ディスプレイへの展開が期待される.しかしながら,有機発光層の発光効率や化学的安定性などの問題があり,有機無機ハイブリッド材料のペロブスカイトが注目されるようになったが,ハライドペロブスカイトCsPbX3(X=Cl, Br, I)のように,鉛やカドミウムなどの有毒元素を含むことが多い.

 これに対し本研究グループは,有害な元素あるいは化学的に弱い有機物を含まないペロブスカイトに類似した構造を持つCs3Cu2I5(CCI325)に注目した.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できる.また,Csイオンが2つの4面体CuI4の連結したユニットを囲む構造をとり,Cu+の2量体が発光中心となるので,電子的には量子ドット同様に0次元と見做すことができる.密度汎関数理論でエネルギー帯構造の計算を行い,発光を支配する励起子がCu+の2量体に強く閉じ込められていることを明らかにした.励起子の結合エネルギーは490meVと室温の熱エネルギーの20倍となって励起子が安定するため,高効率発光が可能となる.

 Cs3Cu2I5を溶液から合成して,単結晶や薄膜を作り,波長300nmの紫外光に対する光電子発光(PL)を観察すると,波長445nmの強い青色発光が見られた.発光の量子効率は単結晶で90%を超え,溶液からスピンコートで作製した薄膜でも60%以上で,これまで報告された無機ペロブスカイト発光体の中では最も高い効率が得られた.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なかった.また,別途開発した黄色発光体と組み合わせて,白色発光ができた.さらに,Cs3Cu2I5層を電子注入層と正孔注入層で挟んでLEDを作製し,電圧8V,電流密度103mA/cm2で輝度14cd/m2の青色発光を得ている.電子注入層と正孔注入層を最適化すれば,さらに高い電流効率が得られるという.

 本研究は,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し,大気中のスピンコートという簡易な手段でLEDを製造できる可能性が高まった.日本はヨウ素(I)の埋蔵量が世界2位のため,元素戦略的にも,Cs3Cu2I5は日本にとって有利な材料と言える.デバイス構造最適化による高効率化が今後の課題としている.

(注)Taehwan Jun, Kihyung Sim, Soshi Iimura, Masato Sasase, Hayato Kamioka, Junghwan Kim, and Hideo Hosono, "Lead‐Free Highly Efficient Blue‐Emitting Cs3Cu2I5 with 0D Electronic Structure", Advanced Materials, Early View, DOI : 10.1002/adma.201804547; Published 14 September 2018