有機発光素子
【課題】発光層に低分子の有機化合物を用いて、蛍光発光を利用しながら高い発光効率を得ることができる有機発光素子を提供する。
【解決手段】一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子であって、外部磁場を制御可能な環境下において電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で素子を駆動し、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスに変化させた場合、発光強度を通電電流密度で規格化した発光効率が外部磁場に依存し、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合に該発光効率が等しいか低下する。
【解決手段】一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子であって、外部磁場を制御可能な環境下において電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で素子を駆動し、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスに変化させた場合、発光強度を通電電流密度で規格化した発光効率が外部磁場に依存し、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合に該発光効率が等しいか低下する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機発光素子の電荷注入励起による発光の場合、内部発光量子効率の上限は２５％であると言われてきた。この値は、素子の透明基板と空気との界面での内面反射によるロスを考慮すると、外部発光量子効率５％に相当する。電荷注入励起の場合、発光分子の一重項励起状態と三重項励起状態がランダムに生じるが、一重項励起状態の多重度１に対し、三重項励起状態の多重度が３であることを考慮すると、一重項励起状態と三重項励起状態は１：３の割合で生成すると考えられる。一般の分子では基底状態は一重項状態なので、三重項励起状態は基底状態に発光遷移する確率が非常に低く、常温では発光には寄与しない。このため、例え一重項励起状態が全て発光遷移したとしても、内部発光量子効率の上限は２５％であると言われてきた。
【０００３】
この限界を突破すべく、近年、重原子効果を利用して三重項励起状態から基底状態への遷移確率を著しく増大し、よって室温でも十分高い効率の三重項発光を可能とする材料が提案されている。Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏらは、励起三重項状態からの高効率の燐光発光を示す有機イリジウム錯体を発光分子として用いることで、外部量子効率８．０％（内部量子効率４０．０％相当）が得られたと報告した（非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、共役系高分子を用いる有機発光素子においては、イリジウム錯体を用いない有機発光素子においても、従来の定説であった内部量子効率２５％、外部量子効率５％の限界を突破する場合があることが報告されている。これは、一重項励起状態と三重項励起状態が１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成するためであると考えられている。
【０００５】
共役系高分子における高効率蛍光発光のメカニズムについてもいろいろ議論されており、次のような考え方がある。共役系高分子において、同一共役鎖上に電子とホールが離れて存在している状態から、お互いに相関して励起子を形成するにいたる過程を考える。このとき、電子とホールの量子力学的相互作用の影響等で一重項状態の電子−ホール対の場合と三重項状態の電子−ホール対の場合とで異なり、一重項状態の方がより速く、あるいは確率高く励起子状態になるという考え方である（非特許文献２、３参照）。
【０００６】
実験的には共役系高分子においては一重項励起状態と三重項励起状態が１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成していると考えられる結果が多く報告されている。一方、低分子においてはそのような結果の報告は知られていない。
【０００７】
近年、有機発光素子中のキヤリアや分子のスピン状態を観察し、電子とホールが再結合して励起状態を形成する素過程を解析する手段として、外部から印加された磁場に対するさまざまな応答を評価する研究が行われるようになってきた（非特許文献４参照）。このような新たな手法も交えて、有機発光素子の諸現象の解明が期待されている。
【０００８】
【非特許文献１】Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｓ．Ｌａｍａｎｓｋｙ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｍ．Ｅ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７５，Ｎｏ．１，ｐｐ４（１９９９）
【非特許文献２】Ｍ．Ｎ．Ｋｏｂｒａｋ，Ｅ．Ｒ．Ｂｉｔｔｎｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ６２，ｐｐ１１４７３（２０００）
【非特許文献３】Ｓ．Ｋａｒａｂｕｎａｒｌｉｅｖ，Ｅ．Ｒ．Ｂｉｔｔｎｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９０，Ｎｏ．５，０５７４０２，（２００３）
【非特許文献４】第５３回高分子討論会予稿集 １Ｒ１９ （２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
低分子では、重原子効果を利用した高効率の燐光発光を示す物質の探索が積極的に行われているが、イリジウム錯体以外は効率、安定性等の面で問題のあるものが多く、現時点では実用化できる材料はない。また、イリジウム錯体はイリジウムという比較的希少な元素を用いるため材料が高価になり、経済性の点から問題がある。さらに、高効率とはいえ燐光発光であるため、高輝度領域になると三重項−三重項消滅を起こし、発光量子効率が低下するという難点がある。加えて、発光色の設計自由度もイリジウム錯体という限定があるため、制約を受ける。
【００１０】
一方、高分子は一般に精製が難しく、不純物が残り易い。高分子鎖長も単一ではなく、分子量が広い範囲に分布する。これらが原因の一つとなって、合成ロットや製膜条件による伝導、発光特性、寿命特性のばらつきが大きいという問題があった。また、有機発光素子の作製に際し、真空蒸着法を用いることができず、印刷法やインクジェット法などが検討されているが課題が多かった。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、発光層に低分子の有機化合物を用いて、蛍光発光を利用しながら高い発光効率を得ることができる有機発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成すべく、本発明に係る有機発光素子は、一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子において、
外部磁場を制御可能な環境下において電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で素子を駆動し、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスまで変化させた場合、発光強度を通電電流密度で規格化した発光効率が外部磁場に依存し、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合に該発光効率が等しいか低下することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部磁場を制御可能な環境下にて電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で有機発光素子を駆動させたときに、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスまで変化させて、その発光強度を通電電流密度で規格化した値を測定する。そのとき、発光効率の外部磁場依存性が、外部磁場が０ガウスの場合に比べて１０００ガウスの場合の発光効率が等しいか低くなるように素子を構成すれば、一重項励起子を多く生成する。したがって、発光層に低分子の有機化合物を用いて、蛍光発光を利用しながら高発光効率の有機発光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本発明者らは、一重項発光で高発光効率の有機発光素子を見出すべく鋭意検討を続けてきた。既述したように、共役系高分子では一重項励起状態と三重項励起状態とが１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成している。この実験結果は、一重項発光で高発光効率を得るには非常に魅力的である。この現象は未だ共役系高分子においてのみ観察されており、理論的にも、共役鎖の長さに依存するとする等、共役系高分子に特有のものとする議論が多い。
【００１６】
しかしながら、これら議論を吟味してみると、共役系高分子で観察され低分子で観察されていないという結果を本質的なものとして説明しようとする観点が強い。低分子において本当にこのような現象が生じ得ないかという観点からの議論は十分ではないように思える。
【００１７】
できれば、選択可能な精製手段が多く、高純度を達成し易く、合成法上分子量制御の難しい連鎖重合反応等の重合反応によらずに合成でき、分子量制御が現実的に行い得る程度の分子量の分子を用いた有機発光素子が望ましい。例えば、有機発光素子に用いられる有機材料の基本構造、あるいは置換基として優れた特性を示すことの多いビフェニル、スチリル、フルオレン、アントラセンなどの基は分子量が１５０から２００程度である。これらを単量体とする多量体のうち、重合度が２から２０程度のものはオリゴマーと呼ばれるが、この程度が望ましい。分子量にすると４０００以下である。さらに、真空蒸着法を用いて積層可能であれば、既に確立している真空蒸着法を用いて有機発光素子の作製が可能となり、この点でも利点がある。
【００１８】
そこで、発明者らは、電子とホールの再結合の過程を、共役系高分子か低分子かという観点にとらわれずに見直すことから始め、その結果、次のような知見を得た。即ち、外部磁場を制御可能な環境下に有機発光素子をおき、外部磁場を変化させて、その発光強度を通電電流密度で規格化した値を測定した。従来知られている有機発光素子においては、外部磁場が０ガウスの場合に比べて１０００ガウスの場合の値は大きいのが一般的である。しかし、発光層材料や構成によって外部磁場が０ガウスの場合に比べて１０００ガウスの場合の値が等しいか低い場合があり得、そのときに高発光効率の一重項発光が得られることを見出した。
【００１９】
ここでは、この有機発光素子を制御可能な外部磁場環境下におき、外部磁場を変化させて、その発光強度を通電電流密度で規格化した値の挙動を「発光効率の外部磁場効果」と呼ぶこととする。発光効率の外部磁場効果に注目するのは、この効果が、電極から注入された電子とホールが再結合して分子を励起し、基底状態に戻る過程における速度の一重項状態であるか三重項状態であるかによる違いを反映している。そして、この速度の違いが一重項状態と三重項状態との生成比を変化させることにより、発光効率と強く結びついていると考えるからである。
【００２０】
以下、発明者らが発光効率の外部磁場効果に注目した背景を説明しつつ詳細に考察する。
【００２１】
まず、陰極から注入された電子と陽極から注入されたホールが再結合して分子を励起し、エネルギーを放出して基底状態に戻る過程を、スピン状態に注目して考察する。
【００２２】
以下の考察において、アニオンとカチオンはそれぞれ同種分子のアニオンとカチオンであってもよく、異種分子のアニオンとカチオンであってもよい。ＡとＢは同種分子であってもよく、異種分子であってもよい。
【００２３】
図１は電子−ホール間距離とエネルギーの関係を示す図である。低分子アモルファス固体中では、電子とホールはそれぞれアニオン、カチオンとして担持されているので、アニオン−カチオン間距離と考えてもよい。電子とホールが離れている遠隔電子−ホール対（遠隔イオン対）状態では、電子とホールとの間、あるいはアニオンとカチオンとの間の相互作用が小さく、全体としてのスピン状態は一重項状態と三重項状態との混合状態である。エネルギーとしては縮退している。電子とホールが近接してくると、相互作用が大きくなり、全体としてのスピン状態は一重項状態と三重項状態とに分かれるが、その確率は１：３であると考えられる。電子とホールが隣接する分子にそれぞれ担持される状態にまで近づいたとき、アニオン、カチオンとして見ると、アニオン、カチオンが隣接した隣接イオン状態と見られる状態になる。
【００２４】
図２は隣接イオン対状態から励起状態への遷移を説明する図である。図２に示すように、隣接イオン対状態から励起状態には、相互作用の影響下で量子力学的に遷移する。励起状態からはエネルギーを光あるいは熱として放出して基底状態に戻る。
【００２５】
さて、遠隔電子−ホール対状態から近接電子−ホール対状態、隣接電子−ホール対状態励起状態を経て基底状態に戻る一連の過程において、一重項状態と三重項状態とで各過程から次の過程に移る速度に違いがある場合がある。この場合には、励起状態を経て基底状態に戻る際に、一重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率と、三重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率との比率が、１：３ではなくなる可能性があると考えられる。
【００２６】
例えば、隣接電子−ホール対状態から励起状態に移る過程において、仮に一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓとする）が、三重項状態の隣接イオン状態が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔとする）より大きとする。そうすると、結果的に注入された電子とホールがイオン対から励起状態を経て基底状態に戻る際に、一重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率と、三重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率との比率が１：３よりも高くなる可能性がある。このとき、一重項励起状態の発光効率が十分高く、また発光層からのキヤリアの漏れ等がなければ、従来の定説であった内部量子効率２５％、外部量子効率５％の限界を突破する可能性が生じる。
【００２７】
具体的に一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が三重項状態の隣接イオン状態が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔとなる状態の実現を推定するには、どのようにすればよいであろうか。
【００２８】
最近、有機発光素子に対する外部磁場の効果が注目されている。岩崎らは、ＥＳＲ装置に用いられる磁場コイルのキヤビティ中に有機発光素子をおき、コイルに電流を流して磁場をかけ、有機発光素子の発光効率の変化を観察した（上記非特許文献４参照）。この様子を図９および図１０に示す。図９は装置の概略を示し、有機発光素子に電磁石により外部磁場をかけている。図１０はＰＰＶ系の高分子を発光層とする有機発光素子を実測したときの結果を示している。図１０において、横軸は磁場強度、縦軸は磁場をかけない状態における発光強度を１と置いたときの相対発光強度である。印加電圧を４．４Ｖ、５．５Ｖ、９．９Ｖ、１３．２Ｖと段階的に変化させ、それぞれの場合での相対発光強度の変化を記録している。不図示であるが、磁場の印加において駆動電流密度は殆ど変化していない。したがって、相対発光強度が磁場の強さに応じて変化するのは、発光効率が変化しているものと考えられる。
【００２９】
この変化の様子は大きく分けて二種類ある。一つは、０〜１００ｍＴ（１０００Ｇａｕｓｓ）程度の低磁場領域で、磁場の印加とともに鋭く相対発光強度が変化する部分である。もう一つは、印加電圧が高くなるにしたがって、１００ｍＴ（１０００Ｇａｕｓｓ）から１０００ｍＴ（１００００Ｇａｕｓｓ）にわたって徐々に現れてくる高磁場側での緩慢な変化の部分である。
【００３０】
岩崎らによれば、低磁場側の鋭い変化は以下のようなメカニズムで説明される。電極から注入された電子とホールは、再結合して有機分子を励起させる前段階として、緩く束縛された電子とホールの対を形成する。図７のような外部磁場効果は、高分子を有機化合物層として有する有機発光素子に限らず、例えばアルミニウムキノリノール錯体のような低分子を有機化合物層として有する有機発光素子においても観測されている。低分子の場合、上記の電子−ホール対はアニオン−カチオン対ともいえる。
【００３１】
さて、この状態においても、一重項状態と三重項状態とがあり得るが、電子とホールの束縛が緩い場合、一重項状態のエネルギーと三重項状態のエネルギーはほぼ等しい。また、外部磁場がかからない場合、三重項状態の三つの独立な状態（例えばｍz＝＋１，０，−１）同士もエネルギーはほぼ等しく、縮退している。この関係を図１１（ａ）に示す。この磁場なしの状態では、一重項状態と三つの三重項状態との間には核スピンの影響などによる混合がある。さて、この電子−ホール対状態から電荷移動して励起状態に移行するが、一重項の電子−ホール対状態から一重項の励起状態に移行する速度定数をｋｓ、三重項の電子−ホール対状態のそれぞれから三重項の励起状態に移行する速度定数をｋｔとする。なお、三重項状態の三つの独立な状態においてそれぞれ同じ値ｋｔをとる。仮にｋｓ＜ｋｔとすると、一重項状態と三つの三重項状態との間の混合が、実際に生成する励起状態のバランスを更に三重項励起状態が一重項励起状態より多く生成させるようにシフトさせる。ところが、外部磁場が印加された三重項の電子−ホール対状態が三つの状態にゼーマン分裂すると、一重項状態と三重項状態との間の混合は制限を受ける。このため、上記のシフトも少なくなり、外部磁場の無い場合に比べて一重項励起状態からの発光が増えるのが観測される。この磁場ありの関係を図１１（ｂ）に示す。
【００３２】
このような議論は、溶液中の化学反応におけるスピン状態の影響を調べるため、ＥＳＲ装置を応用して外部磁場印加やマイクロ波照射の効果を調べる、いわゆるスピン化学の分野でのラジカル対効果の議論に類似している。ラジカル対効果は、溶液中でラジカル種同士が数１０Å程度の距離に緩く束縛されている状態で観測されるといわれている。有機発光素子中のような固体中で、１０Å程度の大きさのイオン同士が隣接、あるいは数分子を隔てて緩く束縛されている状態は、確かにラジカル対効果の議論の前提に類似していると思われる。
【００３３】
以上の議論からすれば、仮にｋｓ＞＝ｋｔであれば、一重項状態と三つの三重項状態との間の混合が、実際に生成する励起状態のバランスを逆に一重項励起状態が増加するようにシフトさせる。ところが、外部磁場が印加された三重項の電子−ホール対状態が三つの状態にゼーマン分裂すると、一重項状態と三重項状態との間の混合は制限を受ける。このため、上記のシフトも少なくなり、外部磁場の無い場合に比べて一重項励起状態からの発光が減少するのが観測されることになる。低磁場領域で、外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で、発光効率がむしろ下がる可能性があることが考えられる。
【００３４】
低磁場領域で、外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で、発光効率が下がるならば、少なくとも三重項の電子−ホール対状態が何らかの形で一重項励起状態からの発光に寄与していることを示している。
【００３５】
低分子アモルファス固体においても、上記ｋｓとｋｔとが異なりうるのか、特にｋｓ＞＝ｋｔとなりうるのかについて、次のように考えてみた。この考え方は一般的で、特に低分子、共役系高分子という限定はしていない。
【００３６】
いま、隣接イオン対状態から電子あるいはホールが移動して一方の分子が励起状態となる過程を、隣接する二分子それぞれの単一状態の和を０次近似とし、相互作用を摂動として考えてみる。アニオン、カチオンが隣接した状態と一方の分子が励起した状態の二分子系全体のポテンシャルエネルギー曲線を表したものが図３である。縦軸は二分子系全体のポテンシャルエネルギーである。横軸は二分子系全体の核配置の基準座標をイメージしている。当面、議論を簡単にするため、基準座標の設定に関してはアニオン−カチオン間、あるいは励起分子−基底状態分子間の分子間相互作用は無視し、各単一分子での基準座標を単に流用したものとする。一般に、アニオン、カチオンのイオン状態と中性状態とでは基準座標系が異なるし、また、基底状態と励起状態とでも基準座標系は異なる。ここでは、隣接イオン状態から励起状態への遷移に支配的に影響を与える共通の基準座標が存在すると仮定し、その基準座標について考察するものとする。
【００３７】
曲線は、各状態のポテンシャルエネルギー曲線を表している。各基準座標位置での各配置に対応するアニオン、カチオンそれぞれのポテンシャルエネルギーの和をとっている。アニオン−カチオン間の相互作用は、隣接するアニオン−カチオン間の中心距離に相当する電子−ホール間のクーロンエネルギーのみを考慮して補正し、電子軌道の詳細に依存する相互作用は無視している。励起分子、基底状態分子対に関しては、分子間相互作用を無視し、各基準座標位置での各配置に対応する励起分子、基底状態分子それぞれのポテンシャルエネルギーの和をとっている。
【００３８】
図３において、曲線Ｔ１は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子が励起状態でＴ１状態（三重項最低励起状態）であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーと隣接する基底状態にあるＢ分子のエネルギーの和を表したものである。
【００３９】
曲線Ｔ２は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子が励起状態でＴ２状態（三重項第二励起状態）であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーと隣接する基底状態にあるＢ分子のポテンシャルエネルギーの和を表したものである。
【００４０】
曲線Ｓ１は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子が励起状態でＳ１状態（一重項最低励起状態）であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーと隣接する基底状態にあるＢ分子のポテンシャルエネルギーの和を表したものである。
【００４１】
曲線1,3（Ａ-Ｂ+）は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子がアニオン状態でＢ分子がカチオン状態であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーとＢ分子のポテンシャルエネルギーの和を表したものである。
【００４２】
図３に沿って、イオン対状態から励起状態への遷移は、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)にあった状態から、一重項の場合は曲線Ｓ１への遷移、三重項の場合は曲線Ｔ２への遷移と考えられる。この場合支配要因となるのは、電子状態関数の遷移と並んで、いかに核振動状態の遷移がスムーズに行われるかであり、いわゆるＦｒａｎｋ−Ｃｏｎｄｏｎ因子に依存する。Ｆｒａｎｋ−Ｃｏｎｄｏｎ因子は、イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線の交わる交点付近を通る振動準位の間で大きくなる。イオン対状態の最低振動状態からそのような交点付近を通る振動準位までのエネルギーが、イオン対状態から励起状態への遷移に対するエネルギー障壁となる。この様子をより詳しく考えるために図４および図５を援用して考える。図４は曲線1,3（Ａ-Ｂ+）と曲線Ｓ１との交点を考察しており、図５は曲線1,3（Ａ-Ｂ+）と曲線Ｔ２との交点を考察している。図３においては、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＳ１励起状態の曲線Ｓ１との交点ＸＰS1（図４参照）は、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍に位置している。また、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＴ２励起状態の曲線Ｔ２との交点ＸＰT2（図５参照）も、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍に位置している。この場合は、一重項イオン対状態から一重項励起状態への遷移と、三重項イオン対状態から三重項励起状態への遷移とは、エネルギー障壁が低く、スムーズに行われると予想される。
【００４３】
次に、図６に示された状態の場合を見てみよう。このケースは三重項第二励起状態のエネルギーがより高くなっている。また、三重項最低励起状態のエネルギーはむしろ低くなっている。この場合は、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＴ２励起状態との交点ＸＰT2（図７参照）が、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)から離れた位置に位置している。その結果、交点ＸＰT2におけるポテンシャルエネルギーとイオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)におけるポテンシャルエネルギーとの差は大きく、つまり遷移に対するエネルギー障壁が大きくなっている。したがって、三重項イオン対状態から三重項第二励起状態への遷移は困難となる。三重項イオン対状態から三重項最低励起状態への遷移も、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）と曲線Ｔ１との交点ＸＰT1（不図示）が曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)から遙かに離れた位置に位置しているため、困難となっている。
【００４４】
交点を経由しない遷移もありうるが、その遷移速度定数は小さい。一方、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＳ１励起状態の曲線Ｓ１との交点ＸＰS1（図８参照）は、図３の場合と同様に曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍に位置している。このため、一重項イオン対状態から一重項最低励起状態への遷移はスムーズである。
【００４５】
図６では、低分子アモルファス固体においても、一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が、三重項状態の隣接イオン対が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔの状態が実現すると考えられる。
【００４６】
一般に、ポテンシャルエネルギー曲線を計算シミュレーションで算出するのは計算量があまりに多く困難である。計算を簡略化して図３の状態と考えられるか、図６の状態と考えられるかを推定する一方法を示す。
【００４７】
図６の状態の特徴は、Ｔ２励起状態の曲線Ｔ２がＳ１励起状態の曲線Ｓ１より高い位置にあるということである。特に、イオン対状態からの遷移を考えるので、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍での関係が問題となる。つまり重要なのは、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)の基準座標Ｑ(A-B+)における曲線Ｔ２のエネルギーが曲線Ｓ１のエネルギーより大きいということである。言い換えれば、分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＴ２状態エネルギーと分子Ｂのカチオン状態最適化構造における基底状態エネルギーの和が、分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＳ１状態エネルギーと分子Ｂのカチオン状態最適化構造における基底状態エネルギーの和よりも大きいということである。分子Ｂの状態は曲線Ｔ２と曲線Ｓ１とで同じなので、これは分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＴ２状態エネルギーが、分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＳ１状態エネルギーよりも大きいということである。
【００４８】
この目安を満たせば、図６の状態と同じように、一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が、三重項状態の隣接イオン対が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔの状態の実現可能性が高い。
【００４９】
これらの図は、前述のとおり、分子間相互作用を無視して描かれているが、分子間相互作用を考慮すればそれぞれの曲線が変形したり移動したりする。また、隣接イオン対状態においては、一重項状態と三重項状態とではエネルギー的に異なってくるため、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）は二本の曲線に分かれる。通常は、一重項状態の隣接イオン対状態のエネルギーが三重項状態の隣接イオン対状態のエネルギーよりもやや高い。また基準座標は、Ａ分子、Ｂ分子の構造だけでなく、分子間距離や配向にも依存する。分子間相互作用を正しく考慮に入れれば、基本的には同じ考え方を用いてより精度の高い考察をすることが可能である。分子間相互作用を考慮に入れない考察であっても、望ましい分子を設計するためのひとつの指針を与えてくれる。
【００５０】
この議論は、隣接イオン状態においてＡ分子がアニオン、Ｂ分子がカチオンという状態1,3（Ａ-Ｂ+）から、Ａ分子が励起する励起状態（Ａ＊Ｂ）に遷移するという前提であった。しかし、隣接イオン状態においてＡ分子がカチオン、Ｂ分子がアニオンという状態（Ａ＋Ｂ−）から、Ａ分子が励起する励起状態（Ａ＊Ｂ）に遷移するという場合も考えられる。その場合において、上述の望ましいエネルギーの関係の議論は対応するアニオン、カチオンを入れ替えて考えればよい。
【００５１】
本発明者らは、以上述べたような考察を背景として、その分子を発光層に用いた有機発光素子が、外部磁場効果において、外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で発光効率が下がる分子、あるいは分子の組み合わせを探索してきた。その結果、具体的にそのような外部磁場効果を示す有機発光素子を実現する分子、あるいは分子の組み合わせを見出し、そのような有機発光素子を実現した。
【００５２】
また、この状態の有機発光素子が高効率発光を行うことを見出した。本実施形態において開示する有機発光素子の発光の外部量子効率は４％であり、従来の定説であった蛍光発光有機発光素子の外部両氏効率５％の限界を突破するには至っていない。これは、有機発光素子の発光効率には、一重項励起状態と三重項励起状態の比率以外にも素子の漏れ電流や蛍光発光自体の量子収率等多くの他の要因が関係するためであり、これらの要因が十分高効率化に最適化されていなかったと考えられる。しかし、少なくとも外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で、発光効率が下がるということは発光効率に対して有利な条件であるということは示唆された。
【００５３】
また、本実施形態の有機発光素子は、全層が低分子で形成されている。このことは、低分子を含む発光層を有している有機発光素子であっても、一重項励起状態と三重項励起状態が１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成する可能性を示していることになる。
【００５４】
低分子を用いることにより、共役系高分子で問題であった精製の難しさ、高分子鎖長の不均一、膜の分子形状の不均一に伴う伝導、発光特性の不均一、製膜条件による伝導、発光特性の変化の大きさ等の問題が改善される。精製に当たっては、ケイ酸やアルミナを吸着剤として用いる方法で簡易に高純度の生成物が得られる利点がある。また、場合によっては昇華精製法を併用することにより、更に高純度の生成物を得ることができる。分子量のばらつきがないため、高分子の場合に問題となった伝導や発光特性の不均一の問題が軽減される。また、有機発光素子の作製に際し、溶液の印刷法やインクジェット法などのウエットプロセスの他に、技術的に確立された真空蒸着法を用いることができ、高い発光効率と信頼性を得ることができる。
【００５５】
前述のメカニズムを確実に生ぜしめるため、発光層をホスト材料中にゲスト材料が分子分散された混合層タイプの発光層としたとき、良好な結果を得られ易いと考えられる。しかし、本発明の技術思想としては、必ずしもホスト材料中にゲスト材料が分子分散された混合層タイプの発光層には限らない。また、電子とホールがゲスト分子上で再結合してゲスト分子を励起させる直接励起型となるように電子輸送層や電子注入層、或いはホール輸送層やホール注入層の材料と膜厚等諸条件を適切に選択することが望ましい。ここで、直接励起型とは、電子とホールがホスト分子上で再結合してホスト分子を励起させ、その励起エネルギーがフェルスター型のエネルギー移動によりゲスト分子に移動しゲスト分子が励起する間接励起型とは異なるという意味である。発光層を形成する材料は全てが分子量４０００以下の分子であれば純度や分子量分布等の点で利点が得られ易いが、必ずしもそれに限らない。例えば、ゲストは分子量４０００以下の分子で、ホストは分子量４０００以上の高分子であっても、本発明の技術思想に合致するものはあり得る。この分子を含む発光層は、真空蒸着法により積層することが可能であり、確立された素子作製プロセスを使用することができるので望ましい。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５７】
＜実施例１＞
実施例１では、発光層中の発光性ゲスト分子としてベンゾチアジアゾール構造をもつ下記化学式１の化合物と、ゲスト分子としてピレン環構造をもつ下記化学式２の化合物とについて、コンピュータシミュレーションをおこなった。
【００５８】
【化１】
【００５９】
用いたソフトウェアは現在広く用いられている分子軌道計算ソフトウェアであるＧａｕｓｓｉａｎ０３である。ゲスト分子に関して、密度汎関数法により、アニオン状態最適化構造における中性分子のＳ１、Ｔ１、Ｔ２の各励起状態の励起エネルギーを計算した。アニオン状態構造最適化計算は、ＤＦＴ、Ｂ３ＬＹＰファンクショナル、基底系６−３１Ｇ＊で行った。中性分子の励起状態計算は、ＴＤ、Ｂ２ＬＹＰファンクショナル、基底系６−３１Ｇ＊で行った。
【００６０】
ゲスト分子の基底状態のＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギーレベルは以下のように計算された。
ＨＯＭＯ −５．３４０２ｅＶ
ＬＵＭＯ −２．３６４５ｅＶ
【００６１】
一方、ホスト分子の基底状態のＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギーレベルは以下のように計算された。
ＨＯＭＯ −５．１２１５ｅＶ
ＬＵＭＯ −１．６６２３ｅＶ
【００６２】
ゲスト分子のＨＯＭＯがホスト分子のＬＵＭＯより著しく低い。したがって、ホスト分子中にゲスト分子を分散した混合発光層においては、まず電子がホスト分子のＬＵＭＯを伝って伝導される間にゲスト分子のＬＵＭＯにトラップされてゲスト分子がアニオン化する。そのことによってゲスト分子のＨＯＭＯが上昇し、隣接するホスト分子のＨＯＭＯからホールが注入されるものと思われる（図１２参照）。
【００６３】
したがって、この場合は、ゲスト分子をＡとしホスト分子をＢとすると、1,3（Ａ-Ｂ+）から（Ａ＊Ｂ）への遷移が主であり、1,3（Ａ+Ｂ-）から（Ａ＊Ｂ）への遷移は少ないと考えられる。1,3（Ａ-Ｂ+）から（Ａ＊Ｂ）への遷移において、ｋｓ＞＝ｋｔが成り立ちうるポテンシャルエネルギー曲線になっているかどうかを考察すればよい。
【００６４】
アニオン状態最適化構造における、電荷的中性状態の各励起状態の励起エネルギーは以下のとおり計算された。
Ｓ１ ２．１３７８ｅＶ
Ｔ１ １．２５７０ｅＶ
Ｔ２ ２．４７０１ｅＶ
【００６５】
各励起状態のエネルギーはこれらに基底状態の全エネルギーを足し合わせたものと考えられるが、各励起状態間のエネルギーの大小関係のみを論ずる場合は励起エネルギーのみわかっていればよい。
【００６６】
このように、アニオン状態最適化構造における中性状態のＴ２状態エネルギーが、アニオン状態最適化構造における中性状態のＳ１状態エネルギーよりも大きいという目安を満たす。そのため、この化学式１の分子をゲストとし化学式２の分子をホストとする発光層内の励起にかかわるポテンシャルエネルギー曲線の様子は、図６のようになっている可能性が高い。
【００６７】
次に実際の有機化合物の合成と有機発光素子の作製、評価について述べる。
【００６８】
化学式１の分子は以下の手順で合成される。
【００６９】
中間体の合成（４，７−ｄｉｂｒｏｍｏ−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）
２，１，３−ベンゾチアジアゾール６．８ｇ（５０ｍｍｏｌ）を４７％臭化水素水溶液１５ｍｌに分散させ、混合溶液を還流させながら、臭素２４ｇ（１５０ｍｍｏｌ）をゆっくり滴下した。滴下終了後、４７％臭化水素水溶液１０ｍｌを追加投入し、４時間還流した。反応終了後、５％炭酸ナトリウム溶液で中和し、クロロホルムで抽出した後、カラムクロマトグラム（クロロホルム）で精製し、更にクロロホルム／ヘプタン系溶剤で再結晶して黄色固体９ｇ（収率６１％）を得た。
【００７０】
化学式１の有機化合物の合成（４，７−ｄｉｆｌｕｏｒｅｎｏ−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）
４，７−ｄｉｂｒｏｍｏ−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ２ｇ（６．８ｍｍｏｌ）と２−（４，４，５，５−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−１，３，２−ｄｉｏｘａｂｏｒｏｌａｎ−２−ｙｌ）ｆｌｕｏｒｅｎｅ５．５ｇ（１７ｍｍｏｌ）をトルエン／エタノール（４／１）１００ｍｌ中に溶解した。この溶液に炭酸ナトリウム水溶液１９．５ｍｌとテトラキス（トリフェニルホスフイン）パラジウム（０）１ｇ（０．９ｍｍｏｌ）加え、２時間還流した。反応終了後、溶剤を除去し、カラムクロマトグラム（クロロホルム）で精製し、更にクロロホルム／エタノール系溶剤で再結晶して黄色固体１．６ｇ（収率４５％）を得た。
【００７１】
化学式２の分子は以下の手順で合成される。
【００７２】
化学式２の有機化合物の合成（２，７−ｄｉｐｙｒｅｎｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ）
５００ｍｌ三ツ口フラスコに、２，７−ジブロモ−９，９−ジメチルフルオレン［１］２．０ｇ（５．６８ｍｍｏｌ）、ピレン−１−ボロン酸［２］４．２ｇ（１７．０ｍｍｏｌ）、トルエン１２０ｍｌおよびエタノール６０ｍｌを入れ、窒素雰囲気中、室温で攪拌した。そして、炭酸ナトリウム２４ｇ／水１２０ｍｌの水溶液を滴下し、次いでテトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム（０）０．３３ｇ（０．２８ｍｍｏｌ）を添加した。室温で３０分攪拌した後、７７度に昇温し５時間攪拌した。反応後、有機層をクロロホルムで抽出し無水硫酸ナトリウムで乾燥後、シリカゲルカラム（ヘキサン＋トルエン混合展開溶媒）で精製し、白色結晶３．０ｇ（収率８９％）を得た。
【００７３】
このようにして得られた化学式１の有機化合物と化学式２の有機化合物とをさらに昇華精製を行った。
【００７４】
化学式１の有機化合物と化学式２の有機化合物とを発光層として有する有機発光素子を以下のようにして作成した。
【００７５】
ガラス基板上に酸化錫インジウム（ＩＴＯ）をスパッタ法にて１２０ｎｍの膜厚で成膜したものを透明導電性支持基板として用いた。これをアセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で順次超音波洗浄し、ＩＰＡで煮沸洗浄、乾燥をした。さらに、ＵＶ／オゾン洗浄したものを透明導電性支持基板として使用した。
【００７６】
まず、下記化学式３の材料を０．１ｗｔ％のクロロフォルム溶液とする。ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）付きガラス基板上にクロロフォルム溶液を滴下し、５００ｒｐｍで１０ｓｅｃ、引き続き１０００ｒｐｍで４０ｓｅｃの条件でスピンコートを行う。これが素子の正孔注入層兼正孔輸送層となる。
【００７７】
【化２】
【００７８】
スピンコートされたガラス基板上に、真空蒸着法で順次、発光層、電子輸送層、電子注入層および陰極を形成する。
【００７９】
真空度５×１０-5Ｐａのバックグランド圧力下で、化学式１の有機化合物を０．１Å／ｓｅｃ、化学式２の有機化合物を１Å／ｓｅｃの製膜速度で共蒸着し、化学式１の有機化合物をゲスト、化学式２の有機化合物をホストとする発光層を４００Å積層した。
【００８０】
次に、下記化学式４で示される電子輸送材料を１５０Å積層する。
【００８１】
【化３】
【００８２】
その上にＬｉＦを電子注入層として５Å積層し、さらにその上にアルミニウムを陰極として１０００Å積層した。このようにして、図１３に示す構造の有機発光素子を作成した。
【００８３】
この様にして得られた有機発光素子に、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして、３．６Ｖの直流電圧を印加すると０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れ、輝度７０ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約４％に相当する。
【００８４】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして、３．６Ｖの直流電圧を印加すると０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度を通電電流密度で規格化した値（電流密度発光効率）の変化を調べると、図１４のようになった。この測定時間中磁場に依存しない経時変化が伴う場合があるが、補正を行った。
【００８５】
このグラフで最も特徴的なことは、通常の有機蛍光材料を用いた素子とは異なり、０ガウスから１０００ガウスにかけて、電流密度発光効率がほぼ変化していないかむしろ減少していることである。外部磁場０ガウスのときを１としたときの相対電流密度発光効率は外部磁場１０００ガウスのとき０．９９６であり、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合が明らかに低い。さらに、通常の有機螢光材料を用いた素子においては、０ガウスから１００ガウスにかけて鋭い上昇が見られるものが、本実施例の有機発光素子においては上昇がなく、ほぼ横ばいか下降の傾向を示していることである。
【００８６】
このことは、発光層中の電子−ホール対状態（アニオン−カチオン対状態）から発光分子の励起状態に遷移する過程において、一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が、三重項状態の隣接イオン状態が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔとなる状態が実現していることを示唆している。少なくとも、三重項の電子―ホール対状態が何らかの形で一重項励起状態からの発光に寄与していることを示している。
【００８７】
＜比較例１＞
ここで比較のため、比較例１として、低分子有機発光素子の発光層材料としてよく知られた下記化学式５のアルミニウムキノリノール錯体を発光層に用いた素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。
【００８８】
【化４】
【００８９】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度１０ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約０．５％に相当する。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１５のようになった。図１５では、岩崎らの発表の素子と同様に、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域で、電流密度発光効率が磁場の印加とともに鋭く上昇している。
【００９０】
＜比較例２＞
さらに、比較例２として、発光層を上記化学式１の化合物のみで構成される単一層とした素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。
【００９１】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度７ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約０．４％に相当する。そのまま磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１６のようになった。このグラフでも、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域において、電流密度発光効率が磁場の印加とともに上昇している。
【００９２】
＜比較例３＞
そして、比較例３として、発光層を上記化学式２の化合物のみで構成される単一層とした素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。
【００９３】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度１５ｃｄ／ｍ2の青色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約１．５％に相当する。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１７のようになった。図１７でも、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域において、電流密度発光効率が磁場の印加とともに上昇している。
【００９４】
＜比較例４＞
加えて、比較例４として、発光層を化学式１の有機化合物と化学式２の有機化合物の混合層ではあるが、実施例１とは異なる混合割合の混合層とした素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。具体的には、発光層の成膜において、化学式１の有機化合物を０．０５Å／ｓｅｃ、化学式２の有機物を１Å／ｓｅｃの製膜速度で共蒸着した。
【００９５】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度５０ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約２．９％に相当する。そのまま磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１８のようになった。図１８でも、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域において、電流密度発光効率が磁場の印加とともに上昇している。図１８に示すグラフは、図１７に示した発光層を化学式２の有機化合物のみで構成される単一層とした比較例３と類似している。
【００９６】
このことは、この比較例４においては、発光層中の電子−ホール対状態（アニオン−カチオン対状態）から発光分子の励起状態に遷移する過程において、実施例１のときとは異なる過程が支配的であることを示唆している。この過程は、発光層に注入された電子とホールが、ホストである化学式２の分子のアニオンとカチオンとして出会い、そのままホスト分子上で励起状態を形成する。そこから、いわゆるフェルスター遷移によって化学式１の分子上にエネルギー移動し発光するという経路であると考えられる（図１９参照）。電子とホールの再結合から励起が化学式２の分子上で行われるため、外部磁場に対する電流密度発光効率の挙動も比較例３（図１７参照）と同様になると考えられる。発光の外部量子効率が実施例１より低いのは、ｋｓ＞＝ｋｔという条件が実現されていないためであると考えられる。また、発光の外部量子効率が第三の比較例よりも高いのは、化学式１の化合物の蛍光量子収率が化学式２の化合物の蛍光量子収率より高いためと考えられる。
【００９７】
このように、低磁場領域で、電流密度発光効率が磁場の印加によってほぼ変化しないかむしろ減少する傾向を示すことは、本発明の有機発光素子に特徴的な現象であることがわかる。
【００９８】
＜実施例１＞
さて再び、本実施例の有機発光素子に戻る。
【００９９】
図１３の素子を再び電磁石の間のキヤビティにおき、駆動電流を少し上げ、１．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流す。そのまま磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図２０のようになった。
【０１００】
図２０では、０ガウスから５００ガウスにかけて、電流密度発光効率が増加し、５００ガウスから１０００ガウスにかけては減少している。しかし、外部磁場０ガウスのときを１としたときの相対電流密度発光効率は外部磁場１０００ガウスのとき１．０００であり、電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2の場合より明らかに大きい。また、０ガウスから１００ガウスにかけて上昇が見られる。
【０１０１】
このことは、この電流密度においては、発光層中の電子−ホール対状態（アニオン−カチオン対状態）から発光分子の励起状態に遷移する過程において、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度のときとは異なる過程が混合してきていることを示唆している。この過程は図１９の経路であると考えられる。即ち、比較例４で述べた電子とホールがホストである化学式２の分子のアニオンとカチオンとして出会い、そのままホスト分子上で励起状態を形成する。そして、そこからフェルスター遷移によって式の分子上にエネルギー移動し発光するという経路である。図２０の挙動は、実施例１に示した図１４の挙動と比較例３に示した図１７の挙動が混合したものと解釈することができる。このため、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度の場合よりも、１０００ガウスにおける電流密度発光効率が増加していると考えられる。
【０１０２】
さらに駆動電流を上げ、３０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流す。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図２１のようになった。
【０１０３】
図２１の特徴は、外部磁場が大きい領域で、電流密度発光効率が外部磁場強度とともに減少する傾向が著しい点にある。この外部磁場効果の高磁場側の領域で磁場の増加と共に減少する特性は図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明した。即ち、緩く束縛された電子とホールの対の一重項状態と三重項状態との間の混合が外部磁場の影響を受けて制限されるために起こる低磁場側の変化とは異なる現象である。岩崎らによれば、高磁場側の領域で磁場の増加と共に減少するメカニズムとして、三重項−三重項消滅による一重項励起状態生成の機構が外部磁場の影響を受けて減少するメカニズムが考えられるという（上記非特許文献４参照）。三重項−三重項消滅は電流密度の増加とともに急激に増加すると考えられるので、特に駆動電流密度の大きい図２１で、高磁場側の領域で磁場の増加と共に減少する特性が顕著に出ていることと付合する。図２１では、その影響を受け、外部磁場１０００ガウスにおいても、相対電流密度発光効率が再び１以下になっている。しかし、この場合はｋｓ＞＝ｋｔを示すものではないので、区別されなければならない。三重項−三重項消滅の影響が十分小さい低電流密度での駆動において、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合の電流密度発光効率が小さいことが、ｋｓ＞＝ｋｔを示唆するものであると考えられる。上記に示した例では、電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下の電流密度が、三重項−三重項消滅の影響が十分小さい低電流密度と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】電子−ホール間距離とエネルギーの関係を示す図である。
【図２】隣接イオン対状態から励起状態への遷移を説明する図である。
【図３】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図４】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図５】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図６】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図７】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図８】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図９】有機発光素子の外部磁場効果を測定する測定系の図である。
【図１０】有機発光素子の外部磁場効果の例を示す図である。
【図１１】（ａ）は隣接イオン状態において一重項状態と三重項状態との混合を示す図、（ｂ）は隣接イオン状態において外部磁場の影響で一重項状態と三重項状態との混合が抑制されることを示す図である。
【図１２】実施例１の有機発光素子における電荷注入から励起にいたる過程を示す図である。
【図１３】実施例１の有機発光素子を示す図である。
【図１４】実施例１の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１５】比較例１の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１６】比較例２の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１７】比較例３の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１８】比較例４の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１９】比較例４の有機発光素子における電荷注入から励起にいたる過程を示す図である。
【図２０】実施例１の有機発光素子における駆動電流密度を増やした場合の外部磁場効果を示す図である。
【図２１】実施例１の有機発光素子における駆動電流密度をさらに増やした場合の外部磁場効果を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機発光素子の電荷注入励起による発光の場合、内部発光量子効率の上限は２５％であると言われてきた。この値は、素子の透明基板と空気との界面での内面反射によるロスを考慮すると、外部発光量子効率５％に相当する。電荷注入励起の場合、発光分子の一重項励起状態と三重項励起状態がランダムに生じるが、一重項励起状態の多重度１に対し、三重項励起状態の多重度が３であることを考慮すると、一重項励起状態と三重項励起状態は１：３の割合で生成すると考えられる。一般の分子では基底状態は一重項状態なので、三重項励起状態は基底状態に発光遷移する確率が非常に低く、常温では発光には寄与しない。このため、例え一重項励起状態が全て発光遷移したとしても、内部発光量子効率の上限は２５％であると言われてきた。
【０００３】
この限界を突破すべく、近年、重原子効果を利用して三重項励起状態から基底状態への遷移確率を著しく増大し、よって室温でも十分高い効率の三重項発光を可能とする材料が提案されている。Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏらは、励起三重項状態からの高効率の燐光発光を示す有機イリジウム錯体を発光分子として用いることで、外部量子効率８．０％（内部量子効率４０．０％相当）が得られたと報告した（非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、共役系高分子を用いる有機発光素子においては、イリジウム錯体を用いない有機発光素子においても、従来の定説であった内部量子効率２５％、外部量子効率５％の限界を突破する場合があることが報告されている。これは、一重項励起状態と三重項励起状態が１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成するためであると考えられている。
【０００５】
共役系高分子における高効率蛍光発光のメカニズムについてもいろいろ議論されており、次のような考え方がある。共役系高分子において、同一共役鎖上に電子とホールが離れて存在している状態から、お互いに相関して励起子を形成するにいたる過程を考える。このとき、電子とホールの量子力学的相互作用の影響等で一重項状態の電子−ホール対の場合と三重項状態の電子−ホール対の場合とで異なり、一重項状態の方がより速く、あるいは確率高く励起子状態になるという考え方である（非特許文献２、３参照）。
【０００６】
実験的には共役系高分子においては一重項励起状態と三重項励起状態が１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成していると考えられる結果が多く報告されている。一方、低分子においてはそのような結果の報告は知られていない。
【０００７】
近年、有機発光素子中のキヤリアや分子のスピン状態を観察し、電子とホールが再結合して励起状態を形成する素過程を解析する手段として、外部から印加された磁場に対するさまざまな応答を評価する研究が行われるようになってきた（非特許文献４参照）。このような新たな手法も交えて、有機発光素子の諸現象の解明が期待されている。
【０００８】
【非特許文献１】Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｓ．Ｌａｍａｎｓｋｙ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｍ．Ｅ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７５，Ｎｏ．１，ｐｐ４（１９９９）
【非特許文献２】Ｍ．Ｎ．Ｋｏｂｒａｋ，Ｅ．Ｒ．Ｂｉｔｔｎｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ６２，ｐｐ１１４７３（２０００）
【非特許文献３】Ｓ．Ｋａｒａｂｕｎａｒｌｉｅｖ，Ｅ．Ｒ．Ｂｉｔｔｎｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９０，Ｎｏ．５，０５７４０２，（２００３）
【非特許文献４】第５３回高分子討論会予稿集 １Ｒ１９ （２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
低分子では、重原子効果を利用した高効率の燐光発光を示す物質の探索が積極的に行われているが、イリジウム錯体以外は効率、安定性等の面で問題のあるものが多く、現時点では実用化できる材料はない。また、イリジウム錯体はイリジウムという比較的希少な元素を用いるため材料が高価になり、経済性の点から問題がある。さらに、高効率とはいえ燐光発光であるため、高輝度領域になると三重項−三重項消滅を起こし、発光量子効率が低下するという難点がある。加えて、発光色の設計自由度もイリジウム錯体という限定があるため、制約を受ける。
【００１０】
一方、高分子は一般に精製が難しく、不純物が残り易い。高分子鎖長も単一ではなく、分子量が広い範囲に分布する。これらが原因の一つとなって、合成ロットや製膜条件による伝導、発光特性、寿命特性のばらつきが大きいという問題があった。また、有機発光素子の作製に際し、真空蒸着法を用いることができず、印刷法やインクジェット法などが検討されているが課題が多かった。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、発光層に低分子の有機化合物を用いて、蛍光発光を利用しながら高い発光効率を得ることができる有機発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成すべく、本発明に係る有機発光素子は、一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子において、
外部磁場を制御可能な環境下において電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で素子を駆動し、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスまで変化させた場合、発光強度を通電電流密度で規格化した発光効率が外部磁場に依存し、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合に該発光効率が等しいか低下することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部磁場を制御可能な環境下にて電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で有機発光素子を駆動させたときに、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスまで変化させて、その発光強度を通電電流密度で規格化した値を測定する。そのとき、発光効率の外部磁場依存性が、外部磁場が０ガウスの場合に比べて１０００ガウスの場合の発光効率が等しいか低くなるように素子を構成すれば、一重項励起子を多く生成する。したがって、発光層に低分子の有機化合物を用いて、蛍光発光を利用しながら高発光効率の有機発光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本発明者らは、一重項発光で高発光効率の有機発光素子を見出すべく鋭意検討を続けてきた。既述したように、共役系高分子では一重項励起状態と三重項励起状態とが１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成している。この実験結果は、一重項発光で高発光効率を得るには非常に魅力的である。この現象は未だ共役系高分子においてのみ観察されており、理論的にも、共役鎖の長さに依存するとする等、共役系高分子に特有のものとする議論が多い。
【００１６】
しかしながら、これら議論を吟味してみると、共役系高分子で観察され低分子で観察されていないという結果を本質的なものとして説明しようとする観点が強い。低分子において本当にこのような現象が生じ得ないかという観点からの議論は十分ではないように思える。
【００１７】
できれば、選択可能な精製手段が多く、高純度を達成し易く、合成法上分子量制御の難しい連鎖重合反応等の重合反応によらずに合成でき、分子量制御が現実的に行い得る程度の分子量の分子を用いた有機発光素子が望ましい。例えば、有機発光素子に用いられる有機材料の基本構造、あるいは置換基として優れた特性を示すことの多いビフェニル、スチリル、フルオレン、アントラセンなどの基は分子量が１５０から２００程度である。これらを単量体とする多量体のうち、重合度が２から２０程度のものはオリゴマーと呼ばれるが、この程度が望ましい。分子量にすると４０００以下である。さらに、真空蒸着法を用いて積層可能であれば、既に確立している真空蒸着法を用いて有機発光素子の作製が可能となり、この点でも利点がある。
【００１８】
そこで、発明者らは、電子とホールの再結合の過程を、共役系高分子か低分子かという観点にとらわれずに見直すことから始め、その結果、次のような知見を得た。即ち、外部磁場を制御可能な環境下に有機発光素子をおき、外部磁場を変化させて、その発光強度を通電電流密度で規格化した値を測定した。従来知られている有機発光素子においては、外部磁場が０ガウスの場合に比べて１０００ガウスの場合の値は大きいのが一般的である。しかし、発光層材料や構成によって外部磁場が０ガウスの場合に比べて１０００ガウスの場合の値が等しいか低い場合があり得、そのときに高発光効率の一重項発光が得られることを見出した。
【００１９】
ここでは、この有機発光素子を制御可能な外部磁場環境下におき、外部磁場を変化させて、その発光強度を通電電流密度で規格化した値の挙動を「発光効率の外部磁場効果」と呼ぶこととする。発光効率の外部磁場効果に注目するのは、この効果が、電極から注入された電子とホールが再結合して分子を励起し、基底状態に戻る過程における速度の一重項状態であるか三重項状態であるかによる違いを反映している。そして、この速度の違いが一重項状態と三重項状態との生成比を変化させることにより、発光効率と強く結びついていると考えるからである。
【００２０】
以下、発明者らが発光効率の外部磁場効果に注目した背景を説明しつつ詳細に考察する。
【００２１】
まず、陰極から注入された電子と陽極から注入されたホールが再結合して分子を励起し、エネルギーを放出して基底状態に戻る過程を、スピン状態に注目して考察する。
【００２２】
以下の考察において、アニオンとカチオンはそれぞれ同種分子のアニオンとカチオンであってもよく、異種分子のアニオンとカチオンであってもよい。ＡとＢは同種分子であってもよく、異種分子であってもよい。
【００２３】
図１は電子−ホール間距離とエネルギーの関係を示す図である。低分子アモルファス固体中では、電子とホールはそれぞれアニオン、カチオンとして担持されているので、アニオン−カチオン間距離と考えてもよい。電子とホールが離れている遠隔電子−ホール対（遠隔イオン対）状態では、電子とホールとの間、あるいはアニオンとカチオンとの間の相互作用が小さく、全体としてのスピン状態は一重項状態と三重項状態との混合状態である。エネルギーとしては縮退している。電子とホールが近接してくると、相互作用が大きくなり、全体としてのスピン状態は一重項状態と三重項状態とに分かれるが、その確率は１：３であると考えられる。電子とホールが隣接する分子にそれぞれ担持される状態にまで近づいたとき、アニオン、カチオンとして見ると、アニオン、カチオンが隣接した隣接イオン状態と見られる状態になる。
【００２４】
図２は隣接イオン対状態から励起状態への遷移を説明する図である。図２に示すように、隣接イオン対状態から励起状態には、相互作用の影響下で量子力学的に遷移する。励起状態からはエネルギーを光あるいは熱として放出して基底状態に戻る。
【００２５】
さて、遠隔電子−ホール対状態から近接電子−ホール対状態、隣接電子−ホール対状態励起状態を経て基底状態に戻る一連の過程において、一重項状態と三重項状態とで各過程から次の過程に移る速度に違いがある場合がある。この場合には、励起状態を経て基底状態に戻る際に、一重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率と、三重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率との比率が、１：３ではなくなる可能性があると考えられる。
【００２６】
例えば、隣接電子−ホール対状態から励起状態に移る過程において、仮に一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓとする）が、三重項状態の隣接イオン状態が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔとする）より大きとする。そうすると、結果的に注入された電子とホールがイオン対から励起状態を経て基底状態に戻る際に、一重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率と、三重項励起状態から基底状態に戻る経路をとる確率との比率が１：３よりも高くなる可能性がある。このとき、一重項励起状態の発光効率が十分高く、また発光層からのキヤリアの漏れ等がなければ、従来の定説であった内部量子効率２５％、外部量子効率５％の限界を突破する可能性が生じる。
【００２７】
具体的に一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が三重項状態の隣接イオン状態が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔとなる状態の実現を推定するには、どのようにすればよいであろうか。
【００２８】
最近、有機発光素子に対する外部磁場の効果が注目されている。岩崎らは、ＥＳＲ装置に用いられる磁場コイルのキヤビティ中に有機発光素子をおき、コイルに電流を流して磁場をかけ、有機発光素子の発光効率の変化を観察した（上記非特許文献４参照）。この様子を図９および図１０に示す。図９は装置の概略を示し、有機発光素子に電磁石により外部磁場をかけている。図１０はＰＰＶ系の高分子を発光層とする有機発光素子を実測したときの結果を示している。図１０において、横軸は磁場強度、縦軸は磁場をかけない状態における発光強度を１と置いたときの相対発光強度である。印加電圧を４．４Ｖ、５．５Ｖ、９．９Ｖ、１３．２Ｖと段階的に変化させ、それぞれの場合での相対発光強度の変化を記録している。不図示であるが、磁場の印加において駆動電流密度は殆ど変化していない。したがって、相対発光強度が磁場の強さに応じて変化するのは、発光効率が変化しているものと考えられる。
【００２９】
この変化の様子は大きく分けて二種類ある。一つは、０〜１００ｍＴ（１０００Ｇａｕｓｓ）程度の低磁場領域で、磁場の印加とともに鋭く相対発光強度が変化する部分である。もう一つは、印加電圧が高くなるにしたがって、１００ｍＴ（１０００Ｇａｕｓｓ）から１０００ｍＴ（１００００Ｇａｕｓｓ）にわたって徐々に現れてくる高磁場側での緩慢な変化の部分である。
【００３０】
岩崎らによれば、低磁場側の鋭い変化は以下のようなメカニズムで説明される。電極から注入された電子とホールは、再結合して有機分子を励起させる前段階として、緩く束縛された電子とホールの対を形成する。図７のような外部磁場効果は、高分子を有機化合物層として有する有機発光素子に限らず、例えばアルミニウムキノリノール錯体のような低分子を有機化合物層として有する有機発光素子においても観測されている。低分子の場合、上記の電子−ホール対はアニオン−カチオン対ともいえる。
【００３１】
さて、この状態においても、一重項状態と三重項状態とがあり得るが、電子とホールの束縛が緩い場合、一重項状態のエネルギーと三重項状態のエネルギーはほぼ等しい。また、外部磁場がかからない場合、三重項状態の三つの独立な状態（例えばｍz＝＋１，０，−１）同士もエネルギーはほぼ等しく、縮退している。この関係を図１１（ａ）に示す。この磁場なしの状態では、一重項状態と三つの三重項状態との間には核スピンの影響などによる混合がある。さて、この電子−ホール対状態から電荷移動して励起状態に移行するが、一重項の電子−ホール対状態から一重項の励起状態に移行する速度定数をｋｓ、三重項の電子−ホール対状態のそれぞれから三重項の励起状態に移行する速度定数をｋｔとする。なお、三重項状態の三つの独立な状態においてそれぞれ同じ値ｋｔをとる。仮にｋｓ＜ｋｔとすると、一重項状態と三つの三重項状態との間の混合が、実際に生成する励起状態のバランスを更に三重項励起状態が一重項励起状態より多く生成させるようにシフトさせる。ところが、外部磁場が印加された三重項の電子−ホール対状態が三つの状態にゼーマン分裂すると、一重項状態と三重項状態との間の混合は制限を受ける。このため、上記のシフトも少なくなり、外部磁場の無い場合に比べて一重項励起状態からの発光が増えるのが観測される。この磁場ありの関係を図１１（ｂ）に示す。
【００３２】
このような議論は、溶液中の化学反応におけるスピン状態の影響を調べるため、ＥＳＲ装置を応用して外部磁場印加やマイクロ波照射の効果を調べる、いわゆるスピン化学の分野でのラジカル対効果の議論に類似している。ラジカル対効果は、溶液中でラジカル種同士が数１０Å程度の距離に緩く束縛されている状態で観測されるといわれている。有機発光素子中のような固体中で、１０Å程度の大きさのイオン同士が隣接、あるいは数分子を隔てて緩く束縛されている状態は、確かにラジカル対効果の議論の前提に類似していると思われる。
【００３３】
以上の議論からすれば、仮にｋｓ＞＝ｋｔであれば、一重項状態と三つの三重項状態との間の混合が、実際に生成する励起状態のバランスを逆に一重項励起状態が増加するようにシフトさせる。ところが、外部磁場が印加された三重項の電子−ホール対状態が三つの状態にゼーマン分裂すると、一重項状態と三重項状態との間の混合は制限を受ける。このため、上記のシフトも少なくなり、外部磁場の無い場合に比べて一重項励起状態からの発光が減少するのが観測されることになる。低磁場領域で、外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で、発光効率がむしろ下がる可能性があることが考えられる。
【００３４】
低磁場領域で、外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で、発光効率が下がるならば、少なくとも三重項の電子−ホール対状態が何らかの形で一重項励起状態からの発光に寄与していることを示している。
【００３５】
低分子アモルファス固体においても、上記ｋｓとｋｔとが異なりうるのか、特にｋｓ＞＝ｋｔとなりうるのかについて、次のように考えてみた。この考え方は一般的で、特に低分子、共役系高分子という限定はしていない。
【００３６】
いま、隣接イオン対状態から電子あるいはホールが移動して一方の分子が励起状態となる過程を、隣接する二分子それぞれの単一状態の和を０次近似とし、相互作用を摂動として考えてみる。アニオン、カチオンが隣接した状態と一方の分子が励起した状態の二分子系全体のポテンシャルエネルギー曲線を表したものが図３である。縦軸は二分子系全体のポテンシャルエネルギーである。横軸は二分子系全体の核配置の基準座標をイメージしている。当面、議論を簡単にするため、基準座標の設定に関してはアニオン−カチオン間、あるいは励起分子−基底状態分子間の分子間相互作用は無視し、各単一分子での基準座標を単に流用したものとする。一般に、アニオン、カチオンのイオン状態と中性状態とでは基準座標系が異なるし、また、基底状態と励起状態とでも基準座標系は異なる。ここでは、隣接イオン状態から励起状態への遷移に支配的に影響を与える共通の基準座標が存在すると仮定し、その基準座標について考察するものとする。
【００３７】
曲線は、各状態のポテンシャルエネルギー曲線を表している。各基準座標位置での各配置に対応するアニオン、カチオンそれぞれのポテンシャルエネルギーの和をとっている。アニオン−カチオン間の相互作用は、隣接するアニオン−カチオン間の中心距離に相当する電子−ホール間のクーロンエネルギーのみを考慮して補正し、電子軌道の詳細に依存する相互作用は無視している。励起分子、基底状態分子対に関しては、分子間相互作用を無視し、各基準座標位置での各配置に対応する励起分子、基底状態分子それぞれのポテンシャルエネルギーの和をとっている。
【００３８】
図３において、曲線Ｔ１は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子が励起状態でＴ１状態（三重項最低励起状態）であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーと隣接する基底状態にあるＢ分子のエネルギーの和を表したものである。
【００３９】
曲線Ｔ２は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子が励起状態でＴ２状態（三重項第二励起状態）であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーと隣接する基底状態にあるＢ分子のポテンシャルエネルギーの和を表したものである。
【００４０】
曲線Ｓ１は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子が励起状態でＳ１状態（一重項最低励起状態）であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーと隣接する基底状態にあるＢ分子のポテンシャルエネルギーの和を表したものである。
【００４１】
曲線1,3（Ａ-Ｂ+）は、隣接する二分子ＡとＢのうち、Ａ分子がアニオン状態でＢ分子がカチオン状態であるときの、Ａ分子のポテンシャルエネルギーとＢ分子のポテンシャルエネルギーの和を表したものである。
【００４２】
図３に沿って、イオン対状態から励起状態への遷移は、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)にあった状態から、一重項の場合は曲線Ｓ１への遷移、三重項の場合は曲線Ｔ２への遷移と考えられる。この場合支配要因となるのは、電子状態関数の遷移と並んで、いかに核振動状態の遷移がスムーズに行われるかであり、いわゆるＦｒａｎｋ−Ｃｏｎｄｏｎ因子に依存する。Ｆｒａｎｋ−Ｃｏｎｄｏｎ因子は、イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線の交わる交点付近を通る振動準位の間で大きくなる。イオン対状態の最低振動状態からそのような交点付近を通る振動準位までのエネルギーが、イオン対状態から励起状態への遷移に対するエネルギー障壁となる。この様子をより詳しく考えるために図４および図５を援用して考える。図４は曲線1,3（Ａ-Ｂ+）と曲線Ｓ１との交点を考察しており、図５は曲線1,3（Ａ-Ｂ+）と曲線Ｔ２との交点を考察している。図３においては、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＳ１励起状態の曲線Ｓ１との交点ＸＰS1（図４参照）は、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍に位置している。また、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＴ２励起状態の曲線Ｔ２との交点ＸＰT2（図５参照）も、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍に位置している。この場合は、一重項イオン対状態から一重項励起状態への遷移と、三重項イオン対状態から三重項励起状態への遷移とは、エネルギー障壁が低く、スムーズに行われると予想される。
【００４３】
次に、図６に示された状態の場合を見てみよう。このケースは三重項第二励起状態のエネルギーがより高くなっている。また、三重項最低励起状態のエネルギーはむしろ低くなっている。この場合は、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＴ２励起状態との交点ＸＰT2（図７参照）が、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)から離れた位置に位置している。その結果、交点ＸＰT2におけるポテンシャルエネルギーとイオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)におけるポテンシャルエネルギーとの差は大きく、つまり遷移に対するエネルギー障壁が大きくなっている。したがって、三重項イオン対状態から三重項第二励起状態への遷移は困難となる。三重項イオン対状態から三重項最低励起状態への遷移も、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）と曲線Ｔ１との交点ＸＰT1（不図示）が曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)から遙かに離れた位置に位置しているため、困難となっている。
【００４４】
交点を経由しない遷移もありうるが、その遷移速度定数は小さい。一方、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）とＳ１励起状態の曲線Ｓ１との交点ＸＰS1（図８参照）は、図３の場合と同様に曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍に位置している。このため、一重項イオン対状態から一重項最低励起状態への遷移はスムーズである。
【００４５】
図６では、低分子アモルファス固体においても、一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が、三重項状態の隣接イオン対が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔの状態が実現すると考えられる。
【００４６】
一般に、ポテンシャルエネルギー曲線を計算シミュレーションで算出するのは計算量があまりに多く困難である。計算を簡略化して図３の状態と考えられるか、図６の状態と考えられるかを推定する一方法を示す。
【００４７】
図６の状態の特徴は、Ｔ２励起状態の曲線Ｔ２がＳ１励起状態の曲線Ｓ１より高い位置にあるということである。特に、イオン対状態からの遷移を考えるので、イオン対状態の曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)近傍での関係が問題となる。つまり重要なのは、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）の底部Ｐ(A-B+)の基準座標Ｑ(A-B+)における曲線Ｔ２のエネルギーが曲線Ｓ１のエネルギーより大きいということである。言い換えれば、分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＴ２状態エネルギーと分子Ｂのカチオン状態最適化構造における基底状態エネルギーの和が、分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＳ１状態エネルギーと分子Ｂのカチオン状態最適化構造における基底状態エネルギーの和よりも大きいということである。分子Ｂの状態は曲線Ｔ２と曲線Ｓ１とで同じなので、これは分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＴ２状態エネルギーが、分子Ａのアニオン状態最適化構造における中性状態のＳ１状態エネルギーよりも大きいということである。
【００４８】
この目安を満たせば、図６の状態と同じように、一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が、三重項状態の隣接イオン対が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔの状態の実現可能性が高い。
【００４９】
これらの図は、前述のとおり、分子間相互作用を無視して描かれているが、分子間相互作用を考慮すればそれぞれの曲線が変形したり移動したりする。また、隣接イオン対状態においては、一重項状態と三重項状態とではエネルギー的に異なってくるため、曲線1,3（Ａ-Ｂ+）は二本の曲線に分かれる。通常は、一重項状態の隣接イオン対状態のエネルギーが三重項状態の隣接イオン対状態のエネルギーよりもやや高い。また基準座標は、Ａ分子、Ｂ分子の構造だけでなく、分子間距離や配向にも依存する。分子間相互作用を正しく考慮に入れれば、基本的には同じ考え方を用いてより精度の高い考察をすることが可能である。分子間相互作用を考慮に入れない考察であっても、望ましい分子を設計するためのひとつの指針を与えてくれる。
【００５０】
この議論は、隣接イオン状態においてＡ分子がアニオン、Ｂ分子がカチオンという状態1,3（Ａ-Ｂ+）から、Ａ分子が励起する励起状態（Ａ＊Ｂ）に遷移するという前提であった。しかし、隣接イオン状態においてＡ分子がカチオン、Ｂ分子がアニオンという状態（Ａ＋Ｂ−）から、Ａ分子が励起する励起状態（Ａ＊Ｂ）に遷移するという場合も考えられる。その場合において、上述の望ましいエネルギーの関係の議論は対応するアニオン、カチオンを入れ替えて考えればよい。
【００５１】
本発明者らは、以上述べたような考察を背景として、その分子を発光層に用いた有機発光素子が、外部磁場効果において、外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で発光効率が下がる分子、あるいは分子の組み合わせを探索してきた。その結果、具体的にそのような外部磁場効果を示す有機発光素子を実現する分子、あるいは分子の組み合わせを見出し、そのような有機発光素子を実現した。
【００５２】
また、この状態の有機発光素子が高効率発光を行うことを見出した。本実施形態において開示する有機発光素子の発光の外部量子効率は４％であり、従来の定説であった蛍光発光有機発光素子の外部両氏効率５％の限界を突破するには至っていない。これは、有機発光素子の発光効率には、一重項励起状態と三重項励起状態の比率以外にも素子の漏れ電流や蛍光発光自体の量子収率等多くの他の要因が関係するためであり、これらの要因が十分高効率化に最適化されていなかったと考えられる。しかし、少なくとも外部磁場の無い場合に比べて外部磁場を印加した状態で、発光効率が下がるということは発光効率に対して有利な条件であるということは示唆された。
【００５３】
また、本実施形態の有機発光素子は、全層が低分子で形成されている。このことは、低分子を含む発光層を有している有機発光素子であっても、一重項励起状態と三重項励起状態が１：３の割合ではなく、より一重項励起状態を多く生成する可能性を示していることになる。
【００５４】
低分子を用いることにより、共役系高分子で問題であった精製の難しさ、高分子鎖長の不均一、膜の分子形状の不均一に伴う伝導、発光特性の不均一、製膜条件による伝導、発光特性の変化の大きさ等の問題が改善される。精製に当たっては、ケイ酸やアルミナを吸着剤として用いる方法で簡易に高純度の生成物が得られる利点がある。また、場合によっては昇華精製法を併用することにより、更に高純度の生成物を得ることができる。分子量のばらつきがないため、高分子の場合に問題となった伝導や発光特性の不均一の問題が軽減される。また、有機発光素子の作製に際し、溶液の印刷法やインクジェット法などのウエットプロセスの他に、技術的に確立された真空蒸着法を用いることができ、高い発光効率と信頼性を得ることができる。
【００５５】
前述のメカニズムを確実に生ぜしめるため、発光層をホスト材料中にゲスト材料が分子分散された混合層タイプの発光層としたとき、良好な結果を得られ易いと考えられる。しかし、本発明の技術思想としては、必ずしもホスト材料中にゲスト材料が分子分散された混合層タイプの発光層には限らない。また、電子とホールがゲスト分子上で再結合してゲスト分子を励起させる直接励起型となるように電子輸送層や電子注入層、或いはホール輸送層やホール注入層の材料と膜厚等諸条件を適切に選択することが望ましい。ここで、直接励起型とは、電子とホールがホスト分子上で再結合してホスト分子を励起させ、その励起エネルギーがフェルスター型のエネルギー移動によりゲスト分子に移動しゲスト分子が励起する間接励起型とは異なるという意味である。発光層を形成する材料は全てが分子量４０００以下の分子であれば純度や分子量分布等の点で利点が得られ易いが、必ずしもそれに限らない。例えば、ゲストは分子量４０００以下の分子で、ホストは分子量４０００以上の高分子であっても、本発明の技術思想に合致するものはあり得る。この分子を含む発光層は、真空蒸着法により積層することが可能であり、確立された素子作製プロセスを使用することができるので望ましい。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５７】
＜実施例１＞
実施例１では、発光層中の発光性ゲスト分子としてベンゾチアジアゾール構造をもつ下記化学式１の化合物と、ゲスト分子としてピレン環構造をもつ下記化学式２の化合物とについて、コンピュータシミュレーションをおこなった。
【００５８】
【化１】
【００５９】
用いたソフトウェアは現在広く用いられている分子軌道計算ソフトウェアであるＧａｕｓｓｉａｎ０３である。ゲスト分子に関して、密度汎関数法により、アニオン状態最適化構造における中性分子のＳ１、Ｔ１、Ｔ２の各励起状態の励起エネルギーを計算した。アニオン状態構造最適化計算は、ＤＦＴ、Ｂ３ＬＹＰファンクショナル、基底系６−３１Ｇ＊で行った。中性分子の励起状態計算は、ＴＤ、Ｂ２ＬＹＰファンクショナル、基底系６−３１Ｇ＊で行った。
【００６０】
ゲスト分子の基底状態のＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギーレベルは以下のように計算された。
ＨＯＭＯ −５．３４０２ｅＶ
ＬＵＭＯ −２．３６４５ｅＶ
【００６１】
一方、ホスト分子の基底状態のＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギーレベルは以下のように計算された。
ＨＯＭＯ −５．１２１５ｅＶ
ＬＵＭＯ −１．６６２３ｅＶ
【００６２】
ゲスト分子のＨＯＭＯがホスト分子のＬＵＭＯより著しく低い。したがって、ホスト分子中にゲスト分子を分散した混合発光層においては、まず電子がホスト分子のＬＵＭＯを伝って伝導される間にゲスト分子のＬＵＭＯにトラップされてゲスト分子がアニオン化する。そのことによってゲスト分子のＨＯＭＯが上昇し、隣接するホスト分子のＨＯＭＯからホールが注入されるものと思われる（図１２参照）。
【００６３】
したがって、この場合は、ゲスト分子をＡとしホスト分子をＢとすると、1,3（Ａ-Ｂ+）から（Ａ＊Ｂ）への遷移が主であり、1,3（Ａ+Ｂ-）から（Ａ＊Ｂ）への遷移は少ないと考えられる。1,3（Ａ-Ｂ+）から（Ａ＊Ｂ）への遷移において、ｋｓ＞＝ｋｔが成り立ちうるポテンシャルエネルギー曲線になっているかどうかを考察すればよい。
【００６４】
アニオン状態最適化構造における、電荷的中性状態の各励起状態の励起エネルギーは以下のとおり計算された。
Ｓ１ ２．１３７８ｅＶ
Ｔ１ １．２５７０ｅＶ
Ｔ２ ２．４７０１ｅＶ
【００６５】
各励起状態のエネルギーはこれらに基底状態の全エネルギーを足し合わせたものと考えられるが、各励起状態間のエネルギーの大小関係のみを論ずる場合は励起エネルギーのみわかっていればよい。
【００６６】
このように、アニオン状態最適化構造における中性状態のＴ２状態エネルギーが、アニオン状態最適化構造における中性状態のＳ１状態エネルギーよりも大きいという目安を満たす。そのため、この化学式１の分子をゲストとし化学式２の分子をホストとする発光層内の励起にかかわるポテンシャルエネルギー曲線の様子は、図６のようになっている可能性が高い。
【００６７】
次に実際の有機化合物の合成と有機発光素子の作製、評価について述べる。
【００６８】
化学式１の分子は以下の手順で合成される。
【００６９】
中間体の合成（４，７−ｄｉｂｒｏｍｏ−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）
２，１，３−ベンゾチアジアゾール６．８ｇ（５０ｍｍｏｌ）を４７％臭化水素水溶液１５ｍｌに分散させ、混合溶液を還流させながら、臭素２４ｇ（１５０ｍｍｏｌ）をゆっくり滴下した。滴下終了後、４７％臭化水素水溶液１０ｍｌを追加投入し、４時間還流した。反応終了後、５％炭酸ナトリウム溶液で中和し、クロロホルムで抽出した後、カラムクロマトグラム（クロロホルム）で精製し、更にクロロホルム／ヘプタン系溶剤で再結晶して黄色固体９ｇ（収率６１％）を得た。
【００７０】
化学式１の有機化合物の合成（４，７−ｄｉｆｌｕｏｒｅｎｏ−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）
４，７−ｄｉｂｒｏｍｏ−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ２ｇ（６．８ｍｍｏｌ）と２−（４，４，５，５−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−１，３，２−ｄｉｏｘａｂｏｒｏｌａｎ−２−ｙｌ）ｆｌｕｏｒｅｎｅ５．５ｇ（１７ｍｍｏｌ）をトルエン／エタノール（４／１）１００ｍｌ中に溶解した。この溶液に炭酸ナトリウム水溶液１９．５ｍｌとテトラキス（トリフェニルホスフイン）パラジウム（０）１ｇ（０．９ｍｍｏｌ）加え、２時間還流した。反応終了後、溶剤を除去し、カラムクロマトグラム（クロロホルム）で精製し、更にクロロホルム／エタノール系溶剤で再結晶して黄色固体１．６ｇ（収率４５％）を得た。
【００７１】
化学式２の分子は以下の手順で合成される。
【００７２】
化学式２の有機化合物の合成（２，７−ｄｉｐｙｒｅｎｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ）
５００ｍｌ三ツ口フラスコに、２，７−ジブロモ−９，９−ジメチルフルオレン［１］２．０ｇ（５．６８ｍｍｏｌ）、ピレン−１−ボロン酸［２］４．２ｇ（１７．０ｍｍｏｌ）、トルエン１２０ｍｌおよびエタノール６０ｍｌを入れ、窒素雰囲気中、室温で攪拌した。そして、炭酸ナトリウム２４ｇ／水１２０ｍｌの水溶液を滴下し、次いでテトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム（０）０．３３ｇ（０．２８ｍｍｏｌ）を添加した。室温で３０分攪拌した後、７７度に昇温し５時間攪拌した。反応後、有機層をクロロホルムで抽出し無水硫酸ナトリウムで乾燥後、シリカゲルカラム（ヘキサン＋トルエン混合展開溶媒）で精製し、白色結晶３．０ｇ（収率８９％）を得た。
【００７３】
このようにして得られた化学式１の有機化合物と化学式２の有機化合物とをさらに昇華精製を行った。
【００７４】
化学式１の有機化合物と化学式２の有機化合物とを発光層として有する有機発光素子を以下のようにして作成した。
【００７５】
ガラス基板上に酸化錫インジウム（ＩＴＯ）をスパッタ法にて１２０ｎｍの膜厚で成膜したものを透明導電性支持基板として用いた。これをアセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で順次超音波洗浄し、ＩＰＡで煮沸洗浄、乾燥をした。さらに、ＵＶ／オゾン洗浄したものを透明導電性支持基板として使用した。
【００７６】
まず、下記化学式３の材料を０．１ｗｔ％のクロロフォルム溶液とする。ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）付きガラス基板上にクロロフォルム溶液を滴下し、５００ｒｐｍで１０ｓｅｃ、引き続き１０００ｒｐｍで４０ｓｅｃの条件でスピンコートを行う。これが素子の正孔注入層兼正孔輸送層となる。
【００７７】
【化２】
【００７８】
スピンコートされたガラス基板上に、真空蒸着法で順次、発光層、電子輸送層、電子注入層および陰極を形成する。
【００７９】
真空度５×１０-5Ｐａのバックグランド圧力下で、化学式１の有機化合物を０．１Å／ｓｅｃ、化学式２の有機化合物を１Å／ｓｅｃの製膜速度で共蒸着し、化学式１の有機化合物をゲスト、化学式２の有機化合物をホストとする発光層を４００Å積層した。
【００８０】
次に、下記化学式４で示される電子輸送材料を１５０Å積層する。
【００８１】
【化３】
【００８２】
その上にＬｉＦを電子注入層として５Å積層し、さらにその上にアルミニウムを陰極として１０００Å積層した。このようにして、図１３に示す構造の有機発光素子を作成した。
【００８３】
この様にして得られた有機発光素子に、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして、３．６Ｖの直流電圧を印加すると０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れ、輝度７０ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約４％に相当する。
【００８４】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして、３．６Ｖの直流電圧を印加すると０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度を通電電流密度で規格化した値（電流密度発光効率）の変化を調べると、図１４のようになった。この測定時間中磁場に依存しない経時変化が伴う場合があるが、補正を行った。
【００８５】
このグラフで最も特徴的なことは、通常の有機蛍光材料を用いた素子とは異なり、０ガウスから１０００ガウスにかけて、電流密度発光効率がほぼ変化していないかむしろ減少していることである。外部磁場０ガウスのときを１としたときの相対電流密度発光効率は外部磁場１０００ガウスのとき０．９９６であり、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合が明らかに低い。さらに、通常の有機螢光材料を用いた素子においては、０ガウスから１００ガウスにかけて鋭い上昇が見られるものが、本実施例の有機発光素子においては上昇がなく、ほぼ横ばいか下降の傾向を示していることである。
【００８６】
このことは、発光層中の電子−ホール対状態（アニオン−カチオン対状態）から発光分子の励起状態に遷移する過程において、一重項状態の隣接イオン対が一重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｓ）が、三重項状態の隣接イオン状態が三重項励起状態に遷移する速度定数（ｋｔ）より大きいｋｓ＞＝ｋｔとなる状態が実現していることを示唆している。少なくとも、三重項の電子―ホール対状態が何らかの形で一重項励起状態からの発光に寄与していることを示している。
【００８７】
＜比較例１＞
ここで比較のため、比較例１として、低分子有機発光素子の発光層材料としてよく知られた下記化学式５のアルミニウムキノリノール錯体を発光層に用いた素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。
【００８８】
【化４】
【００８９】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度１０ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約０．５％に相当する。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１５のようになった。図１５では、岩崎らの発表の素子と同様に、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域で、電流密度発光効率が磁場の印加とともに鋭く上昇している。
【００９０】
＜比較例２＞
さらに、比較例２として、発光層を上記化学式１の化合物のみで構成される単一層とした素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。
【００９１】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度７ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約０．４％に相当する。そのまま磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１６のようになった。このグラフでも、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域において、電流密度発光効率が磁場の印加とともに上昇している。
【００９２】
＜比較例３＞
そして、比較例３として、発光層を上記化学式２の化合物のみで構成される単一層とした素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。
【００９３】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度１５ｃｄ／ｍ2の青色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約１．５％に相当する。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１７のようになった。図１７でも、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域において、電流密度発光効率が磁場の印加とともに上昇している。
【００９４】
＜比較例４＞
加えて、比較例４として、発光層を化学式１の有機化合物と化学式２の有機化合物の混合層ではあるが、実施例１とは異なる混合割合の混合層とした素子を作成し、その外部磁場効果を調べた。具体的には、発光層の成膜において、化学式１の有機化合物を０．０５Å／ｓｅｃ、化学式２の有機物を１Å／ｓｅｃの製膜速度で共蒸着した。
【００９５】
この有機発光素子を電磁石の間のキヤビティにおき、ＩＴＯ電極を正極、Ａｌ電極を負極にして直流電圧を印加し、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流れる状態にする。このとき、輝度５０ｃｄ／ｍ2の緑色発光が観測された。これは外部量子効率に換算すると約２．９％に相当する。そのまま磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図１８のようになった。図１８でも、０ガウスから１０００ガウスにかけての低磁場領域において、電流密度発光効率が磁場の印加とともに上昇している。図１８に示すグラフは、図１７に示した発光層を化学式２の有機化合物のみで構成される単一層とした比較例３と類似している。
【００９６】
このことは、この比較例４においては、発光層中の電子−ホール対状態（アニオン−カチオン対状態）から発光分子の励起状態に遷移する過程において、実施例１のときとは異なる過程が支配的であることを示唆している。この過程は、発光層に注入された電子とホールが、ホストである化学式２の分子のアニオンとカチオンとして出会い、そのままホスト分子上で励起状態を形成する。そこから、いわゆるフェルスター遷移によって化学式１の分子上にエネルギー移動し発光するという経路であると考えられる（図１９参照）。電子とホールの再結合から励起が化学式２の分子上で行われるため、外部磁場に対する電流密度発光効率の挙動も比較例３（図１７参照）と同様になると考えられる。発光の外部量子効率が実施例１より低いのは、ｋｓ＞＝ｋｔという条件が実現されていないためであると考えられる。また、発光の外部量子効率が第三の比較例よりも高いのは、化学式１の化合物の蛍光量子収率が化学式２の化合物の蛍光量子収率より高いためと考えられる。
【００９７】
このように、低磁場領域で、電流密度発光効率が磁場の印加によってほぼ変化しないかむしろ減少する傾向を示すことは、本発明の有機発光素子に特徴的な現象であることがわかる。
【００９８】
＜実施例１＞
さて再び、本実施例の有機発光素子に戻る。
【００９９】
図１３の素子を再び電磁石の間のキヤビティにおき、駆動電流を少し上げ、１．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流す。そのまま磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図２０のようになった。
【０１００】
図２０では、０ガウスから５００ガウスにかけて、電流密度発光効率が増加し、５００ガウスから１０００ガウスにかけては減少している。しかし、外部磁場０ガウスのときを１としたときの相対電流密度発光効率は外部磁場１０００ガウスのとき１．０００であり、電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2の場合より明らかに大きい。また、０ガウスから１００ガウスにかけて上昇が見られる。
【０１０１】
このことは、この電流密度においては、発光層中の電子−ホール対状態（アニオン−カチオン対状態）から発光分子の励起状態に遷移する過程において、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度のときとは異なる過程が混合してきていることを示唆している。この過程は図１９の経路であると考えられる。即ち、比較例４で述べた電子とホールがホストである化学式２の分子のアニオンとカチオンとして出会い、そのままホスト分子上で励起状態を形成する。そして、そこからフェルスター遷移によって式の分子上にエネルギー移動し発光するという経路である。図２０の挙動は、実施例１に示した図１４の挙動と比較例３に示した図１７の挙動が混合したものと解釈することができる。このため、０．５ｍＡ／ｃｍ2の電流密度の場合よりも、１０００ガウスにおける電流密度発光効率が増加していると考えられる。
【０１０２】
さらに駆動電流を上げ、３０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流が流す。そのまま、磁場を徐々に印加して行き、発光強度の変化を調べると図２１のようになった。
【０１０３】
図２１の特徴は、外部磁場が大きい領域で、電流密度発光効率が外部磁場強度とともに減少する傾向が著しい点にある。この外部磁場効果の高磁場側の領域で磁場の増加と共に減少する特性は図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明した。即ち、緩く束縛された電子とホールの対の一重項状態と三重項状態との間の混合が外部磁場の影響を受けて制限されるために起こる低磁場側の変化とは異なる現象である。岩崎らによれば、高磁場側の領域で磁場の増加と共に減少するメカニズムとして、三重項−三重項消滅による一重項励起状態生成の機構が外部磁場の影響を受けて減少するメカニズムが考えられるという（上記非特許文献４参照）。三重項−三重項消滅は電流密度の増加とともに急激に増加すると考えられるので、特に駆動電流密度の大きい図２１で、高磁場側の領域で磁場の増加と共に減少する特性が顕著に出ていることと付合する。図２１では、その影響を受け、外部磁場１０００ガウスにおいても、相対電流密度発光効率が再び１以下になっている。しかし、この場合はｋｓ＞＝ｋｔを示すものではないので、区別されなければならない。三重項−三重項消滅の影響が十分小さい低電流密度での駆動において、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合の電流密度発光効率が小さいことが、ｋｓ＞＝ｋｔを示唆するものであると考えられる。上記に示した例では、電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下の電流密度が、三重項−三重項消滅の影響が十分小さい低電流密度と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】電子−ホール間距離とエネルギーの関係を示す図である。
【図２】隣接イオン対状態から励起状態への遷移を説明する図である。
【図３】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図４】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図５】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図６】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図７】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図８】隣接イオン対状態と励起状態のポテンシャルエネルギー曲線を示す図である。
【図９】有機発光素子の外部磁場効果を測定する測定系の図である。
【図１０】有機発光素子の外部磁場効果の例を示す図である。
【図１１】（ａ）は隣接イオン状態において一重項状態と三重項状態との混合を示す図、（ｂ）は隣接イオン状態において外部磁場の影響で一重項状態と三重項状態との混合が抑制されることを示す図である。
【図１２】実施例１の有機発光素子における電荷注入から励起にいたる過程を示す図である。
【図１３】実施例１の有機発光素子を示す図である。
【図１４】実施例１の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１５】比較例１の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１６】比較例２の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１７】比較例３の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１８】比較例４の有機発光素子における低電流密度駆動時の外部磁場効果を示す図である。
【図１９】比較例４の有機発光素子における電荷注入から励起にいたる過程を示す図である。
【図２０】実施例１の有機発光素子における駆動電流密度を増やした場合の外部磁場効果を示す図である。
【図２１】実施例１の有機発光素子における駆動電流密度をさらに増やした場合の外部磁場効果を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子において、
外部磁場を制御可能な環境下において電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で素子を駆動し、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスに変化させた場合、発光強度を通電電流密度で規格化した発光効率が外部磁場に依存し、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合に該発光効率が等しいか低下することを特徴とする有機発光素子。
【請求項２】
前記有機化合物層中の発光層に含有される分子が、分子量４０００以下の低分子であることを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
【請求項３】
前記有機化合物層中の発光層に含有される分子が、イオン状態最適化構造をとるときの中性状態における三重項第二励起状態のエネルギーが、イオン状態最適化構造をとるときの中性状態における一重項第一励起状態のエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の有機発光素子。
【請求項４】
前記有機化合物層中の発光層が、真空蒸着法により積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機発光素子。
【請求項１】
一対の電極間に少なくとも発光層を含む有機化合物層を備えた有機発光素子において、
外部磁場を制御可能な環境下において電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2以下で素子を駆動し、外部磁場を０ガウスから１０００ガウスに変化させた場合、発光強度を通電電流密度で規格化した発光効率が外部磁場に依存し、外部磁場が０ガウスの場合に比べて外部磁場が１０００ガウスの場合に該発光効率が等しいか低下することを特徴とする有機発光素子。
【請求項２】
前記有機化合物層中の発光層に含有される分子が、分子量４０００以下の低分子であることを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
【請求項３】
前記有機化合物層中の発光層に含有される分子が、イオン状態最適化構造をとるときの中性状態における三重項第二励起状態のエネルギーが、イオン状態最適化構造をとるときの中性状態における一重項第一励起状態のエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の有機発光素子。
【請求項４】
前記有機化合物層中の発光層が、真空蒸着法により積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００７−２２７５０９（Ｐ２００７−２２７５０９Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４４９２４（Ｐ２００６−４４９２４）
【出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]