はしご型炭化水素分子で有機固体レーザーの高効率・長寿命化を達成

発表者 辻 勇人（化学専攻 准教授）

中村 栄一（化学専攻 教授）

発表のポイント

独自開発のはしご型炭化水素分子であるCOPVを発光色素として用いて、有機固体レーザーの高効率化・長寿命化を達成した。

実用化に要請される、波長可変性、発光帯幅、レーザー発振の閾値などの項目を高いレベルで満たす有機固体レーザーを作製した。

レーザー発振の閾値のさらなる低下などの最適化によって小型で安価なレーザーシステムが構築できれば、多方面への波及効果が期待される。

発表概要

図. はしご型炭化水素分子COPVを用いた有機レーザー 拡大画像

東京大学大学院理学系研究科化学専攻の辻勇人准教授、中村栄一教授らと、スペイン・アリカンテ大学のDíaz-García教授らの国際共同研究グループは、COPVと名付けた独自開発の剛直なはしご型炭化水素化合物を発光色素として用いることで、有機固体レーザーの高効率化・長寿命化に成功した。COPVとマトリックス（ポリスチレン）の混合溶液を用いて溶液プロセスで作製した薄膜で分布帰還型（DFB）とよばれる仕組みのレーザーを作製した。分子の長さに応じて、青色から橙色までの可視光の幅広い範囲に亘って発光色を変えることが可能であり、それぞれで狭い発光帯幅の単一モード発光を達成した。特に、橙色発光を示すCOPV6という材料を用いた場合には、低い閾値、高い利得係数、空気中での長寿命を実現し、既存の色素を凌駕する高いトータル性能を達成した。閾値のさらなる低下と、あらゆる発光色における長寿命化が今後の課題であり、これらが実現できれば汎用性の高い小型で安価なレーザーシステムが構築でき、通信、測量、加工など多方面への波及効果が期待される。

発表内容

レーザーは、研究、通信、測量、加工、照明、センシング、治療など非常に幅広い用途に使われており、現代社会には欠かせない技術である。小型で安価なデバイスはレーザーの応用の可能性をさらに広げるものと期待されており、その材料としては有機色素が最有力候補である。実用的には、波長可変性、発光帯幅、レーザー発振の閾値、利得、寿命、低温・溶液プロセス性など全ての要件を満たすことが必要であるが、既存の有機色素ではいずれかの要件は満たすものの、全てを満足するものはこれまでに報告されていない。

辻勇人准教授、中村栄一教授らとDíaz-García教授らの国際共同研究グループは、特徴的な剛直はしご型分子構造を持つ炭化水素化合物である「炭素架橋オリゴフェニレンビニレン」（略して「COPV」、図a）を発光色素として用いることで、有機固体レーザーの高効率・長寿命化に成功した。なお、東大グループは化合物の合成、スペインのグループはレーザー素子の作製と評価を担当した。レーザー発振には光ポンピング（注1）を用いた。

COPVとマトリックス（ポリスチレン）の混合溶液から溶液プロセスで作製した薄膜を用いて、分布帰還型（DFB（注2））とよばれる仕組みのレーザーを作製した（図b、c）。分子のサイズに応じて可視光の幅広い範囲（408〜591 nm、青色から橙色に相当）に亘って発光色を変えることができ、それぞれの発光色において線幅の狭い単色性を示した（図d）。COPV3からCOPV6という比較的長い分子を用いた場合には、良好な効率と寿命を示した。特に、橙色領域に発光を示すCOPV6を用いると、低いレーザー発振閾値（0.7 kW/cm2 = 70 nJ/pulse）、狭い発光帯幅（0.13 nm）、空気中での長い寿命（10万回以上の発振が可能）と、既存の色素を凌駕する高いトータル性能を達成した。一方で、COPV1やCOPV2という短い分子を用いた場合は青色（短波長）領域に発光を示すが、閾値や寿命に問題が残っており、今後これらの課題を解決する必要がある。

今回、高効率化を実現した要因としては、COPVの極めて高い発光効率（注3）（ほぼ100%）が挙げられる。また、デバイスの長寿命化を実現した要因としては、炭素のみから成る剛直な分子骨格、分子軌道の広がり、さらには側鎖の立体保護効果が寄与しているものと考えられる。これらの要因は、どちらもCOPVの分子構造に起因するものであり、本研究から得られた分子構造とデバイス性能・安定性の関係についての知見は、今後のレーザー色素開発のための設計指針となると期待される。デバイス構造や分子構造の最適化などによって、発光ダイオードなどの弱い光を用いたポンピングでも発振が可能になると、小型で安価なレーザーシステムが構築できるようになり、多方面への波及効果が期待される。

本研究は、国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）「新物質科学と元素戦略」研究領域（研究総括：細野 秀雄 東京工業大学 フロンティア研究機構／応用セラミックス研究所 教授）」における研究課題「有機エレクトロニクスの革新に資するユビキタス有機材料の開発（研究者名：辻 勇人、研究期間：2011年10月〜2015年3月）」の一環として行われた。

発表雑誌

雑誌名 Nature Communications （2015年9月29日オンライン版） 論文タイトル Carbon-bridged oligo(p-phenylenevinylene) for photostable and broadly tunable, solution-processable thin film organic lasers 著者 Marta Morales-Vidal, Pedro G. Boj, José M. Villalvilla, José A. Quintana, Qifan Yan, Nai-Ti Lin, Xiaozhang Zhu, Nopporn Ruangsupapichat, Juan Casado, Hayato Tsuji＊, Eiichi Nakamura＊, María A. Díaz-García＊ DOI番号 10.1038/NCOMMS9458 要約URL http://www.nature.com/naturecommunications

用語解説