【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.28】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NR0022
利用課題名 / Title
シリコン量子ドットコロイドの光物性評価
利用した実施機関 / Support Institute
奈良先端科学技術大学院大学 / NAIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion
キーワード / Keywords
電子顕微鏡/ Electronic microscope
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
中村 俊博
所属名 / Affiliation
法政大学理工学部電気電子工学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
直径数ナノメートル程度の半導体単結晶微粒子は、半導体量子ドットと呼ばれ量子サイズ効果に依存したバンドギャップエネルギーの制御性を持つ。半導体量子ドットでは、サイズ制御性を利用することで同一材料のみで可視域全般をカバーしつつ、発光色純度を通常の材料では実現不可能なレベルまで高めた発光材料を実現することが可能であり、高い色再現性を持つ高精度ディスプレイなどへの応用が進められている。しかし、通常これらの半導体量子ドット発光材料にはカドミウムや鉛などの有毒な元素を含む場合が多く、廃棄物の人体への有害性から近年の持続可能上社会での環境適合性に問題がある。そこで、研究担当者は人体に無害かつ地殻中に豊富に存在しするシリコン（Si）の環境適合半導体量子ドットの効率的生成プロセスの開発を行ってきた。我々の開発した生成プロセスは、既に確立されている良質なSi単結晶成長技術を活用したトップダウンルートであり、Si単結晶の化学エッチングにより多孔質Siを形成し、多孔質Siへの低温加熱破砕により溶液分散可能な発光性Si量子ドットを大量かつ効率的に生成する。今年度の特徴的な成果としては、液中低温加熱法において作製した発光領域発光のSi量子ドットのマルチカラー実装を検討した。具体的なアプローチとしては、Si量子ドット形成中のエッチング処理によりドットサイズを制御しバンドギャップエネルギーの異なる赤色から黄色発光Si量子ドットを作製し評価を行った。
実験 / Experimental
陽極化成法により多孔質Siをシリコンウエハー上に形成し、剥離した多孔質シリコン層を不飽和炭化水素有機溶媒中で１００℃程度の加熱粉砕を行った。粉砕プロセス中に適量のフッ化水素酸を混和しエッチング処理を行い量子ドットを作製した。得られた溶液から量子ドットを生成し、量子ドット溶液を得て、透過型電子顕微鏡測定、発光測定などの種々の測定評価を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
透過型電子顕微鏡（TEM）の測定結果により作製された量子ドットが直径1.5 nm〜10 nmの単結晶Siナノ粒子、つまりSiナノ結晶コロイドであることを確認できた。また試料の発光スペクトルよりHFの添加量とともに発光波長が系統的に短波長側にシフトすることが確認できた。この多色発光ナノ結晶コロイドの形成メカニズムは次のように考えられる。まず加熱処理により多孔質Siの粉砕が生じる。同時に、添加したHFによりエッチングが同時に起き、ナノ結晶の粒径が減少する。そして、形成したSiナノ結晶の表面に有機分子が終端する。発光波長変化が量子サイズ効果に起因することを確認するためにTEM画像の解析を行い、粒子サイズのヒストグラムを作成した。このヒストグラムデータより、それぞれの粒径の平均値は、赤色が5.35 nm、黄色が3.57 nmであり、発光波長が短波長になるほど、粒径のサイズが減少していることがわかる。従って、発光波長変化が量子サイズ効果に起因することが確認できた。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 小西 智貴, 中村 俊博, 越田 信義 ”反応促進溶媒を添加した有機溶媒中での多孔質Siの低温加熱破砕による無極性溶媒分散性マルチカラーSi量子ドットコロイドの作製”， 第85回応用物理学会秋季学術講演会，16p-B2-1~15 (2024年9月16日，朱鷺メッセ, 新潟市）
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件