JP6177515B2 - Semiconductor film, semiconductor film manufacturing method, solar cell, light emitting diode, thin film transistor, and electronic device - Google Patents

Semiconductor film, semiconductor film manufacturing method, solar cell, light emitting diode, thin film transistor, and electronic device Download PDF

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Description

本発明は、半導体膜、半導体膜の製造方法、太陽電池、発光ダイオード、薄膜トランジスタ、および、電子デバイスに関する。   The present invention relates to a semiconductor film, a semiconductor film manufacturing method, a solar cell, a light emitting diode, a thin film transistor, and an electronic device.

近年、第三世代太陽電池と呼ばれる高効率太陽電池の研究が盛んである。その中でもコロイド量子ドットを用いた太陽電池は、例えば、マルチエキシトン生成効果により量子効率を高められる事が報告されており、注目を集めている(例えば、非特許文献1参照)。しかし、コロイド量子ドットを用いた太陽電池(量子ドット太陽電池とも称される)では、変換効率が最大でも7%程度であり、更なる変換効率の向上が求められている。   In recent years, research on high-efficiency solar cells called third-generation solar cells has been actively conducted. Among them, a solar cell using colloidal quantum dots has been reported to have improved quantum efficiency due to, for example, a multi-exciton generation effect, and has attracted attention (for example, see Non-Patent Document 1). However, in a solar cell using colloidal quantum dots (also referred to as a quantum dot solar cell), the conversion efficiency is about 7% at the maximum, and further improvement in conversion efficiency is required.

このような量子ドット太陽電池では、量子ドットの集合体からなる半導体膜が光電変換層を担っていることから、量子ドットの集合体からなる半導体膜自体の研究も盛んに行われている。
例えば、炭化水素基数が6以上の比較的長い配位子を用いた半導体ナノ粒子が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
量子ドットの集合体からなる半導体膜の特性を改善する手法としては、コロイド量子ドット(例えば2nm〜10nm程度)に結合している配位子分子をより短い配位子分子に置換する事で、電気伝導性が向上することが報告されている(例えば、非特許文献2参照)。非特許文献2では、PbSeの量子ドットの周囲のオレイン酸(分子鎖長2nm〜3nm程度)をエタンジチオール(分子鎖長1nm以下)に置換する事によって量子ドット同士が近接化し、電気伝導性が向上することが報告されている。
In such a quantum dot solar cell, since a semiconductor film made of an assembly of quantum dots serves as a photoelectric conversion layer, research on the semiconductor film itself made of an assembly of quantum dots has been actively conducted.
For example, semiconductor nanoparticles using a relatively long ligand having 6 or more hydrocarbon groups are disclosed (for example, see Patent Document 1).
As a technique for improving the characteristics of a semiconductor film composed of an assembly of quantum dots, a ligand molecule bonded to a colloidal quantum dot (for example, about 2 nm to 10 nm) is replaced with a shorter ligand molecule, It has been reported that electrical conductivity is improved (see, for example, Non-Patent Document 2). In Non-Patent Document 2, by replacing the oleic acid (molecular chain length of about 2 nm to 3 nm) around the PbSe quantum dots with ethanedithiol (molecular chain length of 1 nm or less), the quantum dots become close to each other and the electrical conductivity is increased. It has been reported to improve.

特許第4425470号Japanese Patent No. 4425470

S.Geyerら著、「Charge transport in mixed CdSe and CdTe colloIdal nancrystal films」、Physical Review B(2010)S. Geyer et al., “Charge transport in mixed CdSe and CdTe colloidal nanofilms”, Physical Review B (2010). J. M. Lutherら著。「Structural, Optical, and Electrical Properties of Self−Assembled Films of PbSe Nanocrystals Treated with 1,2−Ethanedithiol」、ACS Nano (2008)J. et al. M.M. By Luther et al. “Structural, Optical, and Electrical Properties of Self-Assembled Films of PbSe Nanocyclics Treated with 1,2-Ethanidiol”, ACS Nano (200).

しかし、特許文献1に記載される半導体膜は、配位子が大きく、半導体量子ドット同士の近接化が不十分であるため、光電変換特性に優れなかった。非特許文献1で用いられているブチルアミン、または、非特許文献2で用いられているエタンジチオールを配位子として用いた場合でも、例えば、非特許文献1によれば、最大でも数百nA程度の光電流値しか得ることができていない。
半導体膜の光電変換特性を議論するに当たっては、あるバイアス下での暗電流値(Id)に対する光電流値(Ip)の比Ip/Idが、より本質的であると考えられるが、特許文献および非特許文献の状況を鑑みると、従来の半導体膜では、高いIp/Id-を実現することはやはり困難であった。
さらには、配位子としてエタンジチオールを用いると、半導体膜の膜剥がれが生じ易かった。
However, since the semiconductor film described in Patent Document 1 has a large ligand and insufficient proximity between the semiconductor quantum dots, the photoelectric conversion characteristics are not excellent. Even when butylamine used in Non-Patent Document 1 or ethanedithiol used in Non-Patent Document 2 is used as a ligand, for example, according to Non-Patent Document 1, it is about several hundred nA at the maximum. Only the photocurrent value can be obtained.
In discussing the photoelectric conversion characteristics of a semiconductor film, the ratio Ip / Id of the photocurrent value (Ip) to the dark current value (Id) under a certain bias is considered to be more essential. Considering the situation of non-patent literature, it is still difficult to realize high Ip / Id with the conventional semiconductor film.
Further, when ethanedithiol is used as a ligand, the semiconductor film is easily peeled off.

本発明は、高いIp/Id-が得られ、かつ、膜剥がれが抑制される半導体膜およびその製造方法を提供することを課題とし、かかる課題を解決することを目的とする。
また、高いIp/Id-が得られ、かつ膜剥がれが抑制される太陽電池、発光ダイオード、薄膜トランジスタ、および、電子デバイスを提供することを課題とし、かかる課題を解決することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a semiconductor film that can provide high Ip / Id and suppress film peeling, and a method for manufacturing the semiconductor film.
It is another object of the present invention to provide a solar cell, a light emitting diode, a thin film transistor, and an electronic device in which high Ip / Id is obtained and film peeling is suppressed, and to solve the problem.

上記目的を達成するため、以下の発明が提供される。
<1> 金属原子を有するPbS又はInPを含む半導体量子ドットの集合体と、半導体量子ドットに配位する3−メルカプト−1−プロパノール、チオグリコール酸、3−メルカプト−1−プロパノール誘導体、及びチオグリコール酸誘導体から選択される少なくとも1種の配位子と、からなる半導体膜である。
In order to achieve the above object, the following invention is provided.
<1> an assembly of semiconductor quantum dots containing PbS or InP having a metal atom, and 3-mercapto-1-propanol, thioglycolic acid, a 3-mercapto-1-propanol derivative coordinated to the semiconductor quantum dots , and A semiconductor film comprising at least one ligand selected from thioglycolic acid derivatives .

> 配位子と半導体量子ドットの金属原子との間の錯安定度定数logβが8以上である<1>に記載の半導体膜である。 <2> is a semiconductor film according to complex stability constant Logbeta 1 between the ligand and the semiconductor quantum dots of the metal atoms is 8 or more <1>.

> 半導体量子ドットは、平均粒径が2nm〜15nmである<1>又は2>に記載の半導体膜である。 A < 3 > semiconductor quantum dot is a semiconductor film as described in <1> or < 2> whose average particle diameter is 2 nm-15 nm.

PbS又はInPを含む半導体量子ドット、半導体量子ドットに配位した第1の配位子、及び第1の溶媒を含有する半導体量子ドット分散液を基板上に付与して半導体量子ドットの集合体を形成する半導体量子ドット集合体形成工程と、半導体量子ドットの集合体に、第1の配位子よりも分子鎖長が短く、かつ、3−メルカプト−1−プロパノール、チオグリコール酸、3−メルカプト−1−プロパノール誘導体、及びチオグリコール酸誘導体から選択される少なくとも1種である第2の配位子及び第2の溶媒を含有する溶液を付与して半導体量子ドットに配位している第1の配位子を第2の配位子に交換する配位子交換工程と、を有し、前記半導体量子ドットの集合体と前記第2の配位子からなる半導体膜の製造方法である。 < 4 > A semiconductor quantum dot dispersion containing a semiconductor quantum dot containing PbS or InP, a first ligand coordinated to the semiconductor quantum dot, and a first solvent is provided on the substrate. A semiconductor quantum dot aggregate forming step for forming an aggregate, and an aggregate of semiconductor quantum dots having a molecular chain length shorter than that of the first ligand, and 3-mercapto-1-propanol, thioglycolic acid, A solution containing at least one second ligand selected from a 3-mercapto-1-propanol derivative and a thioglycolic acid derivative and a second solvent is applied to coordinate with the semiconductor quantum dots. A ligand exchange step of exchanging the first ligand for the second ligand, and a method for producing a semiconductor film comprising the assembly of semiconductor quantum dots and the second ligand It is.

> 第1の配位子は、主鎖の炭素数が少なくとも6以上の配位子である<>に記載の半導体膜の製造方法である。 < 5 > The method for producing a semiconductor film according to < 4 >, wherein the first ligand is a ligand having a main chain having at least 6 carbon atoms.

> 半導体量子ドット集合体形成工程と、配位子交換工程と、を2回以上行う<>または<>に記載の半導体膜の製造方法である。 < 6 > The method for producing a semiconductor film according to < 4 > or < 5 >, wherein the semiconductor quantum dot assembly forming step and the ligand exchange step are performed twice or more.

> 半導体量子ドットは、平均粒径が2nm〜15nmである<>〜<>のいずれか1つに記載の半導体膜の製造方法である。 < 7 > The semiconductor quantum dot is the method for producing a semiconductor film according to any one of < 4 > to < 6 >, wherein an average particle diameter is 2 nm to 15 nm.

> <1>〜<>のいずれか1つに記載の半導体膜を備える太陽電池である。 < 8 > A solar cell comprising the semiconductor film according to any one of <1> to < 3 >.

> <1>〜<>のいずれか1つに記載の半導体膜を備える発光ダイオードである。 < 9 > A light-emitting diode comprising the semiconductor film according to any one of <1> to < 3 >.

10> <1>〜<>のいずれか1つに記載の半導体膜を備える薄膜トランジスタである。 < 10 > A thin film transistor including the semiconductor film according to any one of <1> to < 3 >.

11> <1>〜<>のいずれか1つに記載の半導体膜を備える電子デバイスである。 < 11 > An electronic device comprising the semiconductor film according to any one of <1> to < 3 >.

本発明によれば、高いIp/Id-が得られ、かつ膜剥がれが抑制される半導体膜およびその製造方法が提供される。
また、本発明によれば、高いIp/Id-が得られ、かつ膜剥がれが抑制される太陽電池、発光ダイオード、薄膜トランジスタ、および、電子デバイスが提供される。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, high Ip / Id < - > is obtained, and the semiconductor film by which film | membrane peeling is suppressed and its manufacturing method are provided.
In addition, according to the present invention, there are provided a solar cell, a light emitting diode, a thin film transistor, and an electronic device in which high Ip / Id is obtained and film peeling is suppressed.

本発明の半導体膜を適用したpn接合型太陽電池の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the pn junction type solar cell to which the semiconductor film of this invention is applied. 実施例で用いたくし型電極基板を示す概略図である。It is the schematic which shows the comb-type electrode substrate used in the Example. 実施例で作製した半導体膜にモノクロ光を照射する方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the method of irradiating a monochromatic light to the semiconductor film produced in the Example. 実施例において発光測定に用いた実験系の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the experimental system used for the light emission measurement in the Example. フォトルミネッセンスの測定結果を配位子ごとに示す図である。It is a figure which shows the measurement result of a photoluminescence for every ligand. 半導体量子ドット(PbS)にオレイン酸が配位した半導体量子ドット分散液を用いて形成した膜を示すTEM画像である。It is a TEM image which shows the film | membrane formed using the semiconductor quantum dot dispersion liquid which the oleic acid coordinated to the semiconductor quantum dot (PbS). 半導体量子ドット(PbS)に配位したオレイン酸をエタンジチオールに配位子交換した膜を示すTEM画像である。It is a TEM image which shows the film | membrane which carried out the ligand exchange of the oleic acid coordinated to the semiconductor quantum dot (PbS) to ethanedithiol.

以下、本発明の半導体膜及びその製造方法について、詳細に説明する。   Hereinafter, the semiconductor film of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in detail.

<半導体膜>
本発明の半導体膜は、金属原子を有する半導体量子ドットの集合体と、半導体量子ドットに配位し、一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子から選択される少なくとも1種の配位子と、を有する。
以下、「一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子から選択される少なくとも1種の配位子」を「特定配位子」とも称する。
<Semiconductor film>
The semiconductor film of the present invention includes an assembly of semiconductor quantum dots having metal atoms, a ligand coordinated to the semiconductor quantum dots, and a ligand represented by the general formula (A) and a coordination represented by the general formula (B). A ligand, and at least one ligand selected from ligands represented by formula (C).
Hereinafter, "at least one selected from the ligand represented by the general formula (A), the ligand represented by the general formula (B), and the ligand represented by the general formula (C)" “Ligand” is also referred to as “specific ligand”.

一般式(A)中、Xは、−SH、または、−OHを表し、A及びBは、各々独立に、水素原子または原子数1以上10以下の置換基(アミノ基を除く)を表す。ただし、A及びBが共に水素原子を表すときは、Xは、−OHを表す。
一般式(B)中、Xは、−SH、または、−OHを表し、A及びBは、各々独立に、水素原子または原子数1以上10以下の置換基(アミノ基を除く)を表す。 一般式(C)中、Aは、水素原子または原子数1以上10以下の置換基を表す。ただし、Aは末端がNHとならない。
また、一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子は、互いに異なる配位子である。
In general formula (A), X 1 represents —SH or —OH, and A 1 and B 1 each independently represent a hydrogen atom or a substituent having 1 to 10 atoms (excluding an amino group). Represents. However, when A 1 and B 1 are both hydrogen atom, X 1 represents a -OH.
In general formula (B), X 2 represents —SH or —OH, and A 2 and B 2 each independently represent a hydrogen atom or a substituent having 1 to 10 atoms (excluding an amino group). Represents. In the general formula (C), A 3 represents a hydrogen atom or atoms of 1 to 10 substituents. However, A 3 does not end with NH 2 at the end.
In addition, the ligand represented by the general formula (A), the ligand represented by the general formula (B), and the ligand represented by the general formula (C) are different from each other. .

半導体量子ドットは、金属原子を含んで構成される半導体粒子であり、粒径が数nm〜数十nmとなるナノサイズの粒子である。   A semiconductor quantum dot is a semiconductor particle including a metal atom, and is a nano-sized particle having a particle size of several nanometers to several tens of nanometers.

本発明の半導体膜は、半導体量子ドットが、一般式(A)、(B)または(C)で表される原子数の少ない特定配位子によって配位結合で結ばれているため、半導体量子ドット間の間隔が短くなっていると考えられる。そのため、半導体量子ドットが緻密に並び、半導体量子ドット間の波動関数の重なりを強めることができると考えられる。その結果、電気伝導性が高まり、光電流値(Ip)を高めることができるため、高いIp/Id-が得られると考えられる。
また、特定配位子は、一般式(A)または(B)で表される配位子の場合、分子内に少なくとも1つのチオール基(−SH)と、X(またはX)で表される−SHまたは−OHとを有している。一般式(C)で表される特定配位子は、チオール基とカルボキシ基の−OH基とを有している。チオール基は、錯安定度定数が高く、半導体量子ドットの金属原子と、−SHまたは−OHとの錯体形成を促進するものと考えられる。その結果、半導体量子ドットと特定配位子との結びつきを強固なものとするため、半導体量子ドットと特定配位子とを含んで構成される半導体膜の剥がれを抑制するものと考えられる。
従って、本発明の半導体膜は、高い光電流値が得られ、かつ膜剥がれを抑制することができると考えられる。
In the semiconductor film of the present invention, the semiconductor quantum dots are connected by a coordinate bond with a specific ligand having a small number of atoms represented by the general formula (A), (B), or (C). It is considered that the interval between dots is shortened. Therefore, it is considered that the semiconductor quantum dots are densely arranged and the wave function overlap between the semiconductor quantum dots can be strengthened. As a result, the electrical conductivity is increased, and the photocurrent value (Ip) can be increased. Therefore, it is considered that high Ip / Id can be obtained.
In the case of a ligand represented by the general formula (A) or (B), the specific ligand is represented by at least one thiol group (—SH) and X 1 (or X 2 ) in the molecule. -SH or -OH. The specific ligand represented by the general formula (C) has a thiol group and a —OH group of a carboxy group. The thiol group has a high complex stability constant and is considered to promote the complex formation between the metal atom of the semiconductor quantum dot and —SH or —OH. As a result, in order to strengthen the connection between the semiconductor quantum dots and the specific ligand, it is considered that the peeling of the semiconductor film including the semiconductor quantum dots and the specific ligand is suppressed.
Therefore, it is considered that the semiconductor film of the present invention can obtain a high photocurrent value and suppress film peeling.

本発明の半導体膜は、特定配位子と半導体量子ドットの金属原子との間の錯安定度定数logβが8以上であることが好ましい。
ここで、錯安定度定数は、配位子と配位結合の対象となる金属原子との関係で定まる定数であり、下記式(b)により表される。
The semiconductor film of the present invention is preferably a complex stability constant Logbeta 1 between a particular ligand and the semiconductor quantum dots of the metal atoms is 8 or more.
Here, the complex stability constant is a constant determined by the relationship between the ligand and the metal atom to be coordinated, and is represented by the following formula (b).

式(b)において、[ML]は、金属原子と配位子が結合した錯体のモル濃度を表し、[M]は配位結合に寄与することができる金属原子のモル濃度を表し、[L]は配位子のモル濃度を表す。   In formula (b), [ML] represents the molar concentration of the complex in which the metal atom and the ligand are bonded, [M] represents the molar concentration of the metal atom that can contribute to the coordination bond, and [L ] Represents the molar concentration of the ligand.

実際には一つの金属原子に複数の配位子が配位する場合もあるが、本発明では、一つの金属原子に一つの配位子分子が配位する場合の式(b)で表される錯安定度定数logβを、配位結合の強さの指標として規定する。
特定配位子と半導体量子ドットの金属原子との間の錯安定度定数logβは、8以上であることで錯体が形成され易くなる。
錯安定度定数logβは、半導体量子ドットと配位子との組み合わせにおいて、より高い方が望ましい。また、配位子がキレートのように多座配位するものであればより結合の強さを高めることが出来る。一般的に、配位結合の強さが高いほうが、従来の長分子鎖配位子が効率的に置換され、より高い電気伝導性を得易くなる。また、特定配位子の錯安定度定数logβの値は、半導体量子ドットを構成する半導体量子ドット材料が変わることで変動するが、特定配位子は、分子鎖長が短く且つ配位し易いため、種々の半導体量子ドット材料に適用可能である。
logβは、8以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましい。
In practice, a plurality of ligands may coordinate to one metal atom. In the present invention, the ligand is represented by the formula (b) in the case where one ligand molecule coordinates to one metal atom. that the complex stability constant logβ 1, defined as an index of the strength of the coordination bond.
A complex stability constant logβ 1 between the specific ligand and the metal atom of the semiconductor quantum dot is 8 or more, whereby a complex is easily formed.
Complex stability constant Logbeta 1, in combination with the semiconductor quantum dot and the ligand, the higher is desirable. If the ligand is multidentate like a chelate, the bond strength can be further increased. Generally, when the strength of the coordination bond is higher, the conventional long molecular chain ligand is efficiently substituted, and higher electrical conductivity is easily obtained. The value of the complex stability constant Logbeta 1 specific ligand will vary by semiconductor quantum dot material constituting the semiconductor quantum dot is changed, the specific ligand, the molecular chain length is short and coordinated Since it is easy, it is applicable to various semiconductor quantum dot materials.
logβ 1 is more preferably 8 or more, and further preferably 10 or more.

本発明の半導体膜における特定配位子と半導体量子ドットの金属原子との間の錯安定度定数logβの求め方としては、分光法、磁気共鳴分光法、ポテンショメトリー、溶解度測定、クロマトグラフィー、カロリメトリー、凝固点測定、蒸気圧測定、緩和測定、粘度測定、表面張力測定等がある。
本発明では様々な手法や研究機関からの結果がまとめられた、Sc−Databese ver.5.85(Academic Software)(2010)を使用することで、錯安定度定数を定めた。logβがSc−Databese ver.5.85に無い場合には、A.E.MartellとR.M.Smith著、Critical Stability Constantsに記載の値を用いる。Critical Stability Constantsにも、logβが記載されていない場合は、既述の測定方法を用いるか、錯安定度定数を計算するプログラムPKAS法(A.E.Martellら著、The Determination and Use of Stability Constants,VCH(1988))を用いて、logβを算出する。
以下、本発明の半導体膜を構成する特定配位子および半導体量子ドットの詳細を説明する。
まず、特定配位子の詳細から説明する。
As a method of obtaining the complex stability constant logβ 1 between the specific ligand and the metal atom of the semiconductor quantum dot in the semiconductor film of the present invention, spectroscopy, magnetic resonance spectroscopy, potentiometry, solubility measurement, chromatography, There are calorimetry, freezing point measurement, vapor pressure measurement, relaxation measurement, viscosity measurement, surface tension measurement and the like.
In the present invention, Sc-Database ver. The complex stability constant was determined by using 5.85 (Academic Software) (2010). logβ 1 is Sc-Databese ver. If not in 5.85, A. E. Martell and R.W. M.M. Values described in Smith, Critical Stability Constants are used. If logβ 1 is not described in Critical Stability Constants, the above-described measurement method is used, or the program PKAS method for calculating the complex stability constant (AE Martinell et al., The Determination and Use of Stability) Logβ 1 is calculated using Constants, VCH (1988).
Hereinafter, the specific ligand and semiconductor quantum dot which comprise the semiconductor film of this invention are demonstrated.
First, the details of the specific ligand will be described.

〔一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子から選択される少なくとも1種の配位子(特定配位子)〕
本発明の半導体膜は、少なくとも1種の特定配位子を含む。
本発明の半導体膜は、2種以上の特定配位子を含んでいてもよい。すなわち、本発明の半導体膜が含む半導体量子ドットの集合体中の配位結合の全てが1種の特定配位子による結合であってもよいし、一部の配位結合は一般式(A)で表される特定配位子による結合であり、他の配位結合が一般式(B)で表される特定配位子による結合であってもよい。
[At least one coordination selected from a ligand represented by the general formula (A), a ligand represented by the general formula (B), and a ligand represented by the general formula (C) (Specific ligand)]
The semiconductor film of the present invention contains at least one specific ligand.
The semiconductor film of the present invention may contain two or more kinds of specific ligands. That is, all of the coordination bonds in the assembly of semiconductor quantum dots included in the semiconductor film of the present invention may be bonds by one specific ligand, and some of the coordination bonds may be represented by the general formula (A ), And the other coordination bond may be a bond by the specific ligand represented by the general formula (B).

一般式(A)中、Xは、−SH、または、−OHを表し、A及びBは、各々独立に、水素原子または原子数1以上10以下の置換基(アミノ基を除く)を表す。ただし、A及びBが共に水素原子を表すときは、Xは、−OHを表す。
一般式(B)中、Xは、−SH、または、−OHを表し、A及びBは、各々独立に、水素原子または原子数1以上10以下の置換基(アミノ基を除く)を表す。
一般式(C)中、Aは、水素原子または原子数1以上10以下の置換基を表す。ただし、Aは末端がNHとならない。
また、一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子は、互いに異なる配位子である。
In general formula (A), X 1 represents —SH or —OH, and A 1 and B 1 each independently represent a hydrogen atom or a substituent having 1 to 10 atoms (excluding an amino group). Represents. However, when A 1 and B 1 are both hydrogen atom, X 1 represents a -OH.
In general formula (B), X 2 represents —SH or —OH, and A 2 and B 2 each independently represent a hydrogen atom or a substituent having 1 to 10 atoms (excluding an amino group). Represents.
In the general formula (C), A 3 represents a hydrogen atom or atoms of 1 to 10 substituents. However, A 3 does not end with NH 2 at the end.
In addition, the ligand represented by the general formula (A), the ligand represented by the general formula (B), and the ligand represented by the general formula (C) are different from each other. .

一般式(A)におけるA及びB、一般式(B)におけるA及びB、ならびに、一般式(C)におけるAが、アミノ基(−NH)を除く原子数1以上10以下の置換基で表されるとき、原子数1以上10以下の置換基としては、炭素数1〜3のアルキル基〔メチル基、エチル基、プロピル基、及びイソプロピル基〕、炭素数2〜3のアルケニル基〔エテニル基およびプロペニル基〕、炭素数2〜4のアルキニル基〔エチニル基、プロピニル基等〕、シクロプロピル基、炭素数1〜2のアルコキシ基〔メトキシ基およびエトキシ基〕、炭素数2〜3のアシル基〔アセチル基、及びプロピオニル基〕、炭素数2〜3のアルコキシカルボニル基〔メトキシカルボニル基およびエトキシカルボニル基〕、炭素数2のアシルオキシ基〔アセチルオキシ基〕、炭素数2のアシルアミノ基〔アセチルアミノ基〕、炭素数1〜3のヒドロキシアルキル基〔ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基〕、アルデヒド基〔−COH〕、ヒドロキシ基〔−OH〕、カルボキシ基〔−COOH〕、スルホ基〔−SOH〕、ホスホ基〔−OPO(OH)〕、カルバモイル基〔−CONH〕、シアノ基〔−CN〕、イソシアネート基〔−N=C=O〕、チオール基〔−SH〕、ニトロ基〔−NO〕、ニトロキシ基〔−ONO〕、イソチオシアネート基〔−NCS〕、シアネート基〔−OCN〕、チオシアネート基〔−SCN〕、アセトキシ基〔OCOCH〕、アセトアミド基〔NHCOCH〕、ホルミル基〔−CHO〕、ホルミルオキシ基〔−OCHO〕、ホルムアミド基〔−NHCHO〕、スルファミノ基〔−NHSOH〕、スルフィノ基〔−SOH〕、スルファモイル基〔−SONH〕、ホスホノ基〔−PO〕、アセチル基〔−COCH〕、ハロゲン原子〔フッ素原子、塩素原子、臭素原子等〕、アルカリ金属原子〔リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子等〕等が挙げられる。
ただし、Aは末端がNHとならない。これは、Aがアミノ基(−NH)とならないほか、例えば、メチル基の一部の水素原子がアミノ基に置換された−CH−NHのごときアミノ基を有する基とならないことを意味する。
A 1 and B 1 in the general formula (A), A 2 and B 2 in the general formula (B), and A 3 in the general formula (C) have 1 to 10 atoms excluding the amino group (—NH 2 ). When represented by the following substituents, the substituent having 1 to 10 atoms includes an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms [methyl group, ethyl group, propyl group, and isopropyl group], and 2 to 3 carbon atoms. Alkenyl group [ethenyl group and propenyl group], alkynyl group having 2 to 4 carbon atoms [ethynyl group, propynyl group, etc.], cyclopropyl group, alkoxy group having 1 to 2 carbon atoms [methoxy group and ethoxy group], carbon number 2 to 3 acyl groups [acetyl group and propionyl group], C2 to C3 alkoxycarbonyl groups [methoxycarbonyl group and ethoxycarbonyl group], C2 acyloxy groups [ Cetyloxy group], C2-acylamino group [acetylamino group], C1-C3 hydroxyalkyl group [hydroxymethyl group, hydroxyethyl group, hydroxypropyl group], aldehyde group [-COH], hydroxy group [- OH], a carboxy group [-COOH], a sulfo group [-SO 3 H], a phospho group [-OPO (OH) 2], carbamoyl group [-CONH 2], a cyano group [-CN], the isocyanate group [-N = C = O], a thiol group [-SH], a nitro group [-NO 2], nitroxy group [-ONO 2], isothiocyanate group [-NCS], cyanate group [-OCN], thiocyanate group [-SCN] An acetoxy group [OCOCH 3 ], an acetamide group [NHCOCH 3 ], a formyl group [—CHO], a formyloxy group [—O CHO], formamide group [—NHCHO], sulfamino group [—NHSO 3 H], sulfino group [—SO 2 H], sulfamoyl group [—SO 2 NH 2 ], phosphono group [—PO 3 H 2 ], acetyl group Examples include [—COCH 3 ], a halogen atom [fluorine atom, chlorine atom, bromine atom and the like], an alkali metal atom [lithium atom, sodium atom, potassium atom and the like] and the like.
However, A 3 does not end with NH 2 at the end. This is because A 3 does not become an amino group (—NH 2 ), nor does it become a group having an amino group such as —CH 2 —NH 2 in which a part of the hydrogen atoms of the methyl group is substituted with an amino group. Means.

置換基は、総原子数が10以下であれば、さらにアミノ基(−NH)以外の置換基を有していてもよい。
置換基の原子数が10以下であることで、配位子による立体障害を抑制し、半導体量子ドットを近接化することができるため、半導体膜の電気伝導性を高くすることができる。
置換基は、半導体量子ドット間をより短くする観点から、原子数7以下であることが好ましく、水素原子であることがより好ましい。
The substituent may further have a substituent other than an amino group (—NH 2 ) as long as the total number of atoms is 10 or less.
Since the number of atoms of the substituent is 10 or less, steric hindrance due to the ligand can be suppressed and the semiconductor quantum dots can be brought close to each other, so that the electrical conductivity of the semiconductor film can be increased.
From the viewpoint of shortening the distance between the semiconductor quantum dots, the substituent is preferably 7 atoms or less, and more preferably a hydrogen atom.

一般式(A)におけるX、及び、一般式(B)におけるXは、特定配位子をアルコール溶液とする際の溶解性の観点から、−OH(ヒドロキシ基)であることが好ましい。 X 1 in the general formula (A) and X 2 in the general formula (B) are preferably —OH (hydroxy group) from the viewpoint of solubility when the specific ligand is an alcohol solution.

一般式(A)で表される化合物としては、具体的には、1−チオグリセロール、ジメルカプロール、1−メルカプト−2−ブタノール、1−メルカプト−2−ペンタノール等が挙げられる。
一般式(B)で表される化合物としては、具体的には、3−メルカプト−1−プロパノール、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール等が挙げられる。
一般式(C)表される化合物としては、具体的には、チオグリコール酸等が挙げられる。
Specific examples of the compound represented by the general formula (A) include 1-thioglycerol, dimercaprol, 1-mercapto-2-butanol, 1-mercapto-2-pentanol and the like.
Specific examples of the compound represented by the general formula (B) include 3-mercapto-1-propanol and 2,3-dimercapto-1-propanol.
Specific examples of the compound represented by the general formula (C) include thioglycolic acid.

また、特定配位子は、3−メルカプト−1−プロパノール誘導体、チオグリコール酸誘導体等の、一般式(A)で表される化合物の誘導体、一般式(B)で表される化合物の誘導体、または、一般式(C)で表される化合物の誘導体であってもよい。   The specific ligand is a derivative of a compound represented by the general formula (A) such as a 3-mercapto-1-propanol derivative or a thioglycolic acid derivative, a derivative of a compound represented by the general formula (B), Alternatively, a derivative of the compound represented by the general formula (C) may be used.

特定配位子として、以上の化合物を用いることで、エタンジチオールを配位子とした場合と比較して、高い光電流値が得られる。中でも、特に、一般式(B)で表される3−メルカプト−1−プロパノールまたは2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、あるいは一般式(C)で表されるチオグリコール酸を配位子とした場合には、Ip/Id-の増大の効果が大きい。
以上の3つの中でも、さらに、3−メルカプト−1−プロパノールまたはチオグリコール酸を用いるとIp/Idを更に高める事が出来る。従って、一般式(B)および一般式(C)において、AおよびAは、水素原子であることが望ましいことが分かる。
By using the above compound as the specific ligand, a higher photocurrent value can be obtained as compared with the case where ethanedithiol is used as the ligand. Among them, in particular, 3-mercapto-1-propanol or 2,3-dimercapto-1-propanol represented by the general formula (B) or thioglycolic acid represented by the general formula (C) is used as a ligand. In some cases, the effect of increasing Ip / Id is large.
Among the above three, Ip / Id can be further increased by using 3-mercapto-1-propanol or thioglycolic acid. Therefore, it can be seen that in the general formulas (B) and (C), A 2 and A 3 are preferably hydrogen atoms.

また、特定配位子は、一般式(A)または一般式(C)で表される配位子であると、一般式(A)におけるAおよびB、ならびに一般式(C)におけるAがエチル基、プロピル基等の比較的原子数の大きな置換基であっても高いIp/Idを得ることができる。
これは、次の2つの理由によるものと思われる。すなわち、半導体量子ドット中の金属原子のダングリングボンド(dangling bond;原子における未結合手)と、一般式(A)に示される−SHと、Xとして示されるSH(またはOH)とが5員環キレートを形成する事で、高い錯安定度定数(logβ)を得易くなる。また、一般式(C)で表される配位子においては、一般式(C)に示されるSHと、カルボキシ基のOHと、半導体量子ドット中の金属原子のダングリングボンドとが5員環キレートを形成する事で、高い錯安定度定数(logβ)を得易くなる。
それと共に、半導体量子ドット中の金属原子と特定配位子とがキレート配位することで、半導体量子ドット同士の立体障害を抑制し、結果的に高い電気伝導性を得易くなる。
Further, when the specific ligand is a ligand represented by the general formula (A) or the general formula (C), A 1 and B 1 in the general formula (A), and A in the general formula (C) Even if 3 is a substituent having a relatively large number of atoms such as an ethyl group or a propyl group, a high Ip / Id can be obtained.
This is probably due to the following two reasons. That is, a dangling bond (dangling bond in an atom) of a metal atom in a semiconductor quantum dot, -SH represented by the general formula (A), and SH (or OH) represented by X 1 are 5 By forming a member ring chelate, it becomes easy to obtain a high complex stability constant (log β). In the ligand represented by the general formula (C), the SH represented by the general formula (C), the OH of the carboxy group, and the dangling bond of the metal atom in the semiconductor quantum dot are a five-membered ring. By forming a chelate, a high complex stability constant (log β) can be easily obtained.
At the same time, steric hindrance between the semiconductor quantum dots is suppressed by chelate coordination between the metal atom and the specific ligand in the semiconductor quantum dots, and as a result, high electrical conductivity is easily obtained.

このような配位のメカニズムは、一般式(A)においては、一般式(A)に示されるSHの硫黄原子と、Bが結合する炭素原子と、Aが結合する炭素原子と、Xで表されるOHの酸素原子またはSHの硫黄原子と、半導体量子ドットの金属原子との5つの原子の関係において成り立つものである。従って、一般式(A)におけるAおよびBが原子数の大きな置換基となっても、高い配位安定性が得られ、電気伝導性も高くなり易いと考えられる。
一般式(C)で表される配位子においても同様であり、一般式(C)に示されるSHの硫黄原子と、Aが結合する炭素原子と、一般式(C)に示されるカルボキシ基を構成するカルボニル(>C=O)の炭素原子と、一般式(C)に示されるカルボキシ基を構成するOHの酸素原子と、半導体量子ドットの金属原子との5つの原子の関係において成り立つものである。従って、一般式(C)におけるAが原子数の大きな置換基となっても、高い配位安定性が得られ、電気伝導性も高くなり易いと考えられる。
In the general formula (A), such a coordination mechanism includes the SH sulfur atom represented by the general formula (A), the carbon atom to which B 1 is bonded, the carbon atom to which A 1 is bonded, and X This is established in a five-atom relationship between the oxygen atom of OH represented by 1 or the sulfur atom of SH and the metal atom of the semiconductor quantum dot. Therefore, even if A 1 and B 1 in the general formula (A) are substituents having a large number of atoms, it is considered that high coordination stability is obtained and electrical conductivity is likely to be high.
The same applies to the ligand represented by the general formula (C). The sulfur atom of SH represented by the general formula (C), the carbon atom to which A 1 is bonded, and the carboxy represented by the general formula (C). It is established in the relationship of five atoms, that is, the carbon atom of carbonyl (> C═O) constituting the group, the oxygen atom of OH constituting the carboxy group represented by the general formula (C), and the metal atom of the semiconductor quantum dot. Is. Therefore, even if A 3 in the general formula (C) is a substituent having a large number of atoms, it is considered that high coordination stability is obtained and electrical conductivity is likely to be high.

〔金属原子を有する半導体量子ドットの集合体〕
本発明の半導体膜は、半導体量子ドットの集合体を有する。また、半導体量子ドットは、少なくとも1種の金属原子を有する。
半導体量子ドットの集合体とは、多数(例えば、1μm四方当たり100個以上)の半導体量子ドットが互いに近接して配置された形態をいう。
なお、本発明における「半導体」とは、比抵抗値が10−2Ωcm以上10Ωcm以下であることを意味する。
[Assembly of semiconductor quantum dots having metal atoms]
The semiconductor film of the present invention has an aggregate of semiconductor quantum dots. Moreover, the semiconductor quantum dot has at least one kind of metal atom.
The aggregate of semiconductor quantum dots refers to a form in which a large number (for example, 100 or more per 1 μm 2 square) of semiconductor quantum dots are arranged close to each other.
The “semiconductor” in the present invention means that the specific resistance value is 10 −2 Ωcm or more and 10 8 Ωcm or less.

半導体量子ドットは、金属原子を有する半導体粒子である。なお、本発明において、金属原子には、Si原子に代表される半金属原子も含む。
半導体量子ドットを構成する半導体量子ドット材料としては、例えば一般的な半導体結晶〔a)IV族半導体、b)IV−IV族、III−V族、またはII−VI族の化合物半導体、c)II族、III族、IV族、V族、および、VI族元素の内3つ以上の組み合わせからなる化合物半導体〕のナノ粒子(0.5nm以上100nm未満大の粒子)が挙げられる。具体的には、PbS、PbSe、InN、InAs、Ge、InAs、InGaAs、CuInS、CuInSe、CuInGaSe、InSb、Si、InP等の比較的バンドギャップの狭い半導体材料が挙げられる。
半導体量子ドットは、半導体量子ドット材料を少なくとも1種類含んでいればよい。
The semiconductor quantum dot is a semiconductor particle having a metal atom. In the present invention, the metal atom includes a semimetal atom typified by Si atom.
Examples of the semiconductor quantum dot material constituting the semiconductor quantum dot include a general semiconductor crystal [a) a group IV semiconductor, b) a compound semiconductor of group IV-IV, group III-V, or group II-VI, c) II. Compound semiconductor composed of a combination of three or more of Group, Group III, Group IV, Group V, and Group VI elements) (particles of 0.5 nm to less than 100 nm). Specific examples include semiconductor materials having a relatively narrow band gap such as PbS, PbSe, InN, InAs, Ge, InAs, InGaAs, CuInS, CuInSe, CuInGaSe, InSb, Si, and InP.
The semiconductor quantum dot should just contain at least 1 type of semiconductor quantum dot material.

また、半導体量子ドット材料は、バルクとしてのバンドギャップが1.5eV以下であることが望ましい。このような比較的バンドギャップの狭い半導体材料を用いることによって、本発明の半導体膜を、例えば、太陽電池の光電変換層に用いた場合には、高い変換効率を実現することが可能である。   The semiconductor quantum dot material preferably has a bulk band gap of 1.5 eV or less. By using such a semiconductor material having a relatively narrow band gap, high conversion efficiency can be realized when the semiconductor film of the present invention is used, for example, in a photoelectric conversion layer of a solar cell.

半導体量子ドットは、半導体量子ドット材料を核(コア)とし、半導体量子ドット材料を被覆化合物で覆ったコアシェル構造であってもよい。被覆化合物としては、ZnS,ZnSe、ZnTe、ZnCdS等が挙げられる。   The semiconductor quantum dot may have a core-shell structure in which a semiconductor quantum dot material is a nucleus (core) and the semiconductor quantum dot material is covered with a coating compound. Examples of the coating compound include ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnCdS, and the like.

半導体量子ドット材料は、以上の中でも、半導体量子ドットの合成のし易さから、PbS、またはPbSeであることが望ましい。環境負荷が小さいという観点、および、電気伝導性の観点からは、InPおよびInNを用いることも望ましい。   Among the above, the semiconductor quantum dot material is preferably PbS or PbSe from the viewpoint of easy synthesis of the semiconductor quantum dots. It is also desirable to use InP and InN from the viewpoint of low environmental load and from the viewpoint of electrical conductivity.

さらに、本発明の半導体膜を太陽電池用途に適用する場合は、半導体量子ドットは、マルチエキシトン生成効果と呼ばれる多励起子生成効果による光電変換効率の増強を見据えて、更にバンドギャップが狭いことが好ましい。具体的には、1.0eV以下であることが望ましい。
バンドギャップをより狭くし、マルチエキシトン生成効果を増強する観点から、半導体量子ドット材料は、PbS、PbSe、またはInSbであることが好ましい。
Furthermore, when the semiconductor film of the present invention is applied to a solar cell application, the semiconductor quantum dot may have a narrower band gap in view of enhancement of photoelectric conversion efficiency due to a multi-exciton generation effect called a multi-exciton generation effect. preferable. Specifically, it is desirable that it is 1.0 eV or less.
From the viewpoint of narrowing the band gap and enhancing the multi-exciton generation effect, the semiconductor quantum dot material is preferably PbS, PbSe, or InSb.

半導体量子ドットの平均粒径は、2nm〜15nmであることが望ましい。なお、半導体量子ドットの平均粒径は、半導体量子ドット10個の平均粒径をいう。半導体量子ドットの粒径の測定には、透過型電子顕微鏡を用いればよい。
一般的に半導体量子ドットは、数nm〜数十nmまでの様々な大きさの粒子を含む。半導体量子ドットでは内在する電子のボーア半径以下の大きさまで量子ドットの平均粒径を小さくすると、量子サイズ効果により半導体量子ドットのバンドギャップが変化する現象が生じる。例えば、II−VI族半導体では、比較的ボーア半径が大きく、PbSでは18nm程度であると言われている。また、III−V族半導体であるInPでは、ボーア半径は10nm〜14nm程度であると言われている。
従って、例えば半導体量子ドットの平均粒径が、15nm以下であれば、量子サイズ効果によるバンドギャップの制御が可能となる。
The average particle size of the semiconductor quantum dots is desirably 2 nm to 15 nm. In addition, the average particle diameter of a semiconductor quantum dot means the average particle diameter of ten semiconductor quantum dots. A transmission electron microscope may be used to measure the particle size of the semiconductor quantum dots.
In general, semiconductor quantum dots include particles of various sizes from several nm to several tens of nm. In the semiconductor quantum dot, when the average particle diameter of the quantum dot is reduced to a size equal to or less than the Bohr radius of the underlying electron, a phenomenon occurs in which the band gap of the semiconductor quantum dot changes due to the quantum size effect. For example, it is said that II-VI semiconductors have a relatively large Bohr radius, and PbS has a thickness of about 18 nm. InP, which is a III-V group semiconductor, is said to have a Bohr radius of about 10 nm to 14 nm.
Therefore, for example, if the average particle size of the semiconductor quantum dots is 15 nm or less, the band gap can be controlled by the quantum size effect.

特に、本発明の半導体膜を、太陽電池に応用する場合は、半導体量子ドット材料にかかわらず、量子サイズ効果によって、バンドギャップを最適な値へ調整することが重要となる。しかし、半導体量子ドットの平均粒径が小さくなればなるほどバンドギャップが増大するため、半導体量子ドットの平均粒径は10nm以下であれば、より大きなバンドギャップの変化が期待できる。半導体量子ドットが結果としてナローギャップ半導体であっても、太陽光のスペクトルに最適なバンドギャップに調整することが容易となる事から、量子ドットのサイズは10nm以下であることがより望ましい。また、半導体量子ドットの平均粒径が小さく、量子閉じ込めが顕著な場合は、マルチエキシトン生成効果の増強が期待できるというメリットもある。
一方、半導体量子ドットの平均粒径は、2nm以上であることが好ましい。半導体量子ドットの平均粒径を2nm以上とすることで、量子閉じ込めの効果が強くなりすぎず、バンドギャップを最適値とし易い。また、半導体量子ドットの平均粒径を2nm以上とすることで、半導体量子ドットの合成において、半導体量子ドットの結晶成長を制御し易くすることができる。
In particular, when the semiconductor film of the present invention is applied to a solar cell, it is important to adjust the band gap to an optimum value by the quantum size effect regardless of the semiconductor quantum dot material. However, since the band gap increases as the average particle size of the semiconductor quantum dots decreases, a larger change in the band gap can be expected if the average particle size of the semiconductor quantum dots is 10 nm or less. Even if the semiconductor quantum dot is a narrow gap semiconductor as a result, it is easy to adjust the band gap optimal for the spectrum of sunlight. Therefore, the size of the quantum dot is more preferably 10 nm or less. Further, when the average particle size of the semiconductor quantum dots is small and the quantum confinement is remarkable, there is an advantage that the enhancement of the multi-exciton generation effect can be expected.
On the other hand, the average particle diameter of the semiconductor quantum dots is preferably 2 nm or more. By setting the average particle diameter of the semiconductor quantum dots to 2 nm or more, the effect of quantum confinement does not become too strong, and the band gap can be easily set to the optimum value. Further, by setting the average particle diameter of the semiconductor quantum dots to 2 nm or more, it is possible to easily control the crystal growth of the semiconductor quantum dots in the synthesis of the semiconductor quantum dots.

半導体膜の厚みは、特に制限されないが、高い電気伝導性を得る観点から、10nm以上であることが好ましく、50nm以上であることがより好ましい。また、キャリア濃度が過剰になる恐れがある事、製造し易さの観点からは、半導体膜の厚みは、300nm以下であることが好ましい。   The thickness of the semiconductor film is not particularly limited, but is preferably 10 nm or more, and more preferably 50 nm or more from the viewpoint of obtaining high electrical conductivity. In addition, the thickness of the semiconductor film is preferably 300 nm or less from the viewpoint of excessive carrier concentration and ease of manufacture.

本発明の半導体膜の製造方法は特に制限されるものではないが、半導体量子ドット同士の間隔をより短くし、半導体量子ドットを緻密に配置する観点から、本発明の半導体膜の製造方法により製造することが好ましい。   Although the manufacturing method of the semiconductor film of the present invention is not particularly limited, it is manufactured by the semiconductor film manufacturing method of the present invention from the viewpoint of shortening the interval between the semiconductor quantum dots and arranging the semiconductor quantum dots densely. It is preferable to do.

<半導体膜の製造方法>
本発明の半導体膜の製造方法は、半導体量子ドット、半導体量子ドットに配位した第1の配位子、及び第1の溶媒を含有する半導体量子ドット分散液を基板上に付与して半導体量子ドットの集合体を形成する半導体量子ドット集合体形成工程と、半導体量子ドットの集合体に、第1の配位子よりも分子鎖長が短く、かつ、一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子から選択される少なくとも1種である第2の配位子及び第2の溶媒を含有する溶液を付与して半導体量子ドットに配位している第1の配位子を第2の配位子に交換する配位子交換工程と、を有する
<Semiconductor film manufacturing method>
In the method for producing a semiconductor film of the present invention, a semiconductor quantum dot dispersion liquid containing a semiconductor quantum dot, a first ligand coordinated to the semiconductor quantum dot, and a first solvent is applied onto the substrate. In the semiconductor quantum dot assembly forming step for forming the dot assembly, and the semiconductor quantum dot assembly, the molecular chain length is shorter than that of the first ligand and the arrangement represented by the general formula (A) A second ligand and a second solvent which are at least one selected from a ligand, a ligand represented by formula (B), and a ligand represented by formula (C) A ligand exchanging step of exchanging a first ligand coordinated to a semiconductor quantum dot with a second ligand by applying a solution containing

一般式(A)中、Xは、−SH、または、−OHを表し、A及びBは、各々独立に、水素原子または原子数1以上10以下の置換基(アミノ基を除く)を表す。ただし、A及びBが共に水素原子を表すときは、Xは、−OHを表す。
一般式(B)中、Xは、−SH、または、−OHを表し、A及びBは、各々独立に、水素原子または原子数1以上10以下の置換基(アミノ基を除く)を表す。
一般式(C)中、Aは、水素原子または原子数1以上10以下の置換基を表す。ただし、Aは末端がNHとならない。
In general formula (A), X 1 represents —SH or —OH, and A 1 and B 1 each independently represent a hydrogen atom or a substituent having 1 to 10 atoms (excluding an amino group). Represents. However, when A 1 and B 1 are both hydrogen atom, X 1 represents a -OH.
In general formula (B), X 2 represents —SH or —OH, and A 2 and B 2 each independently represent a hydrogen atom or a substituent having 1 to 10 atoms (excluding an amino group). Represents.
In the general formula (C), A 3 represents a hydrogen atom or atoms of 1 to 10 substituents. However, A 3 does not end with NH 2 at the end.

本発明の半導体膜の製造方法では、半導体量子ドット集合体形成工程および配位子交換工程を繰り返し行ってもよいし、さらに、半導体量子ドット分散液を乾燥する分散液乾燥工程、配位子溶液を乾燥する溶液乾燥工程、基板上の半導体量子ドット集合体を洗浄する洗浄工程等を有していてもよい。   In the method for producing a semiconductor film of the present invention, the semiconductor quantum dot assembly forming step and the ligand exchange step may be repeated, and further, a dispersion drying step for drying the semiconductor quantum dot dispersion, a ligand solution A solution drying step for drying the substrate, a washing step for washing the semiconductor quantum dot aggregate on the substrate, and the like.

本発明の半導体膜の製造方法では、半導体量子ドット集合体形成工程において、半導体量子ドット分散液を基板上に付与することにより、基板上に半導体量子ドットの集合体を形成する。このとき、半導体量子ドットは、第2の配位子よりも分子鎖長が長い第1の配位子により第1の溶媒に分散されているため、半導体量子ドットは、凝集したバルク状となりにくい。従って、半導体量子ドット分散液が基板上に付与されることで、半導体量子ドットの集合体は、半導体量子ドット1つ1つが配列した構成とすることができる。   In the method for producing a semiconductor film of the present invention, a semiconductor quantum dot aggregate is formed on a substrate by applying a semiconductor quantum dot dispersion on the substrate in the semiconductor quantum dot aggregate formation step. At this time, since the semiconductor quantum dots are dispersed in the first solvent by the first ligand having a molecular chain length longer than that of the second ligand, the semiconductor quantum dots are less likely to be in an aggregated bulk shape. . Therefore, by applying the semiconductor quantum dot dispersion liquid onto the substrate, the semiconductor quantum dot aggregate can be configured so that the semiconductor quantum dots are arranged one by one.

次いで、配位子交換工程により、半導体量子ドットの集合体に特定配位子の溶液を付与することで、半導体量子ドットに配位している第2の配位子よりも分子鎖長が長い第1の配位子と、特定配位子との配位子交換がなされる。特定配位子は、一般式(A)〜(C)に示されるように分子内に少なくとも1つのチオール基(−SH)を有している。既述のように、チオール基は、錯安定度定数が高く、一般式(A)および(B)においては、半導体量子ドットの金属原子と、X(またはX)で表される−SHまたは−OHとの錯体形成を促進すると考えられる。また、一般式(C)においては、半導体量子ドットの金属原子と、−SHとカルボキシ基の−OHとの錯体形成を促進すると考えられる。
従って、特定配位子は、第2の配位子よりも分子鎖長が長い第1の配位子に置き換わって配位し、半導体量子ドットと配位結合を結ぶため、半導体量子ドット同士を近接化し易いと考えられる。半導体量子ドットが近接化することにより、半導体量子ドットの集合体の電気伝導性が高まり、高光電流値を有する半導体膜とすることができると考えられる。
さらに、半導体量子ドット同士が、特定配位子を介して配位結合により結ばれることで、半導体量子ドットの集合体が強固な半導体膜となり、基板上から剥がれ難くなると考えられる。
Next, by applying a solution of the specific ligand to the assembly of semiconductor quantum dots by the ligand exchange step, the molecular chain length is longer than that of the second ligand coordinated to the semiconductor quantum dots. Ligand exchange between the first ligand and the specific ligand is performed. The specific ligand has at least one thiol group (—SH) in the molecule as shown in the general formulas (A) to (C). As described above, the thiol group has a high complex stability constant. In the general formulas (A) and (B), the metal atom of the semiconductor quantum dot and —SH represented by X 1 (or X 2 ) are used. Or it is thought that complex formation with -OH is accelerated | stimulated. In the general formula (C), it is considered that the complex formation between the metal atom of the semiconductor quantum dot, -SH and -OH of the carboxy group is promoted.
Therefore, the specific ligand replaces the first ligand having a molecular chain length longer than that of the second ligand and coordinates with the semiconductor quantum dot. It is thought that it is easy to approach. When the semiconductor quantum dots are brought close to each other, it is considered that the electrical conductivity of the aggregate of semiconductor quantum dots is increased and a semiconductor film having a high photocurrent value can be obtained.
Furthermore, it is considered that the semiconductor quantum dots are connected to each other by a coordinate bond through a specific ligand, whereby the aggregate of semiconductor quantum dots becomes a strong semiconductor film and hardly peels off from the substrate.

〔半導体量子ドット集合体形成工程〕
半導体量子ドット集合体形成工程では、半導体量子ドット、半導体量子ドットに配位した第1の配位子、及び第1の溶媒を含有する半導体量子ドット分散液を基板上に付与して半導体量子ドットの集合体を形成する。
半導体量子ドット分散液は、基板表面に塗布してもよいし、基板上に設けられた他の層に塗布してもよい。
基板上に設けられた他の層としては、基板と半導体量子ドットの集合体との密着を向上させるための接着層、透明導電層等が挙げられる。
[Semiconductor quantum dot assembly formation process]
In the semiconductor quantum dot assembly forming step, a semiconductor quantum dot dispersion liquid containing a semiconductor quantum dot, a first ligand coordinated to the semiconductor quantum dot, and a first solvent is applied on the substrate to form the semiconductor quantum dot To form an aggregate.
The semiconductor quantum dot dispersion liquid may be applied to the substrate surface, or may be applied to another layer provided on the substrate.
Examples of other layers provided on the substrate include an adhesive layer and a transparent conductive layer for improving the adhesion between the substrate and the assembly of semiconductor quantum dots.

−半導体量子ドット分散液−
半導体量子ドット分散液は、金属原子を有する半導体量子ドット、第1の配位子、および第1の溶媒を含有する。
半導体量子ドット分散液は、本発明の効果を損なわない限度において、更に他の成分を含有していてもよい。
-Semiconductor quantum dot dispersion-
The semiconductor quantum dot dispersion liquid contains a semiconductor quantum dot having a metal atom, a first ligand, and a first solvent.
The semiconductor quantum dot dispersion liquid may further contain other components as long as the effects of the present invention are not impaired.

(半導体量子ドット)
半導体量子ドット分散液が含有する金属原子を含む半導体量子ドットの詳細は既述のとおりであり、好ましい態様も同様である。
なお、半導体量子ドット分散液中の半導体量子ドットの含有量は、1mg/ml〜100mg/mlであることが好ましく、5 mg/ml〜40 mg/mlであることがより好ましい。
半導体量子ドット分散液中の半導体量子ドットの含有量が、1mg/ml以上であることで、基板上の半導体量子ドット密度が高くなり、良好な膜が得られ易い。一方、半導体量子ドット量子ドットの含有量が、100mg/ml以下であることで、半導体量子ドット分散液を一回の付与したときに得られる膜の膜厚が大きくなりにくくなる。そのため、膜中の半導体量子ドットに配位する第1の配位子の配位子交換を十分に行うことができる。
(Semiconductor quantum dots)
The details of the semiconductor quantum dots containing metal atoms contained in the semiconductor quantum dot dispersion liquid are as described above, and the preferred embodiments are also the same.
In addition, the content of the semiconductor quantum dots in the semiconductor quantum dot dispersion liquid is preferably 1 mg / ml to 100 mg / ml, and more preferably 5 mg / ml to 40 mg / ml.
When the content of the semiconductor quantum dots in the semiconductor quantum dot dispersion liquid is 1 mg / ml or more, the semiconductor quantum dot density on the substrate is increased, and a good film is easily obtained. On the other hand, when the content of the semiconductor quantum dot quantum dots is 100 mg / ml or less, the film thickness of the film obtained when the semiconductor quantum dot dispersion liquid is applied once is hardly increased. Therefore, the ligand exchange of the 1st ligand coordinated to the semiconductor quantum dot in a film | membrane can fully be performed.

(第1の配位子)
半導体量子ドット分散液が含有する第1の配位子は、半導体量子ドットに配位する配位子として働くと共に、立体障害となり易い分子構造を有しており、第1の溶媒中に半導体量子ドットを分散させる分散剤としての役割も果たす。
第1の配位子は、後述する第2の配位子よりも分子鎖長が長い。分子鎖長の長短は、分子中に枝分かれ構造がある場合は、主鎖の長さで判断する。第2の配位子である一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子は、そもそも有機溶媒系への分散が困難であり、第1の配位子には該当しない。ここで分散とは、粒子の沈降や濁りがない状態であることを言う。
(First ligand)
The first ligand contained in the semiconductor quantum dot dispersion liquid functions as a ligand coordinated to the semiconductor quantum dot and has a molecular structure that is likely to cause steric hindrance, and the semiconductor quantum in the first solvent. It also serves as a dispersant for dispersing dots.
The first ligand has a longer molecular chain length than the second ligand described later. The length of the molecular chain is determined by the length of the main chain when there is a branched structure in the molecule. The ligand represented by the general formula (A), the ligand represented by the general formula (B), and the ligand represented by the general formula (C), which are the second ligands, Dispersion in an organic solvent system is difficult and does not correspond to the first ligand. Here, “dispersion” refers to a state where there is no sedimentation or turbidity of particles.

第1の配位子は、半導体量子ドットの分散を向上する観点から、主鎖の炭素数が少なくとも6以上の配位子であることが望ましく、主鎖の炭素数が10以上の配位子であることがより望ましい。
第1の配位子は、具体的には、飽和化合物でも、不飽和化合物のいずれでもよく、デカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘン酸、オレイン酸、エルカ酸、オレイルアミン、ドデシルアミン、ドデカンチオール、1,2−ヘキサデカンチオール、トリオクチルホスフィンオキシド、臭化セトリモニウム等が挙げられる。
第1の配位子は、半導体膜形成時に、膜中に残存し難いものが好ましい。具体的には、分子量が小さいことが好ましい。
第1の配位子は、半導体量子ドットに分散安定性を持たせつつ、半導体膜に残存し難い観点から、以上の中でも、オレイン酸およびオレイルアミンの少なくとも一方が好ましい。
From the viewpoint of improving the dispersion of the semiconductor quantum dots, the first ligand is preferably a ligand having at least 6 carbon atoms in the main chain, and a ligand having 10 or more carbon atoms in the main chain. Is more desirable.
Specifically, the first ligand may be either a saturated compound or an unsaturated compound. Decanoic acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, behenic acid, oleic acid, erucic acid, oleylamine , Dodecylamine, dodecanethiol, 1,2-hexadecanethiol, trioctylphosphine oxide, cetrimonium bromide and the like.
The first ligand is preferably one that hardly remains in the film when the semiconductor film is formed. Specifically, the molecular weight is preferably small.
Among the above, the first ligand is preferably at least one of oleic acid and oleylamine, from the viewpoint of making the semiconductor quantum dots have dispersion stability and hardly remaining in the semiconductor film.

半導体量子ドット分散液中の第1の配位子の含有量は、半導体量子ドット分散液の全体積に対し、10mmol/l〜200mmol/lであることが望ましい。   The content of the first ligand in the semiconductor quantum dot dispersion is desirably 10 mmol / l to 200 mmol / l with respect to the total volume of the semiconductor quantum dot dispersion.

(第1の溶媒)
半導体量子ドット分散液が含有する第1の溶媒は、特に制限されないが、半導体量子ドットを溶解し難く、第1の配位子を溶解し易い溶媒であることが好ましい。第1の溶媒は、有機溶剤が好ましく、具体的には、アルカン〔n−ヘキサン、n−オクタン等〕、ベンゼン、トルエン等が挙げられる。
第1の溶媒は、1種のみであってもよいし、2種以上を混合した混合溶媒であってもよい。
(First solvent)
The first solvent contained in the semiconductor quantum dot dispersion liquid is not particularly limited, but is preferably a solvent that hardly dissolves the semiconductor quantum dots and easily dissolves the first ligand. The first solvent is preferably an organic solvent, and specific examples include alkanes [n-hexane, n-octane, etc.], benzene, toluene and the like.
Only 1 type may be sufficient as a 1st solvent and the mixed solvent which mixed 2 or more types may be sufficient as it.

第1の溶媒は、以上の中でも、形成される半導体膜中に残存し難い溶媒が好ましい。比較的沸点が低い溶媒であれば、最終的に半導体膜を得たときに、残留有機物の含有量を抑えることができる。
さらに、基板への濡れ性が良いものが当然好ましい。たとえば、ガラス基板上へ塗布する場合には、ヘキサン、オクタン等のアルカンがより好ましい。
Among the above, the first solvent is preferably a solvent that hardly remains in the formed semiconductor film. If the solvent has a relatively low boiling point, the content of residual organic substances can be suppressed when the semiconductor film is finally obtained.
Furthermore, those with good wettability to the substrate are naturally preferable. For example, when coating on a glass substrate, alkanes such as hexane and octane are more preferable.

半導体量子ドット分散液中の第1の溶媒の含有量は、半導体量子ドット分散液全質量に対し、90質量%〜98質量%であることが好ましい。   The content of the first solvent in the semiconductor quantum dot dispersion is preferably 90% by mass to 98% by mass with respect to the total mass of the semiconductor quantum dot dispersion.

−基板−
半導体量子ドット分散液は、基板上に付与される。
基板の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。基板の構造は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。基板としては、例えば、ガラス、YSZ(Yttria−Stabilized Zirconia;イットリウム安定化ジルコニウム)等の無機材料、樹脂、樹脂複合材料等からなる基板を用いることができる。中でも軽量である点、可撓性を有する点から、樹脂または樹脂複合材料からなる基板が好ましい。
-Board-
The semiconductor quantum dot dispersion is applied on the substrate.
There is no restriction | limiting in particular about the shape of a board | substrate, a structure, a magnitude | size, It can select suitably according to the objective. The structure of the substrate may be a single layer structure or a laminated structure. As the substrate, for example, a substrate made of glass, an inorganic material such as YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia), a resin, a resin composite material, or the like can be used. Among these, a substrate made of a resin or a resin composite material is preferable from the viewpoint of light weight and flexibility.

樹脂としては、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジグリコールカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズアゾール、ポリフェニレンサルファイド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂、液晶ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、シアネート樹脂、架橋フマル酸ジエステル、環状ポリオレフィン、芳香族エーテル、マレイミドーオレフィン、セルロース、エピスルフィド化合物等の合成樹脂が挙げられる。   The resins include polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, allyl diglycol carbonate, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyetherimide, poly Fluorine resins such as benzazole, polyphenylene sulfide, polycycloolefin, norbornene resin, polychlorotrifluoroethylene, liquid crystal polymer, acrylic resin, epoxy resin, silicone resin, ionomer resin, cyanate resin, crosslinked fumaric acid diester, cyclic polyolefin, aromatic Synthetic resins such as aromatic ethers, maleimide-olefins, cellulose, episulfide compounds, etc.

無機材料および樹脂の複合材料としては、樹脂と、次の無機材料との複合プラスチック材料が挙げられる。すなわち、樹脂と酸化珪素粒子との複合プラスチック材料、樹脂と金属ナノ粒子との複合プラスチック材料、樹脂と無機酸化物ナノ粒子との複合プラスチック材料、樹脂と無機窒化物ナノ粒子との複合プラスチック材料、樹脂とカーボン繊維との複合プラスチック材料、樹脂とカーボンナノチューブとの複合プラスチック材料、樹脂とガラスフェレークとの複合プラスチック材料、樹脂とガラスファイバーとの複合プラスチック材料、樹脂とガラスビーズとの複合プラスチック材料、樹脂と粘土鉱物との複合プラスチック材料、樹脂と雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料、樹脂と薄いガラスとの間に少なくとも1回の接合界面を有する積層プラスチック材料、無機層と有機層を交互に積層することで、少なくとも1回以上の接合界面を有するバリア性能を有する複合材料等が挙げられる。   As a composite material of an inorganic material and a resin, a composite plastic material of a resin and the following inorganic material can be given. That is, composite plastic material of resin and silicon oxide particles, composite plastic material of resin and metal nanoparticles, composite plastic material of resin and inorganic oxide nanoparticles, composite plastic material of resin and inorganic nitride nanoparticles, Composite plastic material of resin and carbon fiber, Composite plastic material of resin and carbon nanotube, Composite plastic material of resin and glass ferrule, Composite plastic material of resin and glass fiber, Composite plastic material of resin and glass bead , Composite plastic material of resin and clay mineral, composite plastic material of resin and particles having mica derivative crystal structure, laminated plastic material having at least one bonding interface between resin and thin glass, inorganic layer and organic By laminating layers alternately, at least once Like composite materials having a barrier property having a bonding interface is.

ステンレス基板またはステンレスと異種金属とを積層した金属多層基板、アルミニウム基板または表面に酸化処理(例えば陽極酸化処理)を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化皮膜付きのアルミニウム基板等を用いてもよい。   Using a stainless steel substrate or a metal multilayer substrate in which stainless steel and a dissimilar metal are laminated, an aluminum substrate, or an aluminum substrate with an oxide film whose surface insulation is improved by subjecting the surface to oxidation treatment (for example, anodization treatment). Also good.

なお、樹脂または樹脂複合材料からなる基板(樹脂基板または樹脂複合材料基板)は、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、および低吸湿性等に優れていることが好ましい。樹脂基板および樹脂複合材料基板は、水分、酸素等の透過を防止するためのガスバリア層や、樹脂基板の平坦性や下部電極との密着性を向上するためのアンダーコート層等を備えていてもよい。
また基板上に、下部電極、絶縁膜等を備えていてもよく、その場合には基板上の下部電極や絶縁膜上に半導体量子ドット分散液が付与される。
A substrate made of resin or resin composite material (resin substrate or resin composite material substrate) is excellent in heat resistance, dimensional stability, solvent resistance, electrical insulation, workability, low air permeability, low moisture absorption, etc. It is preferable. The resin substrate and the resin composite material substrate may include a gas barrier layer for preventing permeation of moisture, oxygen, etc., an undercoat layer for improving the flatness of the resin substrate and the adhesion to the lower electrode, and the like. Good.
In addition, a lower electrode, an insulating film, or the like may be provided on the substrate. In that case, a semiconductor quantum dot dispersion liquid is applied to the lower electrode or the insulating film on the substrate.

基板の厚みに特に制限はないが、50μm〜1000μmが好ましく、50μm〜500μmであることがより好ましい。基板の厚みが50μm以上であると、基板自体の平坦性が向上し、基板の厚みが1000μm以下であると、基板自体の可撓性が向上し、半導体膜をフレキシブル半導体デバイスとして使用することがより容易となる。   Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a board | substrate, 50 micrometers-1000 micrometers are preferable, and it is more preferable that they are 50 micrometers-500 micrometers. When the thickness of the substrate is 50 μm or more, the flatness of the substrate itself is improved, and when the thickness of the substrate is 1000 μm or less, the flexibility of the substrate itself is improved and the semiconductor film can be used as a flexible semiconductor device. It becomes easier.

半導体量子ドット分散液を基板上に付与する手法は、特に限定はなく、半導体量子ドット分散液を基板上に塗布する方法、基板を半導体量子ドット分散液に浸漬する方法等が挙げられる。
半導体量子ドット分散液を基板上に塗布する方法としては、より具体的には、スピンコート法、ディップ法、インクジェット法、ディスペンサー法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、スプレーコート法等の液相法を用いることができる。
特に、インクジェット法、ディスペンサー法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、及び、凹版印刷法は、基板上の任意の位置に塗布膜を形成することができ、且つ、成膜後のパターンニング工程が不要なことから、プロセスコストを低減することができる。
The method for applying the semiconductor quantum dot dispersion on the substrate is not particularly limited, and examples thereof include a method of applying the semiconductor quantum dot dispersion on the substrate, a method of immersing the substrate in the semiconductor quantum dot dispersion, and the like.
More specifically, as a method of applying the semiconductor quantum dot dispersion liquid on the substrate, spin coating method, dipping method, ink jet method, dispenser method, screen printing method, letterpress printing method, intaglio printing method, spray coating method, etc. The liquid phase method can be used.
In particular, the inkjet method, the dispenser method, the screen printing method, the relief printing method, and the intaglio printing method can form a coating film at an arbitrary position on the substrate and do not require a patterning step after the film formation. Therefore, the process cost can be reduced.

〔配位子交換工程〕
配位子交換工程では、半導体量子ドット集合体形成工程によって、基板上に形成された半導体量子ドットの集合体に、第1の配位子よりも分子鎖長が短く、かつ、一般式(A)で表される配位子、一般式(B)で表される配位子、および一般式(C)で表される配位子から選択される少なくとも1種である第2の配位子及び第2の溶媒を含有する溶液を付与して、半導体量子ドットに配位する第1の配位子を、配位子溶液に含有される第2の配位子(特定配位子)に交換する。
[Ligand exchange step]
In the ligand exchange step, the semiconductor quantum dot aggregate formed on the substrate by the semiconductor quantum dot aggregate formation step has a molecular chain length shorter than that of the first ligand, and a general formula (A ), A ligand represented by the general formula (B), and a second ligand that is at least one selected from a ligand represented by the general formula (C) And a solution containing the second solvent, the first ligand coordinated to the semiconductor quantum dots as the second ligand (specific ligand) contained in the ligand solution Exchange.

−配位子溶液−
配位子溶液は、第2の配位子(特定配位子)と、第2の溶媒とを、少なくとも含有する。
配位子溶液は、本発明の効果を損なわない限度において、更に他の成分を含有していてもよい。
-Ligand solution-
The ligand solution contains at least a second ligand (specific ligand) and a second solvent.
The ligand solution may further contain other components as long as the effects of the present invention are not impaired.

(第2の配位子)
第2の配位子は、既述の特定配位子であり、第1の配位子よりも分子鎖長が短かい。配位子の分子鎖長の長短の判断手法は、第1の配位子の説明において記載したとおりである。
また、特定配位子の詳細も、既述のとおりである。
なお、配位子溶液が含有する第2の溶媒として、アルコールを用いる場合は、特定配位子は、分子中にヒドロキシ基(OH)を有することが好ましい。特定配位子が分子構造内にヒドロキシ基を有することで、アルコールとの混和性を高めることができる。また、ヒドロキシ基を有する特定配位子を含有する配位子溶液によって、半導体量子ドットの配位子交換を行う場合は、第2の溶媒としてアルコールを用いると、配位子交換を効率的に行うことができる。
(Second ligand)
The second ligand is the specific ligand described above, and the molecular chain length is shorter than that of the first ligand. The method for determining the length of the molecular chain length of the ligand is as described in the description of the first ligand.
The details of the specific ligand are also as described above.
In addition, when using alcohol as a 2nd solvent which a ligand solution contains, it is preferable that a specific ligand has a hydroxyl group (OH) in a molecule | numerator. When the specific ligand has a hydroxy group in the molecular structure, miscibility with alcohol can be increased. Moreover, when performing ligand exchange of a semiconductor quantum dot by the ligand solution containing the specific ligand which has a hydroxyl group, when alcohol is used as a 2nd solvent, ligand exchange is efficiently performed. It can be carried out.

配位子溶液中の特定配位子の含有量は、配位子溶液全体積に対し、5mmol/l〜200mmol/lであることが好ましく、10mmol〜100mmol/lであることがより好ましい。   The content of the specific ligand in the ligand solution is preferably 5 mmol / l to 200 mmol / l, and more preferably 10 mmol to 100 mmol / l with respect to the total volume of the ligand solution.

(第2の溶媒)
配位子溶液が含有する第2の溶媒は、特に制限されないが、特定配位子を溶解し易い溶媒であることが好ましい。
このような溶媒としては、誘電率が高い有機溶媒が好ましく、エタノール、アセトン、メタノール、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ブタノール、プロパノール等が挙げられる。
第2の溶媒は、1種のみであってもよいし、2種以上を混合した混合溶媒であってもよい。
(Second solvent)
The second solvent contained in the ligand solution is not particularly limited, but is preferably a solvent that easily dissolves the specific ligand.
Such a solvent is preferably an organic solvent having a high dielectric constant, and examples thereof include ethanol, acetone, methanol, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, butanol, and propanol.
Only 1 type may be sufficient as a 2nd solvent, and the mixed solvent which mixed 2 or more types may be sufficient as it.

第2の溶媒は、以上の中でも、形成される半導体膜中に残存し難い溶媒が好ましい。乾燥し易く、洗浄により除去し易いとの観点から、低沸点のアルコール、または、アルカンが好ましく、メタノール、エタノール、n−ヘキサン、またはn−オクタンがより好ましい。
また、第2の溶媒は、第1の溶媒とは交じり合わないことが好ましく、例えば、第1の溶媒として、ヘキサン、オクタン等のアルカンを用いた場合は、第2の溶媒は、メタノール、アセトン等の極性溶媒を用いることが好ましい。
なお、配位子溶液中の第2の溶媒の含有量は、配位子溶液全質量から特定配位子の含有量を差し引いた残部である。
Among the above, the second solvent is preferably a solvent that hardly remains in the formed semiconductor film. From the viewpoint of easy drying and easy removal by washing, alcohol or alkane having a low boiling point is preferable, and methanol, ethanol, n-hexane, or n-octane is more preferable.
In addition, the second solvent is preferably not mixed with the first solvent. For example, when an alkane such as hexane or octane is used as the first solvent, the second solvent is methanol or acetone. It is preferable to use a polar solvent such as
In addition, content of the 2nd solvent in a ligand solution is the remainder which deducted content of the specific ligand from the ligand solution total mass.

配位子溶液を、半導体量子ドットの集合体に付与する方法は、半導体量子ドット分散液を基板上に付与する手法と同様であり、好ましい態様も同様である。   The method for applying the ligand solution to the aggregate of semiconductor quantum dots is the same as the method for applying the semiconductor quantum dot dispersion on the substrate, and the preferred embodiment is also the same.

半導体量子ドット集合体形成工程と、配位子交換工程とは、繰り返し行ってもよい。半導体量子ドット集合体形成工程と、配位子交換工程とを繰り返し行うことで、特定配位子が配位した半導体量子ドットの集合体を有する半導体膜の電気伝導度を高め、半導体膜の厚みを厚くすることができる。
半導体量子ドット集合体形成工程、および、配位子交換工程の繰り返しは、それぞれの工程を別途独立に繰り返してもよいが、半導体量子ドット集合体形成工程を行ってから配位子交換工程を行うサイクルを繰り返すことが好ましい。半導体量子ドット集合体形成工程と配位子交換工程とのセットで繰り返すことで、配位子交換のムラを抑制し易くなる。
なお、半導体量子ドット集合体形成工程および配位子交換工程を繰り返して行う場合は、1サイクルごとに十分に膜乾燥を行うことが好ましい。
The semiconductor quantum dot assembly forming step and the ligand exchange step may be repeated. By repeating the semiconductor quantum dot assembly formation step and the ligand exchange step, the electrical conductivity of the semiconductor film having an assembly of semiconductor quantum dots coordinated with a specific ligand is increased, and the thickness of the semiconductor film is increased. Can be thickened.
The semiconductor quantum dot assembly formation step and the ligand exchange step may be repeated separately, but the ligand exchange step is performed after the semiconductor quantum dot assembly formation step is performed. It is preferable to repeat the cycle. By repeating the set of the semiconductor quantum dot assembly forming step and the ligand exchange step, unevenness of ligand exchange can be easily suppressed.
In addition, when performing a semiconductor quantum dot aggregate formation process and a ligand exchange process repeatedly, it is preferable to fully dry a film | membrane for every cycle.

半導体量子ドット集合体の配位子交換における特定配位子への交換率が高いほど、半導体膜の光電流値が大きくなることが期待される。
なお、半導体量子ドットの、第1の配位子と第2の配位子(特定配位子)との配位子交換は、半導体量子ドット集合体の少なくとも一部において行われていれば足り、100%(個数)が特定配位子に取って代わっていなくてもよい。
It is expected that the photocurrent value of the semiconductor film increases as the exchange rate of the semiconductor quantum dot aggregate to the specific ligand in the ligand exchange increases.
In addition, it is sufficient that the ligand exchange between the first ligand and the second ligand (specific ligand) of the semiconductor quantum dot is performed in at least a part of the semiconductor quantum dot assembly. , 100% (number) may not replace the specific ligand.

(洗浄工程)
さらに、本発明の半導体膜の製造方法は、基板上の半導体量子ドット集合体を洗浄する洗浄工程を有していてもよい。
洗浄工程を有することで、過剰な配位子および半導体量子ドットから脱離した配位子を除去することができる。また、残存した溶媒、その他不純物を除去することができる。半導体量子ドット集合体の洗浄は、半導体量子ドットの集合体上に、第1の溶媒および第2の溶媒の少なくとも一方を注いだり、半導体量子ドット集合体または半導体膜が形成された基板を、第1の溶媒および第2の溶媒の少なくとも一方に浸漬すればよい。
洗浄工程による洗浄は、半導体量子ドット集合体形成工程の後に行ってもよいし、配位子交換工程の後に行ってもよい。また、半導体量子ドット集合体形成工程と配位子交換工程とのセットの繰り返しの後に行ってもよい。
(Washing process)
Furthermore, the manufacturing method of the semiconductor film of this invention may have the washing | cleaning process of wash | cleaning the semiconductor quantum dot aggregate | assembly on a board | substrate.
By having the washing step, excess ligands and ligands desorbed from the semiconductor quantum dots can be removed. Further, the remaining solvent and other impurities can be removed. The cleaning of the semiconductor quantum dot aggregate is performed by pouring at least one of the first solvent and the second solvent on the semiconductor quantum dot aggregate, or by removing the substrate on which the semiconductor quantum dot aggregate or the semiconductor film is formed. What is necessary is just to immerse in at least one of 1 solvent and 2nd solvent.
The cleaning by the cleaning process may be performed after the semiconductor quantum dot assembly forming process or may be performed after the ligand exchange process. Moreover, you may carry out after the repetition of the set of a semiconductor quantum dot aggregate formation process and a ligand exchange process.

(乾燥工程)
本発明の半導体膜の製造方法は、乾燥工程を有していてもよい。
乾燥工程は、半導体量子ドット集合体形成工程の後に、半導体量子ドット集合体に残存する溶媒を乾燥する分散液乾燥工程であってもよいし、配位子交換工程の後に、配位子溶液を乾燥する溶液乾燥工程であってもよい。また、半導体量子ドット集合体形成工程と配位子交換工程とのセットの繰り返しの後に行う総合的な工程であってもよい。
(Drying process)
The manufacturing method of the semiconductor film of this invention may have a drying process.
The drying step may be a dispersion drying step for drying the solvent remaining in the semiconductor quantum dot assembly after the semiconductor quantum dot assembly forming step, or the ligand solution may be replaced with a ligand solution after the ligand exchange step. It may be a solution drying step for drying. Moreover, the comprehensive process performed after the repetition of the set of a semiconductor quantum dot aggregate formation process and a ligand exchange process may be sufficient.

以上説明した各工程を経ることによって、基板上に半導体膜が製造される。
得られた半導体膜は、半導体量子ドット同士が従来よりも短い特定配位子で配位結合が結ばれているため、電気伝導性が高く、高い光電流値が得られる。また、特定配位子は、錯安定度定数が高いため半導体量子ドットと特定配位子とによって構成される本発明の半導体膜は配位結合が安定しており、膜強度にも優れ、膜剥がれも抑制される。
A semiconductor film is manufactured on the substrate through the steps described above.
The obtained semiconductor film has high electrical conductivity and a high photocurrent value because the semiconductor quantum dots are coordinated with a specific ligand that is shorter than the conventional one. In addition, since the specific ligand has a high complex stability constant, the semiconductor film of the present invention composed of the semiconductor quantum dots and the specific ligand has stable coordination bonds, excellent film strength, Peeling is also suppressed.

<電子デバイス>
本発明の半導体膜の用途は限定されないが、本発明の半導体膜は光電変換特性を有し、剥離が生じ難いため、半導体膜又は光電変換膜を有する各種電子デバイスに好適に適用することができる。
具体的には、本発明の半導体膜は、太陽電池の光電変換膜、発光ダイオード(LED)、薄膜トランジスタの半導体層(活性層)、間接型放射線撮像装置の光電変膜、可視〜赤外領域の光検出器等に好適に適用することができる。
<Electronic device>
Although the use of the semiconductor film of the present invention is not limited, the semiconductor film of the present invention has photoelectric conversion characteristics and hardly peels off, and thus can be suitably applied to various electronic devices having a semiconductor film or a photoelectric conversion film. .
Specifically, the semiconductor film of the present invention includes a photoelectric conversion film of a solar cell, a light emitting diode (LED), a semiconductor layer (active layer) of a thin film transistor, a photoelectric conversion film of an indirect radiation imaging apparatus, and a visible to infrared region. It can be suitably applied to a photodetector or the like.

<太陽電池>
本発明の半導体膜、または、本発明の半導体膜の製造方法により製造された半導体膜を備えた電子デバイスの一例として、太陽電池について説明する。
例えば、本発明の半導体膜を含むp型半導体層と、n型半導体層とを備えるpn接合を有する半導体膜デバイスを用いて、pn接合型太陽電池とすることができる。
pn接合型太陽電池のより具体的な実施形態としては、例えば、透明基板上に形成された透明導電膜上にp型半導体層およびn型半導体層が隣接して設けられ、p型半導体層およびn型半導体層の上に金属電極を形成する形態が挙げられる。
<Solar cell>
A solar cell will be described as an example of an electronic device including the semiconductor film of the present invention or the semiconductor film manufactured by the method of manufacturing a semiconductor film of the present invention.
For example, a pn junction solar cell can be obtained by using a semiconductor film device having a pn junction including a p-type semiconductor layer including the semiconductor film of the present invention and an n-type semiconductor layer.
As a more specific embodiment of the pn junction solar cell, for example, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are provided adjacent to each other on a transparent conductive film formed on a transparent substrate. A form in which a metal electrode is formed on the n-type semiconductor layer can be mentioned.

pn接合型太陽電池の一例を、図1を用いて説明する。
図1に、本発明の実施形態に係るpn接合型太陽電池100の模式断面図を示す。pn接合型太陽電池100は、透明基板10と、透明基板10上に設けられた透明導電膜12と、透明導電膜12上に本発明の半導体膜で構成されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に、n型半導体層16と、n型半導体層16上に設けられた金属電極18とが積層されて構成される。
p型半導体層14とn型半導体層16とが隣接して積層されることで、pn接合型の太陽電池とすることができる。
An example of a pn junction solar cell will be described with reference to FIG.
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a pn junction solar cell 100 according to an embodiment of the present invention. A pn junction solar cell 100 includes a transparent substrate 10, a transparent conductive film 12 provided on the transparent substrate 10, a p-type semiconductor layer 14 formed of the semiconductor film of the present invention on the transparent conductive film 12, and p An n-type semiconductor layer 16 and a metal electrode 18 provided on the n-type semiconductor layer 16 are stacked on the type semiconductor layer 14.
When the p-type semiconductor layer 14 and the n-type semiconductor layer 16 are laminated adjacent to each other, a pn junction solar cell can be obtained.

透明基板10としては、透明であれば、本発明の半導体膜の製造方法で用いる基板と同じ材料を用いることができる。具体的には、ガラス基板、樹脂基板等が挙げられる。本発明では、
透明導電膜12としては、In:Sn(ITO)、SnO:Sb、SnO:F、ZnO:Al、ZnO:F、CdSnO等により構成される膜が挙げられる。
As the transparent substrate 10, the same material as the substrate used in the method for producing a semiconductor film of the present invention can be used as long as it is transparent. Specifically, a glass substrate, a resin substrate, etc. are mentioned. In the present invention,
Examples of the transparent conductive film 12 include films made of In 2 O 3 : Sn (ITO), SnO 2 : Sb, SnO 2 : F, ZnO: Al, ZnO: F, CdSnO 4, and the like.

p型半導体層14は、既述のように、本発明の半導体膜を用いる。
n型半導体層16としては金属酸化物が好ましい。具体的には、Ti、Zn、Sn、Inの少なくとも一つを含む金属の酸化物が挙げられ、より具体的には、TiO、ZnO、SnO、IGZO等が挙げられる。n型半導体層は、製造コストの観点から、p型半導体層と同様に、湿式法(液相法ともいう)で形成されることが好ましい。
金属電極18としては、Pt、Al、Cu、Ti、Ni等を使用することができる。
As described above, the semiconductor film of the present invention is used for the p-type semiconductor layer 14.
The n-type semiconductor layer 16 is preferably a metal oxide. Specific examples include metal oxides containing at least one of Ti, Zn, Sn, and In, and more specific examples include TiO 2 , ZnO, SnO 2 , and IGZO. The n-type semiconductor layer is preferably formed by a wet method (also referred to as a liquid phase method) in the same manner as the p-type semiconductor layer from the viewpoint of manufacturing cost.
As the metal electrode 18, Pt, Al, Cu, Ti, Ni, or the like can be used.

以下に実施例を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。   Examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

<半導体膜デバイスの作製>
〔半導体量子ドット分散液1の調製〕
まず、PbS粒子をトルエンに分散したPbS粒子分散液を用意した。PbS粒子分散液は、EvIdent technology社製のPbSコアエヴィドット(公称粒径3.3nm、20mg/ml、溶媒トルエン)を用いた。
次いで、遠沈管に、PbS粒子分散液2mlを取り、38μlのオレイン酸を添加した後、さらに20mlのトルエンを加えて分散液の濃度を薄めた。その後、PbS粒子分散液について超音波分散を行い、PbS粒子分散液をよく攪拌させた。次に、PbS粒子分散液にエタノール40mlを加えて、更に超音波分散を行い、10000rpm、10分、3℃の条件で遠心分離を行った。遠沈管中の上澄みを廃棄した後、遠沈管にオクタンを20ml加えて超音波分散を行い、沈殿した量子ドットをオクタン溶媒によく分散させた。得られた分散物について、ロータリーエバポレーター(35hpa、40℃)を用いて、溶液の濃縮を行い、結果としておよそ10mg/ml濃度の半導体量子ドット分散液1(オクタン溶媒)を4ml程度得た。
半導体量子ドット分散液1に含まれるPbS粒子の平均粒径は3nmであった。
なお、半導体量子ドットの平均粒径は、TEM(Transmission Electron Microscope
;透過型電子顕微鏡)測定における写真観察により、半導体量子ドット10個の平均として算出した。測定装置にはFEI社製 TITAN80−300を用いた。
<Fabrication of semiconductor film device>
[Preparation of Semiconductor Quantum Dot Dispersion 1]
First, a PbS particle dispersion in which PbS particles were dispersed in toluene was prepared. As the PbS particle dispersion, PbS core Evidot (nominal particle size: 3.3 nm, 20 mg / ml, solvent toluene) manufactured by Evdent technology was used.
Next, 2 ml of the PbS particle dispersion was taken into the centrifuge tube, 38 μl of oleic acid was added, and then 20 ml of toluene was added to dilute the concentration of the dispersion. Thereafter, ultrasonic dispersion was performed on the PbS particle dispersion, and the PbS particle dispersion was thoroughly stirred. Next, 40 ml of ethanol was added to the PbS particle dispersion, followed by ultrasonic dispersion, and centrifugation was performed at 10,000 rpm, 10 minutes, and 3 ° C. After discarding the supernatant in the centrifuge tube, 20 ml of octane was added to the centrifuge tube and subjected to ultrasonic dispersion, and the precipitated quantum dots were well dispersed in the octane solvent. The obtained dispersion was concentrated using a rotary evaporator (35 hpa, 40 ° C.), and as a result, about 4 ml of semiconductor quantum dot dispersion 1 (octane solvent) having a concentration of about 10 mg / ml was obtained.
The average particle diameter of the PbS particles contained in the semiconductor quantum dot dispersion liquid 1 was 3 nm.
The average particle size of the semiconductor quantum dots is TEM (Transmission Electron Microscope).
The average of 10 semiconductor quantum dots by photographic observation in the transmission electron microscope) measurement. A TEI 80-300 manufactured by FEI Co. was used as a measuring device.

〔半導体量子ドット分散液2の調製〕
まず、InP粒子を合成し、オレイルアミンが配位したInP粒子のオクタン分散液を調製した。
[Preparation of Semiconductor Quantum Dot Dispersion 2]
First, InP particles were synthesized, and an octane dispersion of InP particles coordinated with oleylamine was prepared.

−オレイルアミン修飾InP粒子のオクタン分散液の調製−
グローブボックス中、Nガス雰囲気下で、三つ口丸底フラスコに、1−オクタデセン30ml、オレイルアミン1.81ml、無水塩化インジウム0.60g、トリスジメチルアミノホスフィン0.49ml、およびマグネット撹拌子を入れた。次いで、三つ口丸底フラスコを三方弁付きの栓で密閉した状態でグローブボックスから取り出し、マグネットスターラー付きアルミブロック恒温槽にセットした。その後、三方弁を操作してフラスコ内にNガスを通気し、マグネット撹拌子で混合物を激しく撹拌しながら、アルミブロック恒温槽の加熱を開始した。アルミブロック恒温槽の温度は、約30分で150℃まで昇温し、そのまま5時間保持した。その後、加熱を停止して、三つ口丸底フラスコを、送風ファンを用いて室温まで冷却した。
-Preparation of octane dispersion of oleylamine modified InP particles-
In a glove box under a N 2 gas atmosphere, put 30 ml of 1-octadecene, 1.81 ml of oleylamine, 0.60 g of anhydrous indium chloride, 0.49 ml of trisdimethylaminophosphine, and a magnetic stirring bar in a three-necked round bottom flask. It was. Next, the three-necked round bottom flask was taken out from the glove box in a state of being sealed with a stopper with a three-way valve, and set in an aluminum block thermostat with a magnetic stirrer. Thereafter, the three-way valve was operated, N 2 gas was passed through the flask, and heating of the aluminum block thermostatic bath was started while the mixture was vigorously stirred with a magnetic stirring bar. The temperature of the aluminum block thermostat was raised to 150 ° C. in about 30 minutes and held there for 5 hours. Thereafter, the heating was stopped, and the three-necked round bottom flask was cooled to room temperature using a blower fan.

三つ口丸底フラスコ内から生成物を取り出し、遠心分離機を用いた遠心分離により未反応物と副生成物を除去した。良溶媒として超脱水トルエンを用い、貧溶媒として脱水エタノールを用いて、生成物(InP粒子)を精製した。具体的には、生成物を良溶媒に溶解し、InP粒子溶解物を貧溶媒に再分散し、得られたInP粒子分散液を遠心分離する処理を繰り返した。なお、再分散には超音波洗浄機を用いた。InP粒子分散液の遠心分離を繰り返した後、InP粒子分散液中に残った脱水エタノールは、ロータリーエバポレーターを用いて減圧蒸留して取り除いた。最後にオクタンに、抽出したInP粒子を分散させたオレイルアミン修飾InP粒子濃度が1mg/mlのオクタン分散液を得た。
得られたInP粒子をTEM観察したところ、平均粒径が約4nmの粒子であった。
The product was taken out from the three-necked round bottom flask, and unreacted products and by-products were removed by centrifugation using a centrifuge. The product (InP particles) was purified using ultra-dehydrated toluene as a good solvent and dehydrated ethanol as a poor solvent. Specifically, the process of dissolving the product in a good solvent, redispersing the dissolved InP particles in a poor solvent, and centrifuging the resulting InP particle dispersion was repeated. An ultrasonic cleaner was used for redispersion. After repeated centrifugation of the InP particle dispersion, dehydrated ethanol remaining in the InP particle dispersion was removed by distillation under reduced pressure using a rotary evaporator. Finally, an octane dispersion having an oleylamine-modified InP particle concentration of 1 mg / ml in which the extracted InP particles were dispersed in octane was obtained.
Observation of the obtained InP particles by TEM revealed that the average particle size was about 4 nm.

−半導体量子ドット分散液2の調製−
半導体量子ドット分散液1の調製において、PbS粒子分散液に代えて、オレイルアミン修飾InP粒子のオクタン分散液を用いたほかは同様にして、InP粒子濃度が1mg/1mlの半導体量子ドット分散液2を調製した。
-Preparation of semiconductor quantum dot dispersion 2-
In the preparation of the semiconductor quantum dot dispersion 1, the semiconductor quantum dot dispersion 2 having an InP particle concentration of 1 mg / 1 ml was similarly used except that an octane dispersion of oleylamine-modified InP particles was used instead of the PbS particle dispersion. Prepared.

〔配位子溶液の調製〕
表1の「配位子」欄の「化合物名」欄に示す配位子を1mmol取り分け、10mlのメタノールに溶かし、0.1mol/l濃度の配位子溶液を調製した。配位子溶液中の配位子の溶解を促進するため、超音波照射し、可能な限り配位子の溶け残りがないようにした。
(Preparation of ligand solution)
1 mmol of the ligands shown in the “Compound Name” column of the “Ligand” column of Table 1 was separated and dissolved in 10 ml of methanol to prepare a ligand solution having a concentration of 0.1 mol / l. In order to promote the dissolution of the ligand in the ligand solution, ultrasonic irradiation was performed so that the ligand remained as little as possible.

〔基板〕
基板は、石英ガラス上に、図2に示す65対のくし型白金電極を有する基板を準備した。くし型白金電極は、BAS社製のくし型電極(型番012126、電極間隔5μm)を用いた。
〔substrate〕
As the substrate, a substrate having 65 pairs of comb-shaped platinum electrodes shown in FIG. 2 on a quartz glass was prepared. As the comb-type platinum electrode, a comb-type electrode (model number 012126, electrode interval 5 μm) manufactured by BAS was used.

〔半導体膜の製造〕
(1)半導体量子ドット集合体形成工程
調製した半導体量子ドット分散液1または半導体量子ドット分散液2を基板に滴下後、2500rpmでスピンコートし、半導体量子ドット集合体膜を得た。
[Manufacture of semiconductor films]
(1) Semiconductor quantum dot aggregate formation process The prepared semiconductor quantum dot dispersion liquid 1 or semiconductor quantum dot dispersion liquid 2 was dropped on a substrate, and then spin coated at 2500 rpm to obtain a semiconductor quantum dot aggregate film.

(2)配位子交換工程
さらに、半導体量子ドット集合体膜の上に、表1に示す配位子のメタノール溶液(配位子溶液)を滴下した後、2500rpmでスピンコートし、半導体膜を得た。
(2) Ligand exchange step Further, a methanol solution (ligand solution) of the ligands shown in Table 1 is dropped on the semiconductor quantum dot assembly film, and then spin-coated at 2500 rpm to form the semiconductor film. Obtained.

(3)洗浄工程1
次いで、配位子溶液の溶媒であるメタノールだけを半導体膜上に滴下し、スピンコートした。
(3) Cleaning process 1
Next, only methanol, which is a solvent for the ligand solution, was dropped on the semiconductor film and spin-coated.

(4)洗浄工程2
さらに、洗浄工程1による洗浄後の半導体膜に、オクタン溶媒だけを滴下し、スピンコートした。
(4) Cleaning process 2
Furthermore, only the octane solvent was dropped on the semiconductor film after the cleaning in the cleaning step 1 and spin-coated.

(1)〜(4)の一連の工程を15サイクル繰り返すことで、PbS量子ドットの集合体からなり、配位子交換が施された厚み100nmの半導体膜を得た。
以上のようにして、基板上に半導体膜を有する半導体膜デバイスを作製した。
By repeating the series of steps (1) to (4) for 15 cycles, a semiconductor film having a thickness of 100 nm made of an assembly of PbS quantum dots and subjected to ligand exchange was obtained.
As described above, a semiconductor film device having a semiconductor film on a substrate was produced.

実施例および比較例における、半導体量子ドット分散液と、配位子溶液との組み合わせは、表1に示すとおりである。表1において、「半導体量子ドット」欄の「種」欄に、「PbS」と示されているのは、半導体量子ドット分散液1を用い、「InP」と示されているのは、半導体量子ドット分散液2を用いた。
また、配位子溶液に含まれる配位子の種類は、表1の「配位子」欄の「化合物名」欄に示す配位子である。
Table 1 shows the combinations of the semiconductor quantum dot dispersion liquid and the ligand solution in Examples and Comparative Examples. In Table 1, “PbS” in the “seed” column of the “semiconductor quantum dot” column uses the semiconductor quantum dot dispersion 1, and “InP” indicates the semiconductor quantum dot Dot dispersion 2 was used.
The types of ligands contained in the ligand solution are the ligands shown in the “Compound Name” column of the “Ligand” column of Table 1.

なお、「配位子」「一般式」「種」欄の「A」は、配位子が一般式(A)で表されることを意味し、「B」は、配位子が一般式(B)で表されることを意味し、「C」は、配位子が一般式(C)で表されることを意味する。一般式(A)〜(C)で表せない配位子は「−」とした。また、「A数」は、A、AまたはAの原子数を表し、「B数」は、BまたはBの原子数を表す。 Note that “A” in the “ligand”, “general formula”, and “seed” columns means that the ligand is represented by the general formula (A), and “B” means that the ligand is represented by the general formula. It means that it is represented by (B), and “C” means that the ligand is represented by the general formula (C). Ligands that cannot be represented by the general formulas (A) to (C) were indicated as “−”. “Number of A” represents the number of atoms of A 1 , A 2 or A 3 , and “Number of B” represents the number of atoms of B 1 or B 2 .

<半導体膜の評価>
得られた半導体膜デバイスの半導体膜について、種々の評価を行った。
<Evaluation of semiconductor film>
Various evaluation was performed about the semiconductor film of the obtained semiconductor film device.

1.電気伝導性
作製した半導体膜デバイスについて半導体パラメータアナライザーを用いることで、半導体膜の電気伝導性の評価を行った。
まず、半導体膜デバイスに光を照射しない状態で電極への印加電圧を−5〜5Vの間で掃引し、暗状態でのI−V特性を取得した。+5Vのバイアスを印加した状態での電流値を暗電流の値Idとして採用した。
次に、半導体膜デバイスにモノクロ光(照射強度1013フォトン)を照射した状態での光電流値を評価した。なお、半導体膜デバイスへのモノクロ光の照射には、図3に示す装置を用いて行った。モノクロ光の波長は280nm〜700nmの間で系統的に変化させた。280nmの波長の光を照射した場合の暗電流からの電流の増加分を光電流値Ipとした。
評価結果を、表1に示す。
1. Electrical conductivity The electrical conductivity of the semiconductor film was evaluated by using a semiconductor parameter analyzer for the produced semiconductor film device.
First, the voltage applied to the electrode was swept between −5 to 5 V without irradiating the semiconductor film device with light, and the IV characteristics in the dark state were obtained. The current value with a +5 V bias applied was adopted as the dark current value Id.
Next, to evaluate the photocurrent values while irradiating monochromatic light (irradiation intensity 10 13 photons) to the semiconductor film device. Note that the apparatus shown in FIG. 3 was used to irradiate the semiconductor film device with monochromatic light. The wavelength of the monochromatic light was systematically changed between 280 nm and 700 nm. The increase in current from the dark current when irradiating light with a wavelength of 280 nm was taken as the photocurrent value Ip.
The evaluation results are shown in Table 1.

2.基板からの膜剥がれ
実施例および比較例の半導体膜デバイスについて、目視により、半導体膜の膜剥がれを評価した。膜剥がれの有無を表1に示す。
2. Film peeling from substrate For the semiconductor film devices of Examples and Comparative Examples, the film peeling of the semiconductor film was evaluated by visual observation. Table 1 shows the presence or absence of film peeling.

3.錯安定度(logβ
実施例3の半導体膜が有する配位子の錯安定度定数(logβ)は、Sc−Databese ver.5.85 (Academic Software)(2010)を検索したところ、logβ=8.5であった。
3. Complex stability (log β 1 )
The complex stability constant (log β 1 ) of the ligand included in the semiconductor film of Example 3 was determined using Sc-Database ver. When 5.85 (Academic Software) (2010) was searched, log β 1 = 8.5.

表1に示されるように、半導体量子ドットに配位するオレイン酸配位子を配位子交換して、一般式(A)〜(C)で表される特定配位子で半導体量子ドットを結ぶことで、従来のエタンジチオールが配位した半導体膜(比較例1)に対して、高いIp/Id-が得られることが分かった。
また、エタンジチオールが配位した半導体膜については、肉眼で顕著な膜剥がれが生じているのに対し、実施例の半導体膜デバイスは膜剥がれが認められず、高いラフネスが実現された。
As shown in Table 1, the oleic acid ligand coordinated to the semiconductor quantum dot is subjected to ligand exchange, and the semiconductor quantum dot is formed with the specific ligand represented by the general formulas (A) to (C). It was found that high Ip / Id can be obtained by tying the semiconductor film (Comparative Example 1) to which the conventional ethanedithiol is coordinated.
In addition, as for the semiconductor film coordinated with ethanedithiol, remarkable film peeling occurred with the naked eye, whereas in the semiconductor film device of the example, no film peeling was observed, and high roughness was realized.

このように半導体量子ドットに、特定配位子を配位させた半導体膜を作製することによって、高いIp/Idが実現できると共に膜剥がれが抑制されることが示された。   Thus, it was shown that by producing a semiconductor film in which a specific ligand is coordinated to a semiconductor quantum dot, high Ip / Id can be realized and film peeling is suppressed.

4.半導体量子ドットにおける発光スペクトル
表1に示される実施例および比較例の評価結果からわかるように、特定配位子を用いて半導体量子ドット同士を近接化することで、半導体膜の電気伝導性を向上することができる。しかし、その一方で、半導体量子ドット同士が近接化し過ぎると、半導体量子ドットの凝集化を生じ易い。半導体量子ドットは、凝集することでバルクのような性質になってしまうことが予想される。
半導体膜は、良好な電気特性を示しながらも、半導体量子ドットとしての物性を保持していることが望ましい。特に、半導体膜をLEDまたは太陽電池に応用することを考えた場合には、半導体膜が、半導体量子ドットとしての物性を有していなければ、目的とする波長の吸収や発光を得にくくなる。
4). Emission spectrum of semiconductor quantum dots As can be seen from the evaluation results of the examples and comparative examples shown in Table 1, the electrical conductivity of the semiconductor film is improved by bringing the semiconductor quantum dots close to each other using a specific ligand. can do. However, if the semiconductor quantum dots are too close to each other, the semiconductor quantum dots are likely to be aggregated. Semiconductor quantum dots are expected to become bulky when aggregated.
The semiconductor film desirably retains physical properties as a semiconductor quantum dot while exhibiting good electrical characteristics. In particular, when considering application of a semiconductor film to an LED or a solar cell, it is difficult to obtain absorption and emission of a target wavelength unless the semiconductor film has physical properties as a semiconductor quantum dot.

このことは、配位子を有する半導体量子ドットにおけるPL(Photo Luminescence)スペクトルのピーク波長から判断することができる。
そこで、実施例のうち実施例1〜3、比較例のうち、比較例1〜5における半導体膜のPLスペクトル測定を行った。また、参考のため、配位子交換をせずにオレイン酸が配位したままのPbS半導体量子ドットの膜(比較例9)、およびPbSバルク(比較例10)のPLスペクトルも測定した。
This can be judged from the peak wavelength of a PL (Photo Luminescence) spectrum in a semiconductor quantum dot having a ligand.
Therefore, PL spectra of the semiconductor films in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 among the Examples were measured. For reference, the PL spectra of the PbS semiconductor quantum dot film (Comparative Example 9) and the PbS bulk (Comparative Example 10) with oleic acid coordinated without ligand exchange were also measured.

ここで、比較例9の膜は、実施例1において、「半導体膜の製造」における(1)〜(4)の工程のうち、(2)および(3)の工程を行わずにして得た膜である。なお、比較例9の膜は、半導体量子ドット同士が近接化していないため、電気伝導性を示さない絶縁膜であった。
また、PbSバルクは、一般的なII−VI族半導体でありPbSの単結晶であり、サイズが100nmよりも大きく、量子サイズ効果が生じていない半導体である。
Here, the film of Comparative Example 9 was obtained in Example 1 without performing the processes (2) and (3) among the processes (1) to (4) in “Manufacturing the semiconductor film”. It is a membrane. Note that the film of Comparative Example 9 was an insulating film that did not exhibit electrical conductivity because the semiconductor quantum dots were not close to each other.
The PbS bulk is a general II-VI group semiconductor, which is a single crystal of PbS, has a size larger than 100 nm, and has no quantum size effect.

フォトルミネッセンス測定に用いた実験系のセットアップの構成を図4に概略的に示す。この実験装置は、主に、レーザ照射器20、全反射ミラー22、ダイクロイックミラー24、レンズ26,28、分光器32を備え、レーザ照射器20から発せられたレーザ光が、全反射ミラー22、ダイクロイックミラー24、レンズ26,28を経て、それぞれ測定サンプル(評価用デバイスの半導体膜)30と分光器32に到達する構成を有している。
図5にPLスペクトルを示す。なお、図5には、実施例1(曲線A)、実施例3(曲線B)、比較例1(曲線C)、及び比較例9(曲線D)における各PLスペクトルを示した。
また、各配位子におけるピーク波長を表2にまとめた。
The configuration of the experimental setup used for the photoluminescence measurement is schematically shown in FIG. This experimental apparatus mainly includes a laser irradiator 20, a total reflection mirror 22, a dichroic mirror 24, lenses 26 and 28, and a spectroscope 32. The laser light emitted from the laser irradiator 20 is converted into a total reflection mirror 22, The structure reaches the measurement sample (semiconductor film of the evaluation device) 30 and the spectroscope 32 through the dichroic mirror 24 and the lenses 26 and 28, respectively.
FIG. 5 shows the PL spectrum. In addition, in FIG. 5, each PL spectrum in Example 1 (curve A), Example 3 (curve B), Comparative example 1 (curve C), and Comparative example 9 (curve D) was shown.
In addition, the peak wavelengths in each ligand are summarized in Table 2.

図5、及び表2からわかるように、配位子交換をせずにオレイン酸が配位したままのPbS半導体量子ドット(比較例9)については、ピーク波長が1100nm程度であった。それに対し、実施例1〜3および比較例1〜5の半導体膜では、60nm〜120nm程度、ピーク波長が長波側にシフトしていることが分かる。
ピーク波長の長波長側へのシフトは、配位子交換により、半導体量子ドット同士が近接化したことによって、半導体量子ドットの閉じ込めポテンシャルが減少し、実効的にバンドギャップが低下しているためである。バンドギャップの低下分は、最も大きいもので、およそ100meV程度である。
As can be seen from FIG. 5 and Table 2, the peak wavelength of the PbS semiconductor quantum dots (Comparative Example 9) in which oleic acid was coordinated without ligand exchange was about 1100 nm. On the other hand, in the semiconductor films of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, it can be seen that the peak wavelength is shifted to the long wave side by about 60 nm to 120 nm.
The shift of the peak wavelength to the long wavelength side is because the confinement potential of the semiconductor quantum dots is reduced due to the proximity of the semiconductor quantum dots by ligand exchange, and the band gap is effectively reduced. is there. The decrease in the band gap is the largest and is about 100 meV.

一方、PbSバルク(比較例10)の場合、バンドギャップがおよそ0.37eV程度であることから、発光ピークは3350nm程度に存在する。従って、仮に、半導体膜の半導体量子ドットが凝集体となっていれば、半導体量子ドットの凝集体で構成された半導体膜の発光ピークは、3350nm近辺に現れると考えられる。   On the other hand, in the case of PbS bulk (Comparative Example 10), since the band gap is about 0.37 eV, the emission peak exists at about 3350 nm. Therefore, if the semiconductor quantum dots of the semiconductor film are aggregates, it is considered that the emission peak of the semiconductor film composed of the aggregates of semiconductor quantum dots appears around 3350 nm.

これに対し、実施例1〜3に示すように、特定配位子で配位された半導体量子ドットの半導体膜は、半導体量子ドット間隔が短くなり、半導体量子ドットを介した高い電気伝導特性を示す一方で、半導体量子ドットとしての物性(バンドギャップ等)を保持していることが確認された。   On the other hand, as shown in Examples 1 to 3, the semiconductor film of the semiconductor quantum dots coordinated with a specific ligand has a short semiconductor quantum dot interval, and has high electrical conduction characteristics via the semiconductor quantum dots. On the other hand, it was confirmed that the physical properties (such as a band gap) of the semiconductor quantum dots were retained.

5.半導体量子ドットの平均粒径
半導体量子ドットの平均粒径を、TEM装置により測定した。測定装置には、FEI社製のTITAN80−300を用いた。試料は2種用意した。1つは、半導体量子ドット分散液1を、Si基板上にドロップキャストしたものを、サンプリングナイフで採取して、測定ステージに乗せたものである。もう1つは、エタンジチオールで配位子交換を行ったスピンコート膜を石英ガラス基板上に形成し、同様にサンプリングナイフで採取したものである。後者の試料は、つまり、比較例1の半導体膜の作製において、基板として石英ガラス基板を用いたほかは同様にして得た半導体膜である。
5. Average particle diameter of semiconductor quantum dots The average particle diameter of the semiconductor quantum dots was measured with a TEM apparatus. As a measuring apparatus, TITAN 80-300 manufactured by FEI was used. Two types of samples were prepared. One is a sample obtained by drop-casting the semiconductor quantum dot dispersion 1 on a Si substrate, collected by a sampling knife, and placed on a measurement stage. The other is that a spin coat film having undergone ligand exchange with ethanedithiol is formed on a quartz glass substrate, and is similarly collected with a sampling knife. In other words, the latter sample is a semiconductor film obtained in the same manner except that a quartz glass substrate was used as the substrate in the production of the semiconductor film of Comparative Example 1.

図6に、半導体量子ドット分散液1をドロップキャストした場合のTEM画像を示す。図6から量子ドットの平均粒径(10個平均)が3nmであることが確認された。また、配位子交換をせずに、長鎖脂肪酸であるオレイン酸が配位したままとなっているために、半導体量子ドットの間隔が非常に広い(2nm〜4nm)であることが分かる。   FIG. 6 shows a TEM image when the semiconductor quantum dot dispersion liquid 1 is drop-cast. From FIG. 6, it was confirmed that the average particle diameter (average of 10 dots) of the quantum dots was 3 nm. Moreover, since oleic acid which is a long chain fatty acid remains coordinated without ligand exchange, it can be seen that the interval between the semiconductor quantum dots is very wide (2 nm to 4 nm).

一方、配位子交換を行ったスピンコート膜のTEM画像を図7に示す。Ip/Idがあまり高くないエタンジチオールにより配位している半導体膜ではあるものの、半導体量子ドット間の間隔が狭まり、半導体量子ドット同士が密集するような構造を示していることが分かる。従って、半導体量子ドットに特定配位子が配位した本発明の半導体膜における電気伝導性向上の主要因は、半導体量子ドット同士の近接化であることが確認された。   On the other hand, a TEM image of the spin coat film subjected to ligand exchange is shown in FIG. Although it is a semiconductor film coordinated by ethanedithiol whose Ip / Id is not so high, it can be seen that the structure is such that the intervals between the semiconductor quantum dots are narrowed and the semiconductor quantum dots are densely packed. Therefore, it was confirmed that the main factor of the electrical conductivity improvement in the semiconductor film of the present invention in which the specific ligand is coordinated to the semiconductor quantum dots is the proximity of the semiconductor quantum dots.

14 p型半導体層
16 n型半導体層
20 レーザ照射器
22 全反射ミラー
24 ダイクロイックミラー
26 レンズ
28 レンズ
30 分光器
32 測定用サンプル(半導体膜)
100 pn接合型太陽電池
14 p-type semiconductor layer 16 n-type semiconductor layer 20 laser irradiator 22 total reflection mirror 24 dichroic mirror 26 lens 28 lens 30 spectroscope 32 measurement sample (semiconductor film)
100 pn junction solar cell

Claims (11)

金属原子を有するPbS又はInPを含む半導体量子ドットの集合体と、
前記半導体量子ドットに配位する3−メルカプト−1−プロパノール、チオグリコール酸、3−メルカプト−1−プロパノール誘導体、及びチオグリコール酸誘導体から選択される少なくとも1種の配位子と、
からなる半導体膜。
An assembly of semiconductor quantum dots comprising PbS or InP with metal atoms;
At least one ligand selected from 3-mercapto-1-propanol, thioglycolic acid, a 3-mercapto-1-propanol derivative, and a thioglycolic acid derivative , which is coordinated to the semiconductor quantum dot;
A semiconductor film comprising:
前記配位子と前記半導体量子ドットの金属原子との間の錯安定度定数logβが8以上である請求項1に記載の半導体膜。 The semiconductor film according to claim 1, wherein a complex stability constant logβ 1 between the ligand and the metal atom of the semiconductor quantum dot is 8 or more. 前記半導体量子ドットは、平均粒径が2nm〜15nmである請求項1又は請求項に記載の半導体膜。 The semiconductor quantum dots have an average particle size of 2nm~15nm claim 1 or a semiconductor film according to claim 2. PbS又はInPを含む半導体量子ドット、前記半導体量子ドットに配位した第1の配位子、及び第1の溶媒を含有する半導体量子ドット分散液を基板上に付与して半導体量子ドットの集合体を形成する半導体量子ドット集合体形成工程と、
前記半導体量子ドットの集合体に、前記第1の配位子よりも分子鎖長が短く、かつ、3−メルカプト−1−プロパノール、チオグリコール酸、3−メルカプト−1−プロパノール誘導体、及びチオグリコール酸誘導体から選択される少なくとも1種である第2の配位子及び第2の溶媒を含有する溶液を付与して前記半導体量子ドットに配位している前記第1の配位子を前記第2の配位子に交換する配位子交換工程と、
を有し、前記半導体量子ドットの集合体と前記第2の配位子からなる半導体膜の製造方法。
A semiconductor quantum dot dispersion containing a semiconductor quantum dot containing PbS or InP, a first ligand coordinated to the semiconductor quantum dot, and a first solvent is provided on the substrate, and an assembly of semiconductor quantum dots Forming a semiconductor quantum dot assembly to form
The aggregate of the semiconductor quantum dots has a shorter molecular chain length than the first ligand, and 3-mercapto-1-propanol, thioglycolic acid, a 3-mercapto-1-propanol derivative, and thioglycol The first ligand coordinated to the semiconductor quantum dot by applying a solution containing a second ligand which is at least one selected from an acid derivative and a second solvent is used as the first ligand. A ligand exchange step for exchanging the two ligands;
And a method for producing a semiconductor film comprising an assembly of the semiconductor quantum dots and the second ligand.
前記第1の配位子は、主鎖の炭素数が少なくとも6以上の配位子である請求項に記載の半導体膜の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 4 , wherein the first ligand is a ligand having at least 6 carbon atoms in the main chain. 前記半導体量子ドット集合体形成工程と、前記配位子交換工程と、を2回以上行う請求項または請求項に記載の半導体膜の製造方法。 The method for producing a semiconductor film according to claim 4 or 5 , wherein the semiconductor quantum dot assembly forming step and the ligand exchange step are performed twice or more. 前記半導体量子ドットは、平均粒径が2nm〜15nmである請求項〜請求項のいずれか1項に記載の半導体膜の製造方法。 The semiconductor quantum dots have an average particle size of 2nm~15nm claims 4 to method of manufacturing a semiconductor film according to any one of claims 6. 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の半導体膜を備える太陽電池。 A solar cell provided with the semiconductor film of any one of Claims 1-3 . 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の半導体膜を備える発光ダイオード。 A light emitting diode provided with the semiconductor film of any one of Claims 1-3 . 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の半導体膜を備える薄膜トランジスタ。 A thin-film transistor provided with the semiconductor film of any one of Claims 1-3 . 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の半導体膜を備える電子デバイス。 An electronic device provided with the semiconductor film of any one of Claims 1-3 .
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