国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）纳米材料研究部[研究部部长佐佐木刚]纳米界面测量组宫前隆之首席研究员，功能化学研究部[研究部负责人北本大]光子材料化学组首席研究员高田典之正在与下一代化学材料评估技术研究协会[主席富泽龙一]（以下简称“CEREBA”）合作开发一种新技术，可以在驱动有机EL元件时在分子水平上无损测量内部电荷的行为。操作数测量技术发达。
在标准的多层堆叠有机EL器件中，在发光层之前和之后存在用于传输电子和空穴的有机层。为了提高功能性和节省能源，需要电荷有效地到达发光层，并且有必要研究有机层内部和界面处的电荷的产生和传输行为。然而，利用传统的测量方法，很难从多个有机层重叠信息的数据中提取各个有机层和电荷状态。
此次开发的测量方法是最先进的非线性激光光谱和频生成谱（SFG 谱），可以测量当对有机EL元件施加数十纳秒规模的脉冲电压时产生的有机阳离子种（正电荷）和有机阴离子种（负电荷）的界面处的生成、传输和电荷复合行为，从而可以实时评估发光有机EL元件内部的分子和电荷的状态。该测量方法有望有助于阐明下一代电视和智能手机中使用的有机EL器件的工作机制，延长其使用寿命，开发新材料以节省能源和降低成本，并从分子水平信息直接阐明实际器件中使用的有机EL器件的实际电荷传输特性。
有关该技术的详细内容，请参阅日本应用物理学会。应用物理快车''，还将在9月15日至18日在东北大学（宫城县仙台市）举行的2017年第11届分子科学研讨会上发表。
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| 新开发的时间分辨测量装置示意图 |
近年来，有机EL元件(有机发光二极管) 变得越来越流行，我们看到周围越来越多的人观看有机 EL 电视。这些产品中使用的有机EL器件是多层有机EL器件，由发射不同颜色光的多个有机薄膜（有机层）和传输发光所需电荷的多个有机层组成。此外，在实际的有机EL器件中，它们被紧密密封以消除导致劣化的氧气和水的影响。
为了提高效率、节省能源并延长多层有机EL的使用寿命，需要一种能够在不破坏密封的情况下无损评估和测量有机层中电荷产生和传输过程的技术。然而，在多层有机EL器件中，多个有机层的作用重叠，因此很难测量和分析各个有机层的行为，特别是与其他有机层的电荷分开的内部移动的电荷状态。
AIST 一直在研究和开发用于评估和分析有机界面的技术，使用 SFG 光谱作为选择性测量和评估埋在固体内的界面处的分子信息的方法。为了将该方法应用于有机电子材料和实际器件的评估，需要更详细地测量特定有机物质的信息。双共振 SFG光谱技术的发展和电场感应 SFG我们一直在应用光谱学来评估实际设备。此外，通过将两者相结合，我们开发了一种技术，可以选择性地测量和评估发光有机EL元件内各个有机层的信息（AIST 新闻稿，2012 年 8 月 15 日）。
CEREBA是作为评价研究开发基地而设立的，通过开发和共享下一代化学材料的评价和分析技术，为快速商业化做出贡献。对于有机EL材料和有机薄膜太阳能电池材料等有机电子材料，CEREBA建立了作为实用级高性能有机电子器件模型的“参考元件”的设计和制造技术，并基于该技术开发了评价和分析技术。
这次，两家公司结合各自的技术开发了一种技术，可以测量有机EL器件运行过程中分子种类的时间变化以及器件内部流动的电荷。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究资助金“基础研究B”和新能源和产业技术开发组织“下一代材料评估基础技术开发”的支持。
SFG 光谱学是一种使用激光来分析固体内部表面和界面上的分子的光谱学。振动频谱可以测量，如果基材允许光通过，则可以通过基材研究内部分子的行为。此次开发的技术以产业技术研究院先前开发的“电场诱导双共振SFG光谱”为基础，是一种新的评估和分析技术，可以在改变SFG测量的“时间”的同时，捕获因电荷而时刻变化的分子行为，从而可以非破坏性地研究有机器件中的电荷行为。具体而言，将与SFG光谱中使用的激光同步的脉冲电压施加到有机EL元件，并且在稍微偏移激光照射和脉冲电压施加的定时的同时进行SFG光谱。时间分辨率的方法被使用了。构成该器件的有机薄膜的厚度约为几十纳米，因此研究在这个极薄的层内移动的电荷状态需要高精度和高时间分辨率。新开发的技术可以以几十纳秒的精度跟踪分子的变化，从而首次能够在分子水平上捕获堆叠有机EL器件内部电荷产生和传输的信息。
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| 图1多层有机EL器件的结构（左）以及脉冲电压、有机EL器件的发光和SFG信号强度的时间变化（右） |
典型磷光使用这种材料的多层有机EL器件（图1左）产生的SFG信号强度根据施加的脉冲电压（图1右）而变化。此外，当第一次施加电压时，有机EL器件还没有发光，但这是因为注入器件的电荷尚未到达中心发光层，并且仍在电荷产生层和传输层之间的界面处产生和转移的过程。新开发的方法能够以高时间分辨率测量电荷到达发光层的短时间内器件内部发生的变化。
我们还研究了向多层有机EL器件施加脉冲电压时SFG光谱的初始时间变化，以及施加到器件的脉冲电压和器件发射强度的初始时间变化（图2）。
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| 图2 电压施加初始阶段的SFG光谱的时间响应（右）以及施加到器件的脉冲电压和器件发射强度随时间变化的放大图（左） |
当向器件施加脉冲电压（10 V，脉冲宽度为 15 微秒的矩形脉冲）时，电荷首先到达两个电极，但尚未进入有机层（~01 微秒，绿线光谱）。在该器件的电子传输层Alq3阿尔克3已知会在有机层内部形成自发极化（电场偏置）。当负电荷进入阴极（Al电极侧）时，首先这个Alq3层内的极化电荷被抵消，SFG 强度变弱。
此后（约 02 微秒），SFG 光谱中出现两个特征性新峰。其中，1567 厘米-1（图2左侧蓝色箭头）用于空穴传输层α−NPD这表明该分子已变成带正电的“阳离子”，1497 cm-1的巅峰（图2左侧红色箭头）为Alq3这表明生成了分子带负电荷的“阴离子”。换句话说，空穴和电子都进入电荷传输层。
此外，该器件在施加电压后约 1 微秒开始发光。这表明电荷移动到发光层，并且电荷在发光层内部重新结合并开始发光。
通过使用新开发的方法测量使用新材料的有机EL器件，并持续研究器件运行期间和长期运行后有机EL器件内部的分子水平信息，我们的目标是提取有机EL器件的驱动机制、延长寿命所必需的电荷传输机制、改善传输特性所需的因素，并进一步阐明分子水平的驱动劣化机制。
我们还旨在将其应用于有机太阳能电池和有机晶体管等各种有机电子器件的评估和分析。