JP4936638B2 - Luminescence source by charge transfer complex molecule and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、電子供与体分子と電子受容体分子の相互作用によって形成される、単一分子の状態にて孤立した状態にて固定化された電荷移動錯体分子の発光機能による発光源、及び当該発光源の製造を行う前提となる当該電荷移動錯体分子をポリマーマトリックス中に固定化する方法に関するものである。 The present invention relates to a light-emitting source based on the light-emitting function of a charge transfer complex molecule immobilized in an isolated state in the state of a single molecule formed by the interaction of an electron donor molecule and an electron acceptor molecule, and The present invention relates to a method of immobilizing a charge transfer complex molecule, which is a premise for producing a light emitting source, in a polymer matrix.
次世代のオプトエレクトロニクス技術および量子情報技術に必須とされる微小な発光素子を構成する要素として、人工的に制御された量子2準位系という微小量子発光体(以下微小量子発光体と呼ぶ)の開発が進められており、その開発途上にある例として、半導体量子ドットが注目されている。 Artificially controlled quantum two-level micro-quantum emitter (hereinafter referred to as micro-quantum emitter) as a component of minute light-emitting elements essential for next-generation optoelectronic technology and quantum information technology As an example in the process of development, semiconductor quantum dots are attracting attention.
前記半導体量子ドットにおいては、電子を半導体化合物の微細加工によって形成された三次元の空間に閉じこめ、電子の励起状態を離散化することにより、丁度原子において、原子核の周囲において形成されている電子のエネルギー順位の離散状態と同じような状態を人工的に作出している。 In the semiconductor quantum dot, electrons are confined in a three-dimensional space formed by microfabrication of a semiconductor compound, and the excited state of the electrons is discretized, so that the electrons just formed in the periphery of the nucleus A state similar to the discrete state of energy ranking is artificially created.
このような半導体量子ドットにおいては、本来の半導体化合物自体の状態(バルクの状態)とは異なる、特異な光機能性を発現する。即ち、離散化された電子準位と輻射場の相互作用によって、光を量子論的に制御する機能が発現しうることが注目されており、当該機能は、単一光子を用いた量子暗号や電子系の量子状態を光として読み出す量子中継などの量子情報技術において不可欠とされている。 Such a semiconductor quantum dot expresses a unique optical functionality that is different from the original state (bulk state) of the semiconductor compound itself. That is, it has been noticed that the function of controlling light in a quantum theory can be expressed by the interaction between the discretized electron level and the radiation field, and this function can be expressed by quantum cryptography using a single photon, It is indispensable in quantum information technology such as quantum relay that reads the quantum state of an electronic system as light.
しかしながら、前記のごとき機能を応用する為には量子ドットのサイズや配置を極限的に制御することを必要とするが、実際には、前記機能を実現するための素材の選択肢が限定的であり、しかも、製造コストが安価ではない等の様々な問題点を抱えている。 However, in order to apply the functions as described above, it is necessary to limit the size and arrangement of the quantum dots, but in practice, there are limited choices of materials for realizing the functions. Moreover, it has various problems such as low manufacturing costs.
更には、量子ドットによる前記機能を発揮するための動作温度は、4〜77Kと低温であり、実用化に向けて、常温で動作する系の開発が急務となっているが、現時点では、このような常温の動作が実現するには至っていない。 Furthermore, the operating temperature for exhibiting the above functions by quantum dots is as low as 4 to 77 K, and there is an urgent need to develop a system that operates at room temperature for practical use. Such room temperature operation has not been realized.
前記量子ドットの如き発光機能とは別に、微小量子発光体として、有機化合物からの分子発光を利用する方法が注目されている。 In addition to the light emitting function such as the quantum dots, a method using molecular light emission from an organic compound has attracted attention as a micro quantum light emitter.
当該方法においては、有機分子を集団としてではなく、単一の分子を素子の単位として孤立した状態にて固定化し、量子2準位として作用する微小量子発光体として利用している。 In this method, organic molecules are not collected as a group, but a single molecule is fixed as an element unit in an isolated state and used as a micro quantum light emitter that acts as a quantum two level.
通常、有機化合物分子は、既存の化合物群からの選択幅が広いこと、分子設計によって新規の構造を合成できること、さらに透明なマトリックス材料との相溶化などの加工処理が容易であること等、多くの利点を有している。 In general, organic compound molecules have a wide selection range from existing compound groups, can synthesize new structures by molecular design, and are easy to process such as compatibilization with transparent matrix materials. Has the advantage of
このような状況を反映して、有機蛍光色素や芳香族化合物の単一分子分光に関する研究が、数例、報告されている。 Reflecting this situation, several studies on single-molecule spectroscopy of organic fluorescent dyes and aromatic compounds have been reported.
しかしながら、有機化合物分子は、一般的には、化学的、物理的な安定性に問題があり、具体的には耐光性に劣っており、特に、分子自身が放射する光による光化学反応による劣化を克服することが必須の課題とされていた。 However, organic compound molecules generally have problems in chemical and physical stability, specifically inferior in light resistance, and in particular, deteriorate due to photochemical reaction due to light emitted by the molecules themselves. Overcoming it was an essential issue.
以上のような背景にもとづき、本発明では、電子供与体分子と電子受容体分子との分子間相互作用によって形成される電荷移動錯体に着目し、電荷移動錯体を単一分子状に孤立した状態にて固定化したうえで、発光源として使用し得る基本的技術思想を提供することを課題としている。 Based on the above background, the present invention focuses on the charge transfer complex formed by the intermolecular interaction between the electron donor molecule and the electron acceptor molecule, and the charge transfer complex is isolated in a single molecule state. It is an object of the present invention to provide a basic technical idea that can be used as a light emission source after being fixed in the above.
前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
(1).ポリマーマトリックスを形成することを予定している樹脂溶液中に電子供与体分子、及び電子受容体分子を前記樹脂溶液1g当りそれぞれ10−5〜10−9moleの濃度にて均一に分散させたことによる溶液を、薄膜状に塗布し、かつ当該薄膜を固化させる過程において、前記電子供与体分子と電子受容体分子との相互作用で形成される電荷移動錯体分子を、当該ポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化する発光源の製造方法、
(2).前記(1)の方法によって製造されたポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源、
からなる。
In order to solve the above problems, the basic configuration of the present invention is as follows.
(1). An electron donor molecule and an electron acceptor molecule were uniformly dispersed at a concentration of 10 −5 to 10 −9 moles per gram of the resin solution in a resin solution that is scheduled to form a polymer matrix. single by the solution was applied to the thin film, and in the process of solidifying the thin film, a charge transfer complex molecule formed by the interaction of the electron donor molecules and electron acceptor molecules, in the polymer matrix A method for producing a light-emitting source that is immobilized in a molecularly isolated state,
(2). A light emitting source immobilized in a single molecular isolated state in the polymer matrix produced by the method of (1) ,
Consists of.
前記基本構成(2)のポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源においては、電荷移動錯体分子の2準位形成により、単独分子の分子内遷移よりも小さいエネルギーで発光するため、有機色素分子などの単一分子よりも耐光性に優れている。 In the light emitting source immobilized in a single molecule isolated state in the polymer matrix of the basic configuration (2), it is smaller than the intramolecular transition of a single molecule due to the two-level formation of the charge transfer complex molecule. Because it emits light with energy, it has better light resistance than single molecules such as organic dye molecules.
しかも、ポリマーマトリックス中に、単一分子の状態に孤立した状態にて固定化された電荷移動錯体からの発光の波長、強度あるいは偏光特性等は、電荷移動錯体を形成する電子供与体と電子受容体の分子間距離、あるいは両分子の配向状態によって変化するため、電荷移動錯体分子に基づく発光源は、有機色素分子等の単独分子系の発光源よりも大きな状態制御の自由度を有しており、有機色素分子等の単一分子系の光源では実現できないような高次の機能を発揮することができる。 In addition, the wavelength, intensity, or polarization characteristics of the light emission from the charge transfer complex immobilized in a single molecule state in the polymer matrix depends on the electron donor and electron acceptor that form the charge transfer complex. The light-emitting source based on charge transfer complex molecules has a greater degree of freedom of state control than single-molecule light-emitting sources such as organic dye molecules, because it varies depending on the intermolecular distance of the body or the orientation state of both molecules. Therefore, it is possible to exhibit higher-order functions that cannot be realized with a single molecular light source such as an organic dye molecule.
即ち、本発明に基づく電荷移動錯体分子を単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源は、外部応力によるマトリックスの空間構造の変化で動作する微小光スイッチ、電場等の外場によって制御可能な微小光源、あるいは量子暗号や量子中継技術などの量子情報技術において不可欠とされている単一光子発生光源としての応用が考えられ、多大な有用性を期待することができる。 That is, the light-emitting source in which the charge transfer complex molecules according to the present invention are immobilized in a single molecule isolated state is an external field such as a micro optical switch or an electric field that operates by a change in the spatial structure of the matrix due to external stress. It can be applied as a micro light source that can be controlled by a single light source, or as a single photon generation light source that is indispensable in quantum information technology such as quantum cryptography and quantum relay technology.
前記(2)のポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源は、光源が光の波長に比べて圧倒的に小さい状態にあるが、前記(2)の物の構成は、前記(1)の製造方法に由来していることから、当該製造方法に関する基本的事項について最初に説明する。 Emitting source that is immobilized in an isolated state in a single molecularly polymer matrix of the (2), the light source is in the overwhelmingly smaller state than the wavelength of light, those of the (2) Since the configuration of is derived from the manufacturing method of (1) , basic items related to the manufacturing method will be described first.
電荷移動錯体とは、化学反応の過程において、電子供与体分子と電子受容体分子の相互作用により過渡的に形成される反応中間体として提案され、反応溶液の分光測定により、その存在が確認されたものである(R.S.Mulliken, J. Amer. Chem.Soc.,72, 600 (1950)。 A charge transfer complex is proposed as a reaction intermediate formed transiently by the interaction between an electron donor molecule and an electron acceptor molecule in the course of a chemical reaction, and its presence is confirmed by spectroscopic measurement of the reaction solution. (RSMulliken, J. Amer. Chem. Soc., 72, 600 (1950).
溶液中における電荷移動錯体の濃度は、電子供与体分子と電子受容体分子の濃度の積に比例することから、これまで、極めて希薄な溶液は、測定の対象とはされていなかった。 Since the concentration of the charge transfer complex in the solution is proportional to the product of the concentration of the electron donor molecule and the electron acceptor molecule, so far a very dilute solution has not been measured.
このような状況を反映して、電荷移動錯体分子を、あえて単一分子の状態に孤立した状態にて固定化する試みは行われていなかった。 Reflecting this situation, no attempt has been made to fix the charge transfer complex molecule in a single molecule state in an isolated state .
従って、電子供与体と電子受容体から形成される電荷移動錯体の単一分子について分光測定を行い、その孤立した分子対を微小量子光源として利用するためには、溶液状態ではなく、ポリマー等の透明なマトリックス中に、孤立した状態にて固定化して保持することが必要である。 Therefore, in order to perform spectroscopic measurement on a single molecule of a charge transfer complex formed from an electron donor and an electron acceptor and to use the isolated molecular pair as a micro quantum light source, it is not a solution state but a polymer or the like. It is necessary to fix and hold in an isolated state in a transparent matrix.
前記基本構成(1)においては、ポリマーマトリックスを形成し得る樹脂の一定量に、規定濃度の電子供与体分子の溶液と電子受容体分子の溶液とを加えて、系を均一化させた後、例えばスピンコーティング法によって、基板上に薄膜を形成することになる。 In the basic configuration (1) , a predetermined amount of the electron donor molecule solution and the electron acceptor molecule solution are added to a certain amount of the resin capable of forming the polymer matrix, and the system is homogenized. For example, a thin film is formed on the substrate by spin coating.
尚、発光源を形成する方法としては、スピンコーティング法に限定される訳ではなく、ディップコーティング法(浸漬引き上げ法)、ポリマー溶液のキャスト法の何れかの方法であっても良い。 The method for forming the light emitting source is not limited to the spin coating method, and any one of a dip coating method (a dip pulling method) and a polymer solution casting method may be used.
このように電荷移動錯体分子を保持する樹脂としては、ポリスチレン、ポリメタアクリル酸メチルが適切であるが、その他のポリメタアクリル酸エステル類、ポリアクリル酸エステル類、ポリカーボネートが好適である。 Thus, as the resin for holding the charge transfer complex molecule, polystyrene and polymethyl methacrylate are suitable, but other polymethacrylates, polyacrylates, and polycarbonate are suitable.
尚、前記基本構成(2)のポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源を固定化するポリマーマトリックスを形成する樹脂としては、通常透明(但し有色透明をも含む)樹脂を採用する。 The resin for forming the polymer matrix for immobilizing the light emitting source immobilized in a single molecule isolated state in the polymer matrix of the basic structure (2) is usually transparent (however, colored transparent Including resin.
前記基本構成(1)において樹脂を溶解する際には、良好な溶解性を有するような溶剤、例えばポリスチレンについては、トルエン、1−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミドのような極性溶媒が用いられる。 When the resin is dissolved in the basic structure (1) , a solvent having good solubility, for example, for polystyrene, a polar solvent such as toluene, 1-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide is used. .
前記基本構成(2)のポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源における電子供与体分子としては、アントラセン、9−メチルアントラセン、9,10−ジメチルアントラセン、9−ヒドロキシメチルアントラセン、フェナントレン、ピレン、ペリレンが好ましい。また、電子受容体分子としては、テトラシアノベンゼン、ジニトロベンゼン、ピロメリット酸二無水物が好ましい。 Examples of the electron donor molecule in the light emitting source immobilized in a single molecule isolated state in the polymer matrix of the basic configuration (2) include anthracene, 9-methylanthracene, 9,10-dimethylanthracene, 9 -Hydroxymethylanthracene, phenanthrene, pyrene and perylene are preferred. As the electron acceptor molecule, tetracyanobenzene, dinitrobenzene, and pyromellitic dianhydride are preferable.
前記基本構成(1)の製造方法において、透明な樹脂を採用した場合には、当該透明な樹脂によって形成されたマトリックス中に固定化したことによる前記基本構成(2)のポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源を得ることができる。 In the manufacturing method of the basic configuration (1) , when a transparent resin is employed, a single resin is fixed in the polymer matrix of the basic configuration (2) by being immobilized in the matrix formed of the transparent resin. A light-emitting source immobilized in a molecularly isolated state can be obtained.
前記基本構成(1)に関する具体的なプロセスは、以下の(a)、(b)のとおりである。
(a)電荷移動錯体分子を含むポリマー溶液の調製
電子供与体分子、あるいは電子受容体分子の一定量を、それぞれ個別に精密天秤で秤量し、メスフラスコを用いて所定濃度の溶液を調製する。次に蓋付きガラス瓶中に、一定量の透明樹脂を量りとり、先に調製した電子供与体分子、及び電子受容体分子を前記樹脂溶液1g当りそれぞれ10−5〜10−9moleの濃度とする溶液の一定量を、それぞれメスピペットを用いて前記溶剤と伴に注入し、一昼夜、放置すると、均一なポリマー溶液が得られる。以上の操作により、マトリックスポリマーの単位重量あたりの電子供与体分子、および電子受容体分子の濃度が既知であるポリマー溶液が調製される。電荷移動錯体分子は、ポリマーが溶解して均一溶液となる過程において、電子供与体分子、及び電子受容体分子の相互作用で化学平衡的に形成され、かつ前記ポリマー溶液中で均一に分散される。
(b)電荷移動錯体分子を含むポリマー薄膜の調製
前記(a)によって調製した均一なポリマー溶液を、スピンコーターに装着したガラス基板上に滴下し、所定の回転速度で回転することによって、前記滴下した部分を漸次展開することによって薄膜を調製する。膜厚0.1〜1.0ミクロンの薄膜を調製するためには、通常、500〜4,000RPMの回転速度で、10〜30秒間、展開する。調製されたポリマー薄膜を自然乾燥により固化する過程において、電荷移動錯体分子は、ポリマーマトリックス中に、単一分子状に孤立した状態にて固定化される。
Specific processes relating to the basic configuration (1) are as follows (a) and (b).
(A) Preparation of Polymer Solution Containing Charge Transfer Complex Molecule A certain amount of electron donor molecule or electron acceptor molecule is individually weighed with a precision balance, and a solution having a predetermined concentration is prepared using a measuring flask. Next, a certain amount of transparent resin is weighed in a glass bottle with a lid, and the electron donor molecule and the electron acceptor molecule prepared above are each adjusted to a concentration of 10 −5 to 10 −9 mole per 1 g of the resin solution. When a certain amount of the solution is injected together with the solvent using a measuring pipette and left overnight, a uniform polymer solution can be obtained. By the above operation, a polymer solution having a known concentration of electron donor molecules and electron acceptor molecules per unit weight of the matrix polymer is prepared. The charge transfer complex molecule is formed in a chemical equilibrium by the interaction of the electron donor molecule and the electron acceptor molecule and is uniformly dispersed in the polymer solution in the process in which the polymer dissolves into a homogeneous solution. .
(B) Preparation of polymer thin film containing charge transfer complex molecule The uniform polymer solution prepared in (a) above is dropped on a glass substrate mounted on a spin coater, and rotated at a predetermined rotation speed, whereby the dropping is performed. A thin film is prepared by gradually unfolding the part. In order to prepare a thin film having a thickness of 0.1 to 1.0 microns, the film is usually developed for 10 to 30 seconds at a rotational speed of 500 to 4,000 RPM. In the process of solidifying the prepared polymer thin film by natural drying, the charge transfer complex molecules are immobilized in the polymer matrix in a single molecular isolated state.
前記(a)及び(b)のプロセスによって得られた電荷移動錯体分子を含むポリマー薄膜試料を用いて、前記基本構成(2)のポリマーマトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された発光源を製造し、レーザー走査顕微分光法の測定を行った結果、例えば、ポリスチレン1g当たりのアントラセン、テトラシアノベンゼンの濃度が、それぞれ10−5mole以下である場合には、室温において、孤立した単一分子特有の発光スペクトルが観測されたが、当該発光源は、光の波長に比べて圧倒的に小さい状態であり、しかも著しい偏光特性を示していた。 Using a polymer thin film sample containing a charge transfer complex molecule obtained by the processes of (a) and (b), the polymer matrix of the basic configuration (2) is immobilized in a single molecule isolated state. As a result of producing the emitted light source and measuring by laser scanning microspectroscopy, for example, when the concentrations of anthracene and tetracyanobenzene per gram of polystyrene are 10 −5 moles or less, at room temperature, Although an emission spectrum unique to an isolated single molecule was observed, the emission source was overwhelmingly smaller than the wavelength of light, and showed a remarkable polarization characteristic.
このように、電荷移動錯体分子をマトリックス中において単一分子状に孤立した状態にて固定化することが実現化され、その量子光源としての機能を示す発光特性を確認することができた。 Thus, it was realized that the charge transfer complex molecule was immobilized in a single molecule isolated state in the matrix, and the light emission characteristics showing the function as a quantum light source could be confirmed.
以下、一対の電子供与体分子と電子受容体分子とから形成される電荷移動錯体分子が、単一分子の状態に孤立した状態にて固定化されていることを具体的に裏付けている実施例において、図面に即して説明する。 Examples that specifically support that the charge transfer complex molecules formed from a pair of electron donor molecules and electron acceptor molecules are immobilized in a single molecule state in isolation. The explanation will be given with reference to the drawings.
0.100gのポリスチレンペレットを、容量30ccの蓋付きガガラス瓶に秤量し、アントラセン、およびテトラシアノベンゼンの2×10−4mole/lの濃度のトルエン溶液の各5mlを加えて、一昼夜、放置し、均一なポリマー溶液を調製した。このポリマー溶液の数滴を、スピンコーターに装着したガラス基板上に滴下し、毎分4,000回の回転数で、10秒間、展開すると、0.1μmの厚みを有する光学的に透明なポリマー薄膜が形成される。調製された試料中の電子供与体分子、電子受容体分子の濃度は、ポリスチレンマトリックス1g当り、それぞれ10−6moleであった。 Weigh 0.100 g of polystyrene pellets into a glass bottle with a cap of 30 cc, add 5 ml each of anthracene and a solution of tetracyanobenzene in a concentration of 2 × 10 −4 mole / l in toluene, and leave it overnight. A homogeneous polymer solution was prepared. When a few drops of this polymer solution are dropped on a glass substrate mounted on a spin coater and developed for 10 seconds at 4,000 revolutions per minute, an optically transparent polymer thin film with a thickness of 0.1 μm is formed. Is done. The concentration of the electron donor molecule and the electron acceptor molecule in the prepared sample was 10 −6 mole per 1 g of the polystyrene matrix.
同様にして、濃度の異なるアントラセン、テトラシアノベンゼンの溶液を用いることにより、ポリスチレン中の電子供与体分子、電子受容体分子の濃度は、それぞれ、10−2 〜10−9 mole /g(ポリスチレン)であって、その結果として、電子供与体、および電子受容体の濃度の積に比例する濃度の電荷移動錯体分子を保持するポリマー薄膜を調製することができた。 Similarly, by using solutions of anthracene and tetracyanobenzene having different concentrations, the concentrations of the electron donor molecule and the electron acceptor molecule in polystyrene are 10 −2 to 10 −9 mole / g (polystyrene), respectively. As a result, it was possible to prepare a polymer thin film holding a charge transfer complex molecule at a concentration proportional to the product of the electron donor and electron acceptor concentrations.
マトリックス材料としてポリスチレンにかえて、ポリメタアクリル酸メチルを選択し、ピレン、ペリレン、フェナントレンをそれぞれ電子供与体分子、芳香族シアノ化合物、ピロメリット酸二無水物をそれぞれ電子受容体分子とする種々の組みあわせの系についても、実施例1による方法と同じような工程を採用したところ、実施例1と同様の電荷移動錯体分子を保持するポリマー薄膜を調製することができた。 Instead of polystyrene as the matrix material, polymethyl methacrylate is selected, and pyrene, perylene, and phenanthrene are used as electron donor molecules, aromatic cyano compounds, and pyromellitic dianhydride as electron acceptor molecules, respectively. As for the combination system, a process similar to that of the method according to Example 1 was adopted. As a result, a polymer thin film holding the same charge transfer complex molecule as in Example 1 could be prepared.
図1は、ポリマーマトリックス中に固定化された電荷移動錯体分子の発光特性を観測するための、レーザー顕微分光測定装置を示している。 FIG. 1 shows a laser microspectrometer for observing the light emission characteristics of charge transfer complex molecules immobilized in a polymer matrix.
連続発振(CW) NdYVO4レーザーの第二高調波光(波長532 nm)を光源として、ピエゾ素子制御の微動台上に装着した電荷移動錯体分子を保持するポリマー薄膜試料の10 (μm)×10(μm)の領域を、約3分間で2次元的に走査して、電荷移動錯体からの発光を記録した。測定温度は室温であり、試料面上での受光強度は30 μWであった。 Continuous (CW) NdYVO 4 laser second harmonic light (wavelength 532 nm) as the light source 10 (μm) × 10 ( The region of μm) was scanned two-dimensionally in about 3 minutes to record the emission from the charge transfer complex. The measurement temperature was room temperature, and the received light intensity on the sample surface was 30 μW.
図2は、実施例1によって製作した、異なる濃度の電荷移動錯体分子を含むポリマー薄膜試料の、発光状態の2次元画像を示している。 FIG. 2 shows a two-dimensional image of the emission state of polymer thin film samples prepared according to Example 1 and containing different concentrations of charge transfer complex molecules.
電子供与体分子であるアントラセンと電子受容体分子であるテトラシアノベンゼンの濃度が、ポリスチレン1gあたりそれぞれ、10-6 moleである試料(A)では、発光は微小な孤立した状態であるのに対して、アントラセンとテトラシアノベンゼンの濃度が、それぞれ10-3 moleである試料(B)では、発光がより大きな面積に広がっている様子が見える。 In the sample (A) in which the concentrations of anthracene as an electron donor molecule and tetracyanobenzene as an electron acceptor molecule are 10 -6 moles per gram of polystyrene, light emission is in a minute and isolated state. In the sample (B) in which the concentrations of anthracene and tetracyanobenzene are each 10 −3 mole, it can be seen that light emission spreads over a larger area.
試料の(A)、および(B)の発光点を特定して、その発光強度の時間依存性を測定した結果を、図3に示す。 FIG. 3 shows the results of measuring the time dependence of the emission intensity by specifying the emission points (A) and (B) of the sample.
試料(B)の発光強度は、時間とともに連続的に減少するのに対して、試料(A)は、単一分子の発光挙動を特徴付ける、いわゆる櫛状のパターンを示すことが確認された。 It was confirmed that the emission intensity of the sample (B) continuously decreases with time, whereas the sample (A) exhibits a so-called comb-like pattern characterizing the emission behavior of a single molecule.
単一分子の発光が櫛状を示すことの一般的な説明は、基底状態と励起一重項状態との間での励起と急速な緩和(蛍光放出)が頻繁に繰り返される状態がON(明)状態であり、偶々電子が比較的、寿命の長い三重項励起状態に遷移した場合にはこの蛍光が発生しない状態となり、OFF(暗)状態となるためとされている。 The general explanation for the emission of a single molecule in a comb shape is that the state in which excitation and rapid relaxation (fluorescence emission) between the ground state and the excited singlet state are repeated frequently is ON (bright). In this state, when an electron accidentally transits to a triplet excited state having a relatively long lifetime, this fluorescence is not generated, and an OFF (dark) state is assumed.
これに対して、試料(B)のように、電子供与体分子と電子受容体分子の濃度が大きく、電荷移動錯体分子が集合状態を成していると見なされる場合には、ある分子が励起三重項状態にあっても、他の分子は励起一重項にあるために、発光源は点滅せずに、連続的に光ることになる。 On the other hand, when the concentration of the electron donor molecule and the electron acceptor molecule is large and the charge transfer complex molecule is considered to be in an aggregated state as in the sample (B), a certain molecule is excited. Even in the triplet state, since the other molecules are in the excited singlet state, the light emission source does not blink, but continuously emits light.
図4は、以上に述べた単一分子の発光機構を示すが、(A)のような発光が観測されたことは、電荷移動錯体分子が単一分子の状態に孤立した状態にて固定化され、室温において、微小量子発光体として機能していることを示すものと解することができる。 FIG. 4 shows the light emission mechanism of the single molecule described above. The light emission as shown in (A) is that the charge transfer complex molecule is immobilized in a single molecule state. Therefore, it can be understood that it functions as a minute quantum light emitter at room temperature.
実施例3に記載された試料(A)の微小な孤立した発光源の幾つかについて、それぞれのスペクトルを測定した結果、図5に示されるような、ばらつきが観測された。 As a result of measuring the spectra of some of the minute isolated light emitting sources of the sample (A) described in Example 3, variation as shown in FIG. 5 was observed.
このような測定結果は、電子供与体と電子受容体との分子間距離が長い電荷移動錯体分子のスペクトルは短波長側に、分子間距離が短い錯体分子のそれは長波長側にシフトすることを意味しており、ポリマーマトリックス中において固定化された個々の電荷移動錯体分子は、様々な空間配置をとって存在していることを示している。 Such measurement results show that the spectrum of a charge transfer complex molecule with a long intermolecular distance between the electron donor and the electron acceptor shifts to the short wavelength side, and that of the complex molecule with a short intermolecular distance shifts to the long wavelength side. This means that the individual charge transfer complex molecules immobilized in the polymer matrix exist in various spatial arrangements.
図6は、実施例3と同様の測定条件で、実施例1によって調製された電荷移動錯体分子に基づく発光源と、種々の有機色素分子による発光源の耐光性を比較した結果を示している。 FIG. 6 shows the results of comparing the light resistance of the light-emitting source based on the charge-transfer complex molecule prepared in Example 1 and the light-emitting source with various organic dye molecules under the same measurement conditions as in Example 3. .
実施例1のように、アントラセンとテトラシアノベンゼンに基づく電荷移動錯体分子(A)は、Nile Red(D) やPM 580(C)等のシアニン色素の2倍強程度の耐光性を有すること、更には、耐久性に優れるとされるペリレンイミド系色素であるLumogen Red 300(B)の二倍弱の耐光性を有することが確認された。 As in Example 1, the charge transfer complex molecule (A) based on anthracene and tetracyanobenzene has light resistance about twice that of cyanine dyes such as Nile Red (D) and PM 580 (C). Furthermore, it was confirmed that it has a light resistance that is slightly less than twice that of Lumogen Red 300 (B), which is a perylene imide dye that is considered to be excellent in durability.
電荷移動錯体分子が耐光性に優れていることが、具体的な実験によって確認し得る根拠は、電荷移動錯体分子が2準位を形成することにより、有機色素分子等の一分子系よりも小さいエネルギーで発光するためであるが、その機構を図式化して図7に示す。 The reason why the charge transfer complex molecule is excellent in light resistance can be confirmed by a concrete experiment is that the charge transfer complex molecule forms two levels and is smaller than a single molecule system such as an organic dye molecule. This is because the light is emitted by energy, and the mechanism is schematically shown in FIG.
尚、図7において、電荷移動錯体の励起エネルギー(hνCT)は、hνCT=(I −E)−△c と表現することができる(但し、Iは電子供与体分子のイオン化エネルギー、Eは電子受容体分子の電子親和力、△cはクーロン相互作用である。)。 In FIG. 7, the excitation energy (hν CT ) of the charge transfer complex can be expressed as hν CT = (I−E) −Δc (where I is the ionization energy of the electron donor molecule, E is The electron affinity of the electron acceptor molecule, Δc is the Coulomb interaction.)
図8に示される測定装置を用いて、実施例1によって調製した、マトリックス中に単一分子状に孤立した状態にて固定化された電荷移動錯体分子の偏光特性を測定した結果を、図9に示す。偏光子を一定速度によって回転しながら蛍光強度を観測すると、180°周期で発光点の明暗が繰り返されることから、個別に固定化された電荷移動錯体分子が、強い偏光特性を有することを確認することができた。 Using the measurement apparatus shown in FIG. 8, the polarization characteristics of the charge transfer complex molecules prepared in Example 1 and immobilized in a single molecule isolated state in the matrix were measured. Shown in When the fluorescence intensity is observed while rotating the polarizer at a constant speed, the light-emission point repeats in a cycle of 180 °, confirming that the individually immobilized charge-transfer complex molecules have strong polarization characteristics. I was able to.
本発明は、従来の量子ドット等に代表される微小光学素子の概念を超えた点光源、即ち究極的な単一光子源を可能とするものである。本発明に係わる単一分子状に孤立した状態にて固定化された電荷移動錯体分子対は、2準位の形成によって、有機色素分子等の単独分子系よりも優れた耐光性を有し、室温において安定した単一光子発生源として、ナノスケール空間の測定用プローブとして利用することができる。 The present invention enables a point light source beyond the concept of a micro optical element typified by a conventional quantum dot or the like, that is, an ultimate single photon source. The charge transfer complex molecule pair immobilized in a single molecule isolated state according to the present invention has light resistance superior to a single molecule system such as an organic dye molecule due to the formation of two levels, As a single photon generation source stable at room temperature, it can be used as a probe for measuring a nanoscale space.
その他、発光の強度、波長、偏光特性等を制御することが可能な単一光子発生源として、量子暗号等の、量子情報処理技術に利用することも可能である。 In addition, as a single photon generation source capable of controlling the emission intensity, wavelength, polarization characteristics, and the like, it can be used for quantum information processing techniques such as quantum cryptography.
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