超分子ナノファイバーにおける励起子の長距離輸送 ーエネルギーの無損失輸送に向けてー

2026-08-13 東京科学大学

東京科学大学、量子科学技術研究開発機構などの共同研究チームは、自己組織化した超分子ナノファイバー内で励起子が最大350 nmという極めて長距離を輸送できることを実証した。励起子は光エネルギーを担う電子・正孔対であり、その効率的な輸送は有機太陽電池や発光デバイスの性能向上に不可欠である。研究では、BPEA誘導体からなる高度に秩序化された超分子ナノファイバーを作製し、時間・空間分解蛍光顕微鏡法によって励起子輸送を直接可視化した。その結果、最大0.7 cm²/sの拡散係数と最大350 nmの輸送長を達成し、有機固体として最高水準の性能を示した。さらに量子化学計算から、励起子の非局在化と局所励起状態・電荷移動状態の混合が長距離輸送の要因であることを解明した。加えて、金ナノホールアレイによる表面プラズモン効果を利用することで輸送距離を2倍以上に増強し、1 μm超の輸送を実現した。本成果は、エネルギー損失の少ない次世代光電子デバイスや励起子エレクトロニクスの実現に向けた重要な指針となる。


図1. (a)BPEAコアを持つモノマー化学構造と超分子ナノファイバーの構造
(b)超分子ナノファイバーの蛍光顕微鏡イメージ
(c)ナノファイバーの1か所で得られた蛍光寿命対位置の2次元プロット
(d)励起子拡散係数Dの分布
(e)励起子輸送長LTの分布
(f)最も強い遷移について自然遷移軌道対を用いた励起状態の可視化

<関連情報>

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Nithin Pathoor;Qiwen Tan;Wenhao Zhang;Misa Nozaki;Takatoshi Fujita;Toranosuke Takagi;Shun Omagari;Yoshimitsu Sagara;Martin Vacha
Nano Letters  Published:July 09, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02411

Abstract

Efficient singlet exciton transport is essential for optoelectronic applications, but in organic solids exciton diffusion is limited to tens of nanometers. We study exciton transport in supramolecular nanofibers self-assembled from 9,10-bis(phenylethynyl)anthracene (BPEA) derivatives end-capped with hydrophilic dendritic structures. Hydrogen bonds determine the nanofiber structure and induce J-aggregate character of the BPEA chromophores. Position-dependent fluorescence lifetime reveals exciton diffusion lengths up to 350 nm and diffusion coefficients up to 0.7 cm2/s, among the highest reported for organic solids. Quantum-chemical calculations combined with exciton diffusion simulations qualitatively reproduce the spectral properties and diffusion behavior. Structural rigidity, exciton delocalization over 2–3 monomers, and mixing of the locally excited and charge-transfer states are proposed as factors enabling the long-range transport. Additionally, plasmonic nanohole gold substrates enhance exciton transport by more than 2-fold, with a nanofiber orientation revealing the role of local electric field in the plasmonic enhancement of the Förster-type exciton transport.

0403電子応用
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