光が単に明るかったり色彩豊かであったりするだけでなく、人間の目には見えない一方で、暗闇での視覚を助けたり、組織を治癒したり、あるいは秘密のメッセージを運んだりするほど強力であるという世界を想像してみてください。これは、私たちの目に見える赤色の端のすぐ先に位置する、電磁スペクトルの特別な領域である近赤外光（NIR）の世界です。科学者たちは、赤やオレンジの可視光を漏らすことなく、この目に見えない領域だけで輝く「電球」を作ろうと長年試みてきました。もし可視光が漏れてしまえば、その効果は台無しになってしまうからです。この課題は、まるで嵐の中の静かな一つの放送局にラジオのチューニングを合わせようとするようなものです。通常、光をより深い赤色（赤外線）へと押し進めようとすると、光は暗くぼやけてしまい、鋭さや効率性を失ってしまいます。これを解決するために、研究者たちはイリジウム(III)錯体と呼ばれる、小さく複雑な分子を使用しています。これらの分子を、電気を光に変換する「微細な工場」と考えてみてください。目標は、これらの工場を設計し、特定の目に見えない赤外光のみを高い効率で生成するようにすることであり、さらに、高価な高真空装置ではなく、単純な液体ベースの手法（塗装や印刷のような方法）を用いて、それらを保持するデバイスを構築することです。
この研究において、研究チームはこれら分子工場の設計図を再設計することに決めました。彼らは、通常、二つの同一な「主要」部分と一つの「補助」部分を使用する標準的な設計から離れ、よりユニークな三部構成の「非対称」設計へと移行しました。彼らは、三種類の異なる配位子（イリウム原子を結合させるための構成要素）を混ぜ合わせることで、「Ir-2」と名付けた新しい分子を作り出しました。一つの部分は、深い赤外線の輝きを生み出す責任を負う「色のマスター」として選ばれ、もう一つの部分は、分子の構造を強化して性能を高めるように設計された「より強い」部分として選ばれました。その結果、この分子は、前身の分子の広くてぼやけた輝きと比較して、精密なレーザーのように機能しました。Ir-2分子は、758ナノメートルにピークを持ち、非常に狭い広がり（半値全幅、FFWHM、わずか46 nm）で光を放ちました。これは、光が極めて純粋であり、可視スペクトルへと漏れ出していないことを意味します。対照的に、彼らの旧バージョンであるIr-1は、786 nmで輝いていましたが、より幅広く（62 nm）、効率も低くなっていました。
研究者たちは単に分子を作るだけでなく、それが実際の発光デバイスの中でどれほどうまく機能するかをテストしました。彼らは二種類のプロトタイプを構築しました。第一のタイプは、液体と真空の工程を組み合わせたもの（非全溶液プロセス）であり、そこではIr-2分子が、2.456%という記録的な効率を持つデバイスの作成に貢献しました。しかし、本当の魔法は第二のタイプ、つまり、より安価でスケールアップが容易な、完全に液体プロセスを用いた（全溶液プロセス）デバイスで起こりました。このより単純な製造方法を用いても、Ir-2ベースのデバイスは、この特定のタイプの全溶液プロセスによる純色の赤外光において、2.418%という記録的な効率を達成しました。この研究は、この新しい「三部構成」の分子設計が強力なプラットフォームであることを示唆しており、これら製造が困難な赤外光において、高効率と純粋な色彩を同時に得ることが可能であることを証明しています。これは、ナイトビジョン、医療療法、そして安全な通信のための、より安価で優れたデバイスへの道を切り開くものです。
技術要約：非対称トリスヘテロレプティックIr(III)錯体に基づく色純度の高い狭帯域NIR発光体
問題提起
高効率かつ色純度の高い近赤外（NIR）有機発光ダイオード（OLED/PLED）の開発は、依然として極めて困難な課題である。イリジウム(III)（Ir(III)）錯体は可視光領域のアプリケーションでは成功を収めているが、そのNIR領域（発光開始波長 λem≥700 nm）への応用は、主に以下の2つの要因によって阻害されている。
- エネルギーギャップ則： 発光波長が700 nmを超えて長波長化するにつれ、励起子-振動結合が増大し、非放射失活および光ルミネセンス量子収率（ΦPL）の低下を招く。
- スペクトル純度と効率のトレードオフ： 多くのNIR発光体は、電荷移動（CT）効果に起因する広い発光スペクトル（大きな半値全幅、FWHM）を持ち、結果として有意な可視光成分の残留が生じる。真の「色純度」を持つNIR発光（タイプIII：可視成分を最小限に抑え、700 nm以降に完全に発光すること）を、効率を犠牲にすることなく達成することは困難である。さらに、溶液プロセスは広面積製造におけるコスト上の利点を提供するが、溶液プロセス型のNIR-PLEDは通常、真空蒸着型と比較して性能が劣る。
手法
著者らは、一般式 [Ir(C^N)(C'^N')(N^N)] で表される非対称なトリスヘテロレプティックIr(III)錯体に焦わる分子設計戦略を採用した。
- 分子設計： 本研究では、$[Ir(dpbq)(iqbt)(ftrpz)]$（Ir-2と指定）という錯体を標的とした。この設計は以下を特徴とする：
- NIR発光を保証するための、1つの色責任を持つ $Hdpbq(HC^N$) メイン配位子。
- 電子構造を調整するための、1つの $Hiqbt(HC'^N'$) 配位子。
- 錯体を安定化させ、発光をチューニングするための、強い配位子場強度を持つ1つの $Hftrpz(HN^N$) 補助配位子。
- これを、ビスヘテロレプティックな対照化合物である [Ir(dpbq)2(ftrpz)] (Ir-1) と比較し、3番目の異なる配位子の影響を評価した。
- 合成： 錯体は、μ-クロロ架橋ダイマー中間体を用いたワンポット反応を経て合成され、その後のフラッシュカラムクロマトグラフィーによる精製が行われた。
- 特性評価： 元素分析、FT-IR、1H NMR、ESI-MS、単結晶X線回折、熱重量分析（TGA）、およびサイクリックボルタンメトリー（CV）を用いた包括的な分析を実施した。
- デバイス作製：
- 非全溶液プロセス型デバイス： ベンチマークとして、真空蒸着された電子輸送層（TmPyPB）を用いたデバイスを作製した（NIR-PLED-1A および NIR-PLED-2A）。
- 全溶液プロセス型デバイス： 多層直交溶媒システム戦略を用いて作製した。これには、真空蒸着層の代わりに高分子電子輸送層（Poly(vinyl-PBD)）を用いることで、完全な溶液プロセス型デバイス（NIR-PLED-2B）を実現した。ホストマトリックスには、PVK:OXD7（重量比60:35）を用い、ドープ比率は5%とした。
主な結果
- 構造および熱的特性： X線回折により、Ir-2が非対称で歪んだ八面体幾何構造を持つことが確認された。熱安定性分析では、5%重量減少温度がIr-1の223°Cに対し、Ir-2は237°Cであり、溶液プロセスに適していることが示された。
- 光物理的特性：
- Ir-2は、758 nmにピーク発光を持ち、FWHMは46 nmと狭く、光ルミネセンス量子収率（ΦPL）は**4.9%**であった。
- Ir-1は、786 nmに発光し、FWHMは62 nmと広く、ΦPLは**3.6%**と低かった。
- 理論計算（TD-DFT）によれば、Ir-2の優れた性能は、効率とスペクトル純度の間の「トレードオフ」に起因することが示唆された。$iqbt配位子の導入により、^3$MLCT特性が増大（Ir-1の5.80%に対し6.89%）し、放射失活速度（kr）が向上した一方で、特定の配位子の組み合わせが、3ILCT特性が支配的な狭い発光バンドを維持した。
- デバイス性能：
- 非全溶液プロセス型（NIR-PLED-2A）： 758 nmにおいて、最大外部量子効率（ηEQE）2.456%、輝度970.3 mW/(sr·m²)を達成した。
- 全溶液プロセス型（NIR-PLED-2B）： 高分子ETL戦略を用いることで、当該デバイスは758 nmにおいて**2.418%**の記録的なηEQEを達成した。この性能は、これまでに報告されているIr(III)錯体ベースの全溶液プロセス型NIR-PLEDの性能を上回った。
- 両デバイスとも「タイプIII」の色純度を示し、発光スペクトルのほぼ100%が700 nmを超えて存在していた。
意義および主張
本論文は、非対称トリスヘテロレプティック設計戦略が、NIR発光体の効率と純度のトレードオフを解決することに成功したと主張している。特定の配位子の組み合わせ（1つの色責任配位子、1つの構造調整配位子、および1つの強電場補助配位子）を利用することで、発光波長、スペクトル幅、および量子効率のバランスを最適化する「妥協点」を実現した。
本研究の主要な意義は、高効率で色純度の高いNIR-PLEDが全溶液プロセスによって実現可能であることを示した点にある。本研究は、[Ir(C^N)(C'^N')(N^N)] 錯体、特に Ir-2 が、効率的で低コストな広面積NIRオプトエレクトロニクスデバイスのための実行可能なプラットフォームであることを確立した。これにより、溶液プロセス型と真空蒸着型NIR OLEDの間の歴史的な性能差を克服した。
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