フェムト秒レーザーで1本のナノファイバー中の励起子拡散を可視化~独自開発したフェムト秒顕微分光装置による有機半導体ナノ構造における光エネルギー移動の直接観測~

2025-11-27 愛媛大学

愛媛大学の研究グループは、独自開発のフェムト秒顕微分光装置を用い、単一の銅フタロシアニン(CuPc)ナノファイバー内部での励起子拡散を世界で初めて直接観測した。従来は集合体全体の平均値しか得られなかった拡散係数・拡散長を個々のファイバーごとに測定したところ、η相ファイバーはβ相より約3倍高い拡散係数を示すことが判明した。これはη相で分子平面の傾斜角やπ–π重なりが大きく、励起子相互作用が強いことに起因する。また、同一結晶相でもファイバー長が長いほど拡散係数が低下することも確認された。本成果は有機分子結晶における光エネルギー移動メカニズムの理解を大きく前進させ、有機太陽電池や光エネルギー変換デバイスの高効率設計に向けた指針を与える重要な知見である。

<関連情報>

個々の銅フタロシアニンナノファイバーにおける励起子拡散のフェムト秒単粒子分光法 Femtosecond Single-Particle Spectroscopy of Exciton Diffusion in Individual Copper Phthalocyanine Nanofibers

Yukihide Ishibashi,Yuto Shiraishi,Miyu Morita,Ryo Kihara,Tsuyoshi Asahi
The Journal of Physical Chemistry Letters  Published: October 31, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02998

Abstract

フェムト秒レーザーで1本のナノファイバー中の励起子拡散を可視化~独自開発したフェムト秒顕微分光装置による有機半導体ナノ構造における光エネルギー移動の直接観測~

Exciton diffusion in individual copper phthalocyanine (CuPc) nanofibers of β- and η-crystalline phases was investigated using femtosecond single-particle spectroscopy. The exciton diffusion coefficient (D) ranged from 1.6 × 10–5 to 0.079 cm2 s–1 for β-CuPc and from 0.040 to 0.48 cm2 s–1 for η-CuPc, with the η phase showing an average D (0.16 cm2 s–1) nearly ten times larger than that of the β phase (0.020 cm2 s–1). The enhanced transport in η-CuPc is attributed to a stronger excitonic coupling and greater intermolecular overlap. The broad distributions of D within each phase strongly correlated with nanofiber size, with longer fibers exhibiting reduced diffusion, likely due to molecular packing misalignments and shape-induced electronic variations. These findings highlight the essential roles of the crystalline phase and morphology in governing exciton transport in organic nanostructures.

1700応用理学一般
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