銀ナノクラスターにおける「1原子の違い」で室温発光効率が77倍向上 高効率発光材料の開発に道

2025-10-14 分子科学研究所

分子科学研究所の江原正博教授らの研究チームは、銀ナノクラスターの中心原子を1個だけ置き換えることで発光効率が劇的に変化することを発見した。研究では、13個の銀原子からなるAg₁₃クラスターと、中心の1原子を銅に置換したAg₁₂Cu₁クラスターを比較。構造はほぼ同一であるにもかかわらず、Ag₁₂Cu₁では発光量子収率が77倍に向上した。量子化学計算と分光解析の結果、Cu原子の導入が電子の局在化を高め、非放射失活経路を抑制することで発光効率を著しく改善することが分かった。この結果は、わずか1原子の組成変化がナノスケール材料の光学特性を根本的に変えることを示しており、量子発光デバイスや高効率光触媒などの分子設計に新しい方向性を与える。成果は『Nature Communications』誌に掲載された。

銀ナノクラスターにおける「1原子の違い」で室温発光効率が77倍向上 高効率発光材料の開発に道
図1. (a)Ag78と(b)Ag79の構造比較。Ag78では外殻に60個のAg原子があり、C3対称性を形成。Ag79では外殻に61個のAg原子があり、C3対称性が崩壊。

<関連情報>

銀原子の過剰取り込みによる高核銀ナノクラスターの光ルミネッセンスの誘発 Triggering Photoluminescence in High-Nuclear Silver Nanoclusters via Extra Silver Atom Incorporation

Aoi Akiyama,Sakiat Hossain,Sourav Biswas,Takafumi Shiraogawa,Pei Zhao,Mana Nakamoto,Daiji Ogata,Tokuhisa Kawawaki,Yoshiki Niihori,Junpei Yuasa,Masahiro Ehara,and Yuichi Negish
Journal of the American Chemical Society  Published: September 30, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c10289

Abstract

Photoluminescence (PL) in silver (Ag) nanoclusters (NCs) is intrinsically linked to their structural architecture, yet their low quantum yield at room-temperature hinders practical applications. Although various strategies have been explored to enhance the PL efficiency of Ag NCs, their effectiveness in high-nuclear Ag NCs remains largely uncertain. Here, we demonstrate a 77-fold enhancement in room-temperature PL quantum yield by modulating both radiative and nonradiative decay pathways in high-nuclear Ag NCs. A comparative study of two anion-templated Ag NCs, differing by a single Ag atom in the outermost shell, reveals that this substitution lowers structural symmetry, thereby increasing the radiative decay rate. This structural modification is facilitated by the alterations in ligands and their coordination environment, which simultaneously suppress atomic fluctuations and reduce the nonradiative decay component. Furthermore, theoretical investigations corroborate these findings, indicating that the incorporation of an additional Ag atom modifies the electronic distribution, thereby influencing the PL characteristics and ultimately altering the emission mechanism. These insights provide a deeper understanding of the structure–property relationship in high-nuclear Ag NCs and offer a rational strategy for enhancing their luminescence efficiency for potential applications.

0502有機化学製品
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