JP2004307679A - Group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescence material - Google Patents

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博幸 平井
Yasushi Azuma
靖史 阿妻
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescence material which has highly sensitive, uniform luminous characteristics, is safe and has little effect on the environment. <P>SOLUTION: The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescence material comprises a group 13 nitride semiconductor nanoparticle and a surface-modifying molecule bonded to the surface of the semiconductor nanoparticle. The group 13 nitride semiconductor nanoparticle is prepared by mixing an organometallic compound containing a group 13 element and a nitrogen raw material and reacting the mixture in a gas phase or in plasma. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は蛍光標識材料及び発光デバイスへの適用が可能な半導体ナノ粒子蛍光材料に関する。
【0002】
【従来の技術】
ナノサイズの粒子材料はバルクの材料とは異なる性質を示すことが知られている。例えば半導体であれば、従来材料固有のものと考えられてきたバンドギャップが粒子のサイズによって変化する、いわゆる量子サイズ効果がよく知られている。この効果が顕著になる粒子の大きさは、半導体材料の種類によって異なり、一般的には数十nm〜数nmである。このため特にシングルナノ粒子は重要である。また、この量子サイズ効果が顕著になると同時に、蛍光の寿命が短くなり、それまで観測されなかった発光が観測できるようになる等の効果が知られている材料もある。このように、ナノサイズ、特にシングルナノサイズの材料は従来知られているバルク材料と異なる性質を有するため、科学的及び工学的に非常に注目されている。
【0003】
半導体ナノ粒子は、量子サイズ効果により結晶子サイズが小さくなるに伴い、蛍光スペクトルが短波長側へシフトする。すなわち、結晶子サイズが異なるナノ粒子を合成すれば、単一波長の光による励起で様々な発光スペクトルが得られる。例えば、CdSe/CdS(コア/シェル)、CdSe/ZnS(コア/シェル)等の半導体ナノ粒子を用い、これらの半導体ナノ粒子により作製したビーズ表面に分子プローブを結合することにより標的分子を検出する半導体ナノ粒子蛍光材料が提案されている(例えば、非特許文献1及び2参照。)。これらの半導体ナノ粒子は、異なる結晶子サイズにすることにより異なる波長で発光を得ることが可能である。また発光波長と発光強度を組み合わせて標識ビーズをコードすることにより同時多重測定も可能である。半導体ナノ粒子蛍光材料は、高感度、低コスト、自動化が容易等の標識材料として優れた特性を有している。そのため、半導体ナノ粒子蛍光材料を標識材料として用いることにより生体内の特定部位、血漿中の物質等を高感度で高速に検出することが可能である。
【0004】
半導体ナノ粒子の表面を修飾分子で被覆することにより、マトリックスとの親和性を向上させた半導体ナノ粒子蛍光材料が提案されている(例えば、特許文献1〜3、非特許文献3参照。)。半導体ナノ粒子を修飾分子で被覆することにより水媒体との親和性を向上させたり、有機高分子や有機溶媒への分散性を向上させたりすることが可能になる。これにより半導体ナノ粒子蛍光材料を標識材料として適用するのが容易になり、また樹脂中に分散させ発光材料を形成するのが容易になる。このように半導体ナノ粒子蛍光材料は光学デバイス分野、臨床診断及び生化学的・医科学的研究分野等で幅広い応用が期待されている。
【0005】
半導体ナノ粒子を発光材料として使用する場合、高感度であると同時に発光スペクトルのピークがシャープであることが重要である。特に標識材料として発光波長が異なる複数のナノ粒子を用いる場合、各発光ピークがオーバーラップするのを防ぐためピーク幅が狭いことが要求される。発光波長は量子サイズ効果により結晶子サイズに伴って変化することから、ピーク幅が狭い発光スペクトルを得るには半導体ナノ粒子の結晶子サイズが均一である(粒径分布が狭い)ことが必要である。しかしながら、結晶子サイズが数十nm〜数nmで、かつ均一な半導体ナノ粒子を製造する技術は十分に検討されていない。例えば、Cd(CH、TOPSe(トリオクチルホスフィンセレニド)及びTOP(トリオクチルホスフィン)を混合した溶液をTOPO(トリオクチルホスフィンオキシド)中に加え、CdSe結晶を成長させる方法が開示されている(特許文献1)。しかしこのように液相中で製造する場合には、溶媒成分が分解しナノ粒子内へのコンタミネーションが起こるという問題がある。
【0006】
発光材料等のナノ粒子においては純度が極めて重要である。これは、粒子が何らかの方法(光、電子線、電界等)で励起された後、輻射過程を通って基底状態に戻るか、無輻射過程を通って基底状態に戻るか、すなわち発光するかしないかは不純物の濃度に極めて敏感であるためである。通常純度の高い半導体ナノ粒子ほどよく光る。もちろん例外もあるが、その場合においても不純物は狙った濃度で入れる必要があるため、純度の高いナノ粒子が製造できることは非常に重要である。
【0007】
従来、半導体ナノ粒子蛍光材料としてはCdSe又はCdSe/ZnS(コア/シェル)が一般に使用されてきた。しかし、これらの材料を用いるのは安全上及び環境上の見地から問題がある。そのため、半導体ナノ粒子蛍光材料が今後広く利用されるためにより安全でより環境への影響が少ない材料への代替化が望まれている。
【0008】
【特許文献1】
米国特許第6319426号明細書
【特許文献2】
特開2002−38145号公報
【特許文献3】
特開2003−64278号公報
【非特許文献1】
「サイエンス(Science)」, 1998年, 第281巻, 第25号, p.2013−2016
【非特許文献2】
「ネイチャア バイオテクノロジー(Nature Biotechnology)」, 2001年, 第19巻, p.631−6354
【非特許文献3】
「サイエンス(Science)」, 1998年, 第281巻, 第25号, p.2016−2018
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、高感度でかつ均一な発光特性を有し、安全で環境に対する影響の少ない13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素源(窒素原料)を混合し、気相又はプラズマ中で反応させることにより、粒径分布が狭く、微細で純度の高い13族窒化物半導体ナノ粒子が得られること、かかる13族窒化物半導体ナノ粒子を用いることにより高感度でかつ均一な発光特性を有する半導体ナノ粒子蛍光材料が得られることを発見し、本発明に想到した。
【0011】
すなわち、本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子は以下の手段により達成された。
(1) 13族窒化物半導体ナノ粒子と、前記半導体ナノ粒子の表面に結合された表面修飾分子とを有する13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させてなることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(2) 13族窒化物半導体ナノ粒子(コア)と、前記13族窒化物半導体ナノ粒子に被覆された外殻層(シェル)と、前記外殻層の表面に結合された表面修飾分子とを有する13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させてなることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(3) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、粒径分布が変動係数で50%以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(4) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子は実質的に13族元素と窒素から構成され、13族元素と窒素の原子数の比(13族元素:窒素)が1:0.95〜1:1.05であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(5) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子に含有する酸素及び炭素の量が、いずれも窒素との原子数の比で0.05以下であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(6) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、1.5〜3.1eVのバンドギャップ・エネルギーを有するコア部の13族窒化物と、3.1eVを超えるバンドギャップ・エネルギーを有するシェル部の13族窒化物からなるコア/シェル型であり、前記13族窒化物半導体ナノ粒子の前記コア部及び前記シェル部は、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させてなることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(7) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子の13族元素がGa、In及びAlからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(8) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子の前記コア部の13族元素は、In、GaとIn、AlとIn、及びAlとGaとInからなる群から選択され、前記シェル部の13族元素は、Ga、Al、GaとIn、AlとIn、GaとAl、及びAlとGaとInからなる群から選択されることを特徴とする(6)に記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。
(9) (1)〜(8)のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の製造方法において、13族窒化物半導体ナノ粒子の生成反応を実質的に円管型の反応管で行うことを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の製造方法。
(10) 前記13族窒化物半導体ナノ粒子を50℃における飽和蒸気圧が133Pa以上の13族原料と、50℃における飽和蒸気圧が133Pa以上の窒素原料を反応させて作製することを特徴とする(9)に記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の製造方法。
【0012】
【発明の実施の形態】
[1] 13族窒化物半導体ナノ粒子
13族窒化物半導体ナノ粒子は、13族元素と窒素から構成されるナノ粒子であり、13族元素とは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及びタンタルを表す。これらのうち本発明で好ましく用いる13族元素はアルミニウム、ガリウム及びインジウムである。本発明の半導体ナノ粒子は不可避的不純物を含んでいてもよいが、13族元素と窒素との比(13族元素:窒素)は原子数を基準として好ましくは1:0.8〜1:1.2であり、より好ましくは1:0.9〜1:1.1であり、最も好ましくは1:0.95〜1:1.05である。13族元素は単独で用いても複数の13族元素を混合し、混晶として用いてもよい。13族元素の好ましい組成は、ガリウム単独、インジウム単独、アルミニウム単独、ガリウムとインジウムの混晶、アルミニウムとインジウムの混晶、ガリウムとアルミニウムの混晶、及びアルミニウムとガリウムとインジウムの混晶である。混晶の場合の各元素の混合比率は必要に応じて選択することができる。
【0013】
13族窒化物半導体ナノ粒子は、1.5〜3.1eVのバンドギャップ・エネルギーを有するコア部の13族窒化物と、3.1eVを超える(好ましくは3.1eVを超え約6.5eVまで)バンドギャップ・エネルギーを有するシェル部の13族窒化物からなるコア/シェル型であってもよい。この場合、コア部の13族元素はインジウム単独、ガリウムとインジウム、アルミニウムとインジウム、及びアルミニウムとガリウムとインジウムからなる群から選択されるのが好ましく、シェル部の13族元素はガリウム単独、アルミニウム単独、ガリウムとインジウム、アルミニウムとインジウム、ガリウムとアルミニウム、及びアルミニウムとガリウムとインジウムからなる群から選択されるのが好ましい。
【0014】
半導体ナノ粒子の数平均粒径は、好ましくは0.5〜100 nmであり、より好ましくは0.5〜50 nmであり、さらに好ましくは0.5〜20 nmであり、最も好ましくは0.5〜10 nmである。半導体ナノ粒子の粒径分布は、変動係数で好ましくは0〜50%、より好ましくは0〜20%、さらに好ましくは0〜10%である。なお、変動係数は算術標準偏差を数平均粒径で除し、これを百分率で表した値(算術標準偏差×100/数平均粒径)を意味する。
【0015】
半導体ナノ粒子は凝集体であってもよいが、その場合は個々の粒子が分離可能ないわゆる軟凝集体であり、個々の粒子が焼結した凝集体(例えばレーザーアブレーション法等で得られる凝集体)を含まない。また、上記の半導体ナノ粒子の数平均粒径及び粒径分布は一次粒子における数平均粒径及び粒径分布を意味する。
【0016】
本発明の半導体ナノ粒子蛍光材料に使用する13族窒化物半導体は、必要に応じドーパントが添加されていてもよい。ドーパントの種類及び添加量はその目的に応じて適宜選択してよい。
【0017】
[2] 13族窒化物半導体ナノ粒子の製造方法
13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する方法としては、始めから単分散で粒径分布が狭いナノ粒子を製造する方法を用いてもよいし、多分散または分布の広いナノ粒子を製造してから分級によって所望の粒径分布のナノ粒子を製造する方法を用いてもよい。分級は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。これらの方法のうち、始めから単分散で粒径分布が狭いナノ粒子を製造する方法を用いるのが好ましい。
【0018】
気相又はプラズマ中で単分散で粒径分布が狭いナノ粒子を製造する方法としては、公知の方法を適宜用いることができる。好ましい製造方法としては、熱CVD法、プラズマCVD法、光励起CVD法等を挙げることができる。中でも特に好ましい方法は熱CVD法およびプラズマCVD法である。なお、気相中でガス原料から核発生が起こり、引き続き粒子成長、凝集、融着等を経て最終粒子になるプロセスについては、奥山らによる解説(J. Soc. Powder Technol., Japan, 2002年, 第39巻, p.274−287)に詳しく記載されている。
【0019】
(A) 原料
13族窒化物ナノ粒子の製造に用いる13族元素を含む原料(13族原料)としては、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム又はタンタルの単体及び化合物が挙げられる。中でもGa原料(ガリウム及びガリウム化合物)、Al原料(アルミニウム及びアルミニウム化合物)及びIn原料(インジウム及びインジウム化合物)が好ましい。Ga原料としては有機ガリウム化合物等を、Al原料としては有機アルミニウム化合物等を、In原料としては有機インジウム化合物等を用いることができる。これらの13族原料のうち、50℃における飽和蒸気圧が133Pa(1Torr)以上の原料を用いるのが好ましく、133Pa(1Torr)〜101,300Pa(760Torr)の原料を用いるのがより好ましく、399Pa(3Torr)〜101,300Pa(760Torr)の原料を用いるのがさらに好ましい。
【0020】
以下、好ましく用いることのできる原料を具体的に列挙するが、13族原料として用いることができる化合物はもちろんこれらの例に限定されるものではない。Ga原料の好ましい例としては、ジエチルアセチルアセトナートガリウム、ジエチルシクロペンタジエニルガリウム、ジエチルガリウムアジド、塩化ジエチルガリウム、フッ化ジエチルガリウム、ジエチルメチルシクロペンタジエニルガリウム、ジメチルアセチルアセトナートガリウム、ジメチルシクロペンタジエニルガリウム、臭化ジメチルガリウム、塩化ジメチルガリウム、ジメチルガリウムジメチルアミド、フッ化ジメチルガリウム、二塩化エチルガリウム、二塩化メチルガリウム、硫化t−ブチルガリウム、トリエチルガリウム(TEG)、トリエチルガリウムジメチルエチルアミン付加物、トリイソブチルガリウム、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルガリウムジメチルエチルアミン付加物、トリメチルガリウムトリメチルアミン付加物、トリn−ブチルガリウム、トリn−プロピルガリウム、トリフェニルガリウム、トリt−ブチルガリウム、トリス(アセチルアセトナート)ガリウム、トリス(ジピバロイルメタナート)ガリウム、トリス(ヘキサフルオロアセチルアセトナート)ガリウム等が挙げられる。
【0021】
In原料の好ましい例としては、トリメチルインジウム(TMI)、トリエチルインジウム(TEI)、トリメチルインジウムジメチルエチルアミン付加物、トリアセチルアセトナートインジウム等が挙げられる。Al原料の好ましい例としては、トリスアセチルアセトナートアルミニウム、トリスジピバロイルメタナートアルミニウム、トリスヘキサフルオロアセチルアセトナートアルミニウム、トリエチルアルミニウム(TEA)、トリイソブチルアルミニウム、トリメチルアルミニウム(TMA)、二塩化エチルアルミニウム、二塩化メチルアルミニウム、塩化ジエチルアルミニウム、水素化ジメチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムアミド、水素化ジメチルアルミニウムジメチルエチルアミン付加物等が挙げられる。
【0022】
これらの化合物のうち、蒸気圧の比較的低い化合物(例えばトリアセチルアセトナートインジウム等)は供給時に比較的高い温度が必要であるため、供給量の制御が難しいという問題がある。また、蒸気状態にして供給した原料が再度凝縮して液体又は固体になることがあるため、気相における均一性を保ちにくく、生成した粒子の純度、組成及び粒径に分布が生じやすい。これに対して、比較的蒸気圧の高い化合物は、−10℃程度〜50℃程度の温度で蒸気を供給できるため、装置が簡単になり制御もしやすくなる。さらに一度蒸気にしたものが再凝縮することも起こりにくいため、13族窒化物半導体ナノ粒子の原料としてより好ましい。
【0023】
13族窒化物半導体ナノ粒子の原料のより好ましい具体例としては、塩化ジエチルガリウム、ジメチルアセチルアセトナートガリウム、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルガリウム(TMG)等のGa原料、トリエチルインジウム(TEI)等のIn原料、及びトリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)等のAl原料が挙げられる。
【0024】
これらの原料を供給する方法としては、加熱用のボートに乗せて気流中で加熱する方法、液体原料であればスプレーによって供給する方法、系中で気化しやすい原料を生成させながら供給する方法、バブリングをして供給する方法等の方法を用いることができる。加熱用のボートに乗せて気流中で加熱する方法は真空蒸着等によく用いられる一般的な方法でよい。この方法は液体及び固体原料に適用でき簡便であるが原料供給量の制御が難しいという問題がある。スプレーにより供給する方法は、液体原料を効率よく供給することができるため、比較的量の多い原料を供給するのに適している。系中で気化しやすい原料を生成させながら供給する方法は、空気中で不安定な揮発性化合物を系中で生成させることにより安定に供給することができる。例えば、三塩化ガリウムを加熱して一塩化ガリウムを生成させる方法、酸化ガリウムを加熱して亜酸化ガリウムを生成させる方法、金属ガリウムを塩素ガスまたは塩化水素を含む気流中で加熱して一塩化ガリウムを生成させる方法等がある。
【0025】
バブリングによる方法は、比較的蒸気圧の高い13族液体原料の中にキャリアガスを気泡状に供給し、蒸発してきた13族原料を利用する方法で、13族原料の供給量を、原料の蒸気圧とバブリングするキャリアガスの流量でコントロールできるため、特に好ましく用いることができる。
【0026】
窒素原料としては様々なものを用いることができるが、50℃における飽和蒸気圧が133Pa(1Torr)以上の原料を用いるのが好ましく、399Pa(3Torr)以上の原料を用いるのがさらに好ましい。50℃における飽和蒸気圧が133Pa(1Torr)以上であるとは、50℃における飽和蒸気圧が133Pa以上であるか、又は50℃において臨界温度を超えていることを意味する。例えば、窒素ガスは臨界温度が−147℃付近にあり、これ以上の温度では液体が存在し得ないため飽和蒸気圧そのものが存在しないが、臨界温度を超えたこのような状態は50℃において液体が存在するあらゆる化合物より飽和蒸気圧が高いことに相当するため、本発明においては、このような場合も50℃における飽和蒸気圧が133Pa以上であると定義する。他の窒素原料の飽和蒸気圧値についても同様である。
【0027】
窒素原料の好ましい例としては、窒素、アンモニア、ヒドラジン、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチルメチルアミン、ジエチルメチルアミン、エチルジメチルアミン、プロピルアミン、ジプロピルアミン、トリプロピルアミン、ブチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、亜酸化窒素、一酸化窒素等が挙げられる。より好ましい例としては、窒素、アンモニア、ヒドラジン、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン等が挙げられる。中でもアンモニアはコンタミネーションの原因となりうる炭素を含まず、室温で気体であり、かつ反応性に富むため特に好ましく用いることができる。
【0028】
上記の13族原料及び窒素原料を安定して供給し、反応させて粒子を製造するためには特に気相反応において、原料を希釈し反応部まで運ぶためのガス即ちキャリアガスを用いるのが好ましい。キャリアガスの好ましい例としては、水素、ヘリウム、窒素、酸素、ネオン、アルゴン等が挙げられる。中でもヘリウム、窒素、ネオン及びアルゴンがより好ましい。
【0029】
窒素原料に対する13族原料の混合比(窒素原料/13族原料)はモル比で100〜20000であるのが好ましく、300〜5000であるのがより好ましい。混合比が20000より高いと収率が低下し、100より低いと未反応の13族原料や、13族原料が分解して生成した13族元素により生成した半導体ナノ粒子の純度が低下する。
【0030】
(B) 製造装置
図1は本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子の製造方法に用いる装置の一例を示す構成図である。装置には窒素原料のアンモニアガスを充填したボンベ1と、キャリアガスの窒素ガスを充填したボンベ2と、13族原料を充填したバブラー6と、リアクタ10と、粒子捕集部11と、排ガス処理部14とが備えられている。アンモニアガスボンベ1から出たライン21はアンモニア用マスフローコントローラ3に連結しており、窒素ガスボンベ2から出たライン22は分岐し、窒素用マスフローコントローラ(1)4、窒素用マスフローコントローラ(2)5及び窒素用流量調節弁12に連結している。窒素用マスフローコントローラ(2)5から出たライン28はバブラー6に連結し、バブラー6は充填された13族原料に窒素を供給し、バブリングにより13族原料を蒸発させるようになっている。バブラー6にはヒータ(図示せず)が設けられており、13族原料を所望の温度に加温できるようになっている。バブラー6から出たライン29は窒素用マスフローコントローラ(1)4から出たライン24に連結し、13族原料蒸気と窒素を混合できるようになっている。ライン24及びアンモニア用マスフローコントローラ3から出たライン23はそれぞれリアクタ10の石英製反応管9に設けられた混合部(図示せず)に連結している。
【0031】
アンモニア用マスフローコントローラ3、窒素用マスフローコントローラ(1)4及び窒素用マスフローコントローラ(2)5の設定を調節することにより、リアクタ10に導入する13族原料、アンモニア及び窒素の量と比率を調整することができる。
【0032】
13族窒化物半導体ナノ粒子を混晶にする場合は、窒素用マスフローコントローラ(3)31、ライン38、バブラー34、及びライン39からなるもう一組(図1に破線で示す)を並列に設置することにより作製することができる。例えば、半導体ナノ粒子をガリウムとインジウムの混晶にする場合、一方のバブラー(バブラー6)にIn原料を充填し、他方のバブラー(バブラー34)にGa原料を充填する。それぞれのバブラーに窒素を供給し、バブラー6で発生したインジウムの蒸気とバブラー34で発生したガリウムの蒸気をそれぞれライン28及びライン39を通してライン24に供給し混合する。混晶中のガリウムとインジウムの比率はそれぞれのバブラーに供給する窒素ガスの流量、バブラーの温度等により所望の比率に調節することができる。
【0033】
図2にコア/シェル型13族窒化物半導体ナノ粒子の製造装置の一例を示す。コア/シェル型ナノ粒子を製造する場合は、前述の図1に示す装置をコア部の13族窒化物半導体ナノ粒子の製造に使用し、シェル部の13族窒化物半導体ナノ粒子の製造用にさらに1系統の窒素用マスフローコントローラ(4)32、窒素用マスフローコントローラ(5)33、ライン40及び41、バブラー35、ライン37及びシェル部生成反応用ヒータ36を追加する。図2に示すように、増設したヒータ36の直前でシェル部の原料ガスを導入することにより、生成したコア部の粒子にシェル部の原料を被覆し、コア/シェル型ナノ粒子を製造することができる。
【0034】
反応管9は公知の様々な形状のものを用いることができる。特に好ましくは、円管状の反応管または円管を組み合わせた形状の反応管である。反応管9の直径および長さは、製造する粒子の量、流すガスの量等によって任意に選ぶことができる。特に重要なのは反応管9内にガスが滞留する時間である。このため、製造すべき粒子の量、流す原料ガスの量、キャリアガスの量、及び好ましい滞留時間から反応管9の直径及び長さを決めるのが望ましい。反応管9内の反応ガスの滞留時間は、10ミリ秒〜10秒であるのが好ましく、10ミリ秒〜1秒であるのがより好ましい。10ミリ秒より短いと反応が十分に進行せず、10秒より長いと生成した粒子が成長して粒径分布が広くなる。
【0035】
リアクタ10は予熱部、混合部及び反応部からなる構成を有するのが好ましい。予熱部とは、13族原料と窒素原料が混合しない状態で予め加熱を行う部分のことであり、これによって混合時に速やかに反応を行わせることができる。予熱部には予熱用ヒータ7が設けられており、13族原料及び窒素原料を予め所定の温度に加熱することができる。予熱部の形状は任意の形状とすることができるが、単純な円管とするのが好ましい。混合部は、13族原料と窒素原料を混合するための部分であり、効率よく混合することが純度が高く、かつ単分散で粒径分布の狭い13族窒化物半導体ナノ粒子を製造するために重要である。この部分はくびれを持たせたり、混合する2つの原料出口のうち片方の出口を狭くするなどして乱流を起こすような設計にするのが好ましい。
【0036】
反応部は混合部と一続きになる部分であり、混合されたガスが化学反応を起こし、13族窒化物半導体ナノ粒子が生成する部分である。この部分は壁面への生成粒子の付着等を防ぐため、反応管9は比較的単純な形状であるのが好ましい。具体的には、実質的に円管型であるのが好ましく、円管型であるのが特に好ましい。円管型であるとは、反応を行う部分の内形が原料ガス及びキャリアガスが流れる方向に対して垂直に切断したときに円形の断面を有することを意味する。円管型の反応管は内部に障害物のない単純な円筒形であるのが好ましい。円管型の反応管の円形度は、原料ガス及びキャリアガスが流れる方向に対して垂直に切断したときの内形の断面形状において、最小の外接円の半径の、最大の内接円の半径に対する比が好ましくは1〜1.4、より好ましくは1〜1.2、最も好ましくは1〜1.1である。また、実質的に円管型であるとは、単純な円管型である場合の他、本発明の目的を損なわない範囲で変更が加えられていてもよいことを意味する。例えば、壁面への生成粒子や析出物の付着を防ぐことを目的として円管の内壁に無数の孔を形成しこれらの孔からガスを供給する工夫や、円管の内壁に沿ってシースガスを流す工夫が施されていてもよい。反応部には反応用ヒータ8が設けられており、所望の温度に加熱できるようになっている。
【0037】
反応管9の材料は公知の様々な材料を用いることができる。反応が高温になるため、耐熱性の高いものが好ましく、具体的には石英ガラス、焼結アルミナ、高融点の金属等を用いるのが好ましい。中でも石英ガラスは溶融して加工することができるため、複雑な形状の反応管9を作製することが可能であるとともに、透明であるため内部の様子を見ることが可能であるので特に好ましい。
【0038】
反応温度は、好ましくは700〜1200℃、より好ましくは850〜1150℃、特に好ましくは950〜1150℃である。反応温度を正確に制御することは極めて重要である。温度が低すぎると原料が十分に反応せず、そのため収率が低くなったり原料の分解が不十分となり不純物が混入し、温度が高すぎると生成粒子が再び分解する等の好ましからぬ副反応が起きる。予熱温度は室温から反応温度までを選択することができる。好ましくは室温〜反応温度−200℃であり、より好ましくは200℃〜反応温度−400℃である。
【0039】
コア/シェル型13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する場合、コア部及びシェル部を形成する反応の温度は上記の反応温度と同様でよい。また、シェル用の原料を予熱してから反応管9に供給してもよい。予熱する温度は上記予熱温度と同様でよい。コア部の粒径とコア部を被覆するシェル部の厚さは供給する原料ガスの量、キャリアガスの量、及び滞留時間を適宜調整することにより所望の粒径及び厚さに調節することができる。
【0040】
リアクタ10を加熱する方法は公知の様々な方法を用いることができる。具体的には、抵抗加熱の電気炉、熱線を照射する方式の反射炉等により加熱する方法を好ましく用いることができる。温度の安定性や均一性が高いため、抵抗加熱の電気炉を用いるのがより好ましい。
【0041】
反応部の終端には、生成したナノ粒子を含んだ反応ガスを急冷する機構が備えられているのが好ましい。反応ガスを急冷することにより反応の終了点が明確になり、生成した粒子の熱分解、凝集、壁面への付着等を防止することができる。これにより回収する粒子の収量が多く、純度が高く、粒径分布が狭くなる。反応ガスを急冷する方法としては温度の低いガスと混合する方法、冷却した壁面と接触させる方法等を用いることができる。中でも温度の低いガスと混合する方法は瞬時に冷却することができ、かつ壁面への粒子の付着が少ないため特に好ましい。図1及び図2に示す例では、反応管9の上部に窒素用流量調節弁12からのライン25が連結しており、反応ガスを窒素と混合することにより生成した粒子を瞬時に冷却することができる。
【0042】
生成した粒子は公知の様々な方法を用いて回収することができる。図1及び図2に示す例では、反応管9の塔頂部から出たライン26が粒子捕集部11に連結しており、生成した粒子をライン26を通して粒子捕集部11に送り、粒子捕集部11で回収する。粒子捕集部11における捕集方法としては、フィルターを用いて捕集する方法、静電捕集器を用いて捕集する方法、熱泳動捕集器を用いて捕集する方法等を好ましく用いることができる。捕集された半導体ナノ粒子は必要に応じてさらに分級してもよい。
【0043】
図3は本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子の製造に用いる製造装置の別の例を示す部分構成図である。リアクタ10は混合部と反応部から構成されている。アンモニア用マスフローコントローラ3から出たライン23及び窒素用マスフローコントローラ(1)4から出たライン24はそれぞれ反応管9の混合部(図示せず)に連結している。反応管9にはマイクロ波加熱装置13が設けられており、反応管9の上部には窒素用流量調節弁12からのライン25が連結しており、反応管9の塔頂部から出たライン26は粒子捕集部11に連結している。リアクタ10以外の部分は図1に示す製造装置と同じである。
【0044】
ライン23からのアンモニア、及びライン24からの13族原料をリアクタ10の反応管9の混合部で混合した後、反応管9内を通し、マイクロ波加熱装置13で混合された原料を瞬時に加熱し、発生したプラズマ中で反応させる。生成した粒子を窒素で急冷した後、粒子捕集部11へ送り捕集する。図1に示す製造装置の場合と同様に、反応管9の形状は実質的に円管型であるのが好ましく、円管型であるのが特に好ましい。反応管9内にガスが滞留する時間は1ミリ秒〜10秒であるのが好ましく、1ミリ秒〜100ミリ秒であるのがより好ましい。反応温度は、700〜1200℃が好ましく、850〜1150℃がより好ましく、950〜1150℃が特に好ましい。反応管9の材料は石英又はアルミナが好ましく、特に石英が好ましい。この例では原料ガスを予め予熱する必要はなく、原料を混合した後直ちに反応管9内に通し反応させてよい。なお、コア/シェル型13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する場合は、図2に示す製造装置のように13族原料の流路を1系統増やし、さらにマイクロ波加熱装置13を1段増やし、増設したマイクロ波加熱装置13の直前でシェル用の原料を導入することにより製造することができる。
【0045】
[3] 13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料
(A) 外殻層
本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料は外殻層(シェル)を有してもよい。上述の方法により得られた半導体ナノ粒子は、バンドギャップ・エネルギーがより大きい化合物で被覆されることにより半導体ナノ粒子表面のエネルギー状態が安定化し、発光効率が向上する。半導体ナノ粒子蛍光材料はいわゆるコア/シェル型半導体ナノ粒子であってもよく、複数の半導体ナノ粒子が外殻層で被覆された構造であってもよい。
【0046】
外殻層を形成する材料は公知の材料であってよい。例えば、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgS、MgSe、MgTe、GaN、GaP、GaAs、GaSb、HgO、HgS、HgSe、HgTe、InAs、InN、InP、InSb、AlAs、AlN、AlP、AlSb、BN、BaS、SiO、TiO、これらの2種以上の合金、混合物等が挙げられる。好ましくはコアである13族窒化物半導体ナノ粒子のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する材料である。例えば、ZnS、GaN、AlN、MgS、MgSe、MgTe等が挙げられる。
【0047】
外殻層は半導体ナノ粒子を完全に被覆している場合に限られず、部分的に被覆していてもよい。好ましくは半導体ナノ粒子の表面に対し面積率で50%以上である。外殻層を形成する方法は特に限定されず、公知の方法を適宜用いてよい。例えば、液相製造法であるホットソープ法等を用いることができる。その際、13族窒化物半導体ナノ粒子は表面が空気中で速やかに酸化物に変化するため、窒素、アルゴン等の不活性ガス中で行うのが好ましい。市販の窒素ガスやアルゴンガス中に含まれる微量の水分や酸素、又は不活性ガスを封入する容器の表面に吸着している微量の水分を取り除くため、不活性ガスとともに乾燥剤や脱酸素剤を併用するのも好ましい。
【0048】
本発明において、特に好ましい13族窒化物半導体ナノ粒子は前述のようにコア部及びシェル部共に13族窒化物からなるコア/シェル型であり、コア部及びシェル部とも13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させる製造方法である。
【0049】
(B) 表面修飾分子
表面修飾分子はマトリックス親和領域と13族窒化物半導体ナノ粒子又は外殻層(シェル)表面に結合する結合性基を有する。表面修飾分子を結合することにより、13族窒化物半導体ナノ粒子同士を互いに分離することができる。本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料は、有機溶媒、樹脂等の有機媒体中で使用することもできるし、水媒体中で使用することもできる。マトリックス親和領域は使用する媒体に合わせて適宜選択する。例えば、半導体ナノ粒子蛍光材料を疎水性の有機媒体中で使用する場合、マトリックス親和領域は脂肪族炭化水素及び芳香族炭化水素を主な構成要素とする疎水性領域からなるのが好ましい。半導体ナノ粒子蛍光材料を水媒体中で使用する場合、マトリックス親和領域はカルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、水酸基、アミノ基、アミド基、これらの塩等を含む親水性領域からなるのが好ましい。
【0050】
13族窒化物半導体ナノ粒子又は外殻層(シェル)表面に結合する結合性基としては、特許文献1〜3、非特許文献3等に記載の公知の結合性基を用いることができる。例えば、窒素含有官能基(アミノ基、ピリジン環基、ニトリル基等)、硫黄含有官能基(メルカプト基、メチルスルフィド基、メチルジスルフィド基、チオ酸基、ジチオ酸基、キサントゲン酸基、キサンテート基、イソチオシアネート基、チオカルバメート基、チオフェン環等)、酸性基(カルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、ホスフィン酸基、ホスホン酸部分エステル基及びホスフィン酸部分エステル基等)及びその塩、アミド基(カルボン酸アミド基、スルホン酸アミド基、ホスホン酸アミド基及びホスフィン酸アミド基等)、ホスフィン基、ホスフィンオキシド基、水酸基等が挙げられる。
【0051】
図5は本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の一例を示す概略断面図である。コアの13族窒化物半導体ナノ粒子101は外殻層(シェル)102で被覆されており、外殻層102の表面には表面修飾分子103が結合性基Xにより結合している。結合性基Xによる結合の様式は特に制限されず、配位結合であっても共有結合であってもよい。表面修飾分子103はマトリックス親和領域を有し、マトリックス親和領域の構造は上記のようにナノ粒子蛍光材料の使用目的に応じ適宜選択することができる。
【0052】
本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料を蛍光標識材料等として使用する場合、表面修飾分子は上記結合性基以外に核酸(オリゴヌクレオチド等)、抗体、タンパク質、多糖類等と結合することができるアミノ基、カルボキシル基、スルホン酸基、尿素基、−NHCONH等の官能基を有するのが好ましい。これらの官能基を有する表面修飾分子の好ましい例としては、メルカプト酢酸、2−メルカプトエタンスルホン酸、2−アミノエタンチオール、2−メルカプトプロピオン酸、7−カルボキシ−1−ヘプタンチオール、11−メルカプトウンデカン酸、4,4’−ジチオジブタン酸、10−カルボキシデシルジスルフィド、ジチオビス(サクシンイミジルオクタノエート)、ジチオビス(サクシンイミジルウンデカノエート)、ω−メルカプト脂肪酸アミドアミン類等が挙げられる。図6は本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の別の一例を示す概略断面図である。この例では表面修飾分子103は、結合性基Xとともに官能基Yを有し、官能基Yによりリガンド等と結合することができる。
【0053】
13族窒化物半導体ナノ粒子の表面が修飾分子で被覆されていることは、FE−TEM等の高分解性TEMで観察した際に粒子間に一定の間隔が認められること、および化学分析により確認することができる。
【0054】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【0055】
実施例1
(1) 窒化インジウムナノ粒子の作製
図1に示す装置を用い、以下の操作により窒化インジウムナノ粒子を作製した。まずバブラー6にトリエチルインジウムを入れ、マスフローコントローラ3を1SLM、マスフローコントローラ(1)4を1SLM、マスフローコントローラ(2)5を10SCCMにセットした。バブラー6の温度を80℃に設定し、マスフローコントローラ(2)5からの窒素をバブラー6に供給し、トリエチルインジウムの蒸気を発生させた。発生したトリエチルインジウム蒸気をマスフローコントローラ(1)4からの窒素と混合し、ライン24を通してリアクタ10に送給した。ライン24のトリエチルインジウムを含むガスとライン23のアンモニアガスをリアクタ10の加熱装置7により200℃に予熱した後、リアクタ10の混合部で乱流を発生させて混合し、石英製円管からなる反応管9に導入した。加熱装置8により反応温度が800℃になるように反応管9を加熱するとともに、反応管9の上部に窒素用流量調節弁12からの窒素ガスを導入し生成した粒子を含む反応ガスを急冷した。生成した粒子の回収は、各部の温度が安定するのを待ち、粒子捕集部11にPTFE製のフィルターをセットして行った。
【0056】
粒子の化学組成を分析するため、上記と同じ条件下、粒子捕集部11に静電捕集器をセットし、ガス中にコロナ放電を行いながら、対極にTEMグリッドを固定し、ガス中の粒子の一部をTEMグリッド上に捕集した。フィルターで捕集した粒子について、インジウムをICP発光分析(SPS4000、セイコーインスツルメンツ(株)製)で、窒素を不活性ガス融解−熱伝導度法(EMGA−620W/C、(株)堀場製作所製)で定量した。結果を表2に示す。
【0057】
また、TEMグリッド上に捕集した粒子をTEM(透過電子顕微鏡)で観察し、その粒径を測定し、変動係数を求めた。生成した粒子の形状は円形ではなく、やや角張った形をしており、TEM写真上に投影された形が三角形に近いものが高い頻度で観測された。円形でないため、粒径の評価は投影面積を円の面積と考えたときの円の直径、すなわち面積相当径を用いた。
【0058】
さらに、TEMを用いて電子線回折像をとったところ、回折パターンは窒化インジウムのパターンと一致することが分かった。
【0059】
不純物の量をオージェ電子分光法(装置名:SAM−670、PHI製)により分析した。装置の標準感度値によって炭素及び酸素の不純物量を定量し、以下の基準に基づいて評価した。結果を表2に示す。
【0060】
不純物量の評価基準
◎:窒素に対する原子数の比で酸素及び炭素のいずれも0.03未満であるもの
○:一方が0.03以上であるがいずれも0.05以下であるもの
△:両方0.03以上0.05以下であるもの
×:これらのいずれにも該当しないもの
【0061】
【表1】

Figure 2004307679
(注) TEI:トリエチルインジウム、設定値▲1▼:アンモニア用マスフローコントローラ設定値、設定値▲2▼:窒素用マスフローコントローラ(1)設定値、設定値▲3▼:窒素用マスフローコントローラ(2)設定値
【0062】
【表2】
Figure 2004307679
(2) 窒化インジウムナノ粒子蛍光材料の作製
得られた窒化インジウムナノ粒子20 mgを10−カルボキシデシルジスルフィドの0.3%トルエン溶液20 ml中に添加し分散した。限外ろ過により過剰の10−カルボキシデシルジスルフィドを除去した。窒化インジウムナノ粒子分散液は紫外線ランプの照射により赤色発光した。また、銅メッシュの上にカーボン膜を形成しこの上に上記分散液を滴下し乾燥させてTEMで観察したところ、粒子間に一定の間隔があることを認めた。また、FT−IRにより粒子上の10−カルボキシデシルジスルフィドの存在を確認した。
【0063】
実施例2〜5
(1) 窒化インジウムナノ粒子の作製
表1に示す条件を用いた以外、実施例1と同様の条件で窒化インジウムナノ粒子を製造した。実施例1と同様にして粒子の化学組成及び粒径を測定し、不純物量を評価した。結果を表2に示す。また、電子線回折像により、実施例2〜5のいずれの粒子も実施例1の粒子と同様に窒化インジウムのパターンと一致する回折パターンを示した。
【0064】
(2) 窒化インジウムナノ粒子蛍光材料
実施例1と同様の方法で13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料を製造した。得られた蛍光材料は実施例1と同様に良好な蛍光発色を示し、粒径が小さいほど短波長化した。
【0065】
実施例6〜 10
(1) 窒化インジウム/窒化ガリウム(コア/シェル型)ナノ粒子の作製
図2に示す製造装置を用い、窒化インジウム/窒化ガリウム(コア/シェル型)ナノ粒子を作製した。図2に示す装置は13族の流路を1系統及びリアクタ10にシェル部生成反応用ヒータ36及び予熱用ヒータ(図示せず)を1段増やした以外、図1に示す装置と同じである。増設したヒータ36の直前でGa原料であるトリメチルガリウムを導入し、実施例1〜5の窒化インジウムナノ粒子からなるコアの上に窒化ガリウムを被覆してコア/シェル型の窒化インジウム/窒化ガリウムナノ粒子を得た。シェル部(窒化ガリウム)の合成条件は、バブラー35の温度:10℃、設定値▲1▼(アンモニア用マスフローコントローラ3の設定値):2SLM、設定値▲2▼(窒素用マスフローコントローラ(4)32の設定値):2SLM、設定値▲3▼(窒素用マスフローコントローラ(5)33の設定値):2SCCM、予熱温度500℃、反応温度:1000℃とした。コア部(窒化インジウム)の合成は設定値▲1▼を上記の条件とした以外、実施例1と同様の条件で行った。生成した粒子の回収は、各部の温度が安定するのを待ち、粒子捕集部11にPTFE製のフィルターをセットして行った。
【0066】
捕集した粒子について化学組成及び粒径を測定したところ、シェル部はGa/N元素比が0.98で粒径は表2の各実施例の数平均径よりも2〜3 nm増大していた。
【0067】
TEMを用いて電子線回折像をとったところ、回折パターンは上記窒化インジウムのパターンに加えて窒化ガリウムのパターンを示した。
【0068】
さらに、実施例1と同様にしてオージェ電子分光法により不純物の量を定量し、実施例1と同じ基準で評価した結果◎であることがわかった。
【0069】
(2) 窒化インジウム/窒化ガリウム(コア/シェル型)ナノ粒子蛍光材料の作製実施例1と同様の方法で13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料を製造した。得られた蛍光材料は実施例1〜5の蛍光材料と比較してそれぞれ少し短波化したが蛍光強度は増大した。
【0070】
実施例 11
(1)窒化インジウムガリウム/窒化ガリウム(コア/シェル型)ナノ粒子の作製
図4に示す装置を用い、以下の操作により窒化インジウムガリウム/窒化ガリウムのコア/シェル型ナノ粒子を作製した。図4に示す装置は、13族ナノ粒子の混晶を作製するためのマスフローコントローラ(3)31、ライン38、バブラー34、及びライン39を追加した以外、図2に示す装置と同じである。まずバブラー6にトリエチルインジウムを入れ、温度を67.8℃に設定した。バブラー34にはトリメチルガリウムを入れ、温度を10℃に設定した。バブラー35にはトリメチルガリウムを入れ、温度を10℃に設定した。マスフローコントローラ3の設定値を2SLM、マスフローコントローラ(1)4の設定値を1SLM、マスフローコントローラ(4)32の設定値を0.5SLMにセットした。また、マスフローコントローラ(2)5の設定値を16SCCM、マスフローコントローラ(3)31の設定値を0.4SCCM、マスフローコントローラ(5)33の設定値を2SCCMにセットした。マスフローコントローラ(2)5からの窒素をバブラー6、マスフローコントローラ(3)31からの窒素をバブラー34、マスフローコントローラ(5)33からの窒素をバブラー35に供給し、それぞれ順にトリエチルインジウム、トリメチルガリウム及びトリメチルガリウムの蒸気を発生させた。発生した前者2つの13族原料の蒸気はマスフローコントローラ(1)4からの窒素と混合し、ライン24を通して反応管9に送給した。一方、後者のトリメチルガリウム蒸気は、マスフローコントローラ(4)32からの窒素と混合し、ライン37を通して反応管9に送給した。ライン24の13族原料を含むガスとライン23のアンモニアガスをリアクタ10の予熱用ヒータ7により200℃に予熱した後、リアクタの混合部で乱流を発生させて混合し、石英製円管からなる反応管9に導入した。反応用ヒータ8により反応温度が800℃になるように反応管9を加熱した。ここまでの工程で粒子のコア部分を形成した。その直後にトリメチルガリウム蒸気を含むライン37のガスを反応管9に導入し、反応ガスを混合した。さらにシェル部生成反応用ヒータ36によって900℃になるように反応管9を加熱した。この工程によって粒子のシェル部分を形成した。その後、反応管9の上部に窒素用流量調節弁12からの窒素ガスを導入し生成した粒子を含む反応ガスを急冷した。生成した粒子の回収は、各部の温度が安定するのを待ち、粒子捕集部11にPTFE製のフィルターをセットして行った。
【0071】
捕集した粒子について粒径を測定したところ13 nmであり、変動係数は22%であった。また、不純物の評価も◎であった。
【0072】
(2) 窒化インジウムガリウム/窒化ガリウム(コア/シェル型)ナノ粒子蛍光材料の作製
実施例1と同様の方法で13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料を製造した。得られた蛍光材料は橙色のPL発光を示した。
【発明の効果】
上記の通り、本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子発光体は、半導体ナノ粒子の純度が高く粒径分布が狭いため、均一な発光特性を有する。また、13族窒化物半導体ナノ粒子は比較的安全な化合物であるため人体及び環境に対する影響がすくない。そのため、蛍光標識材料及び発光デバイスの材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する装置の一例を示す構成図である。
【図2】コア/シェル型13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する装置の一例を示す構成図である。
【図3】マイクロ波加熱装置を用いた13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する装置の一例を示す部分構成図である。
【図4】コア/シェル型13族窒化物半導体ナノ粒子を製造する装置の別の例を示す構成図である。
【図5】本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の一例を示す概略断面図である。
【図6】本発明の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料の別の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1・・・アンモニアガスボンベ
2・・・窒素ガスボンベ
3・・・アンモニア用マスフローコントローラ
4・・・窒素用マスフローコントローラ(1)
5・・・窒素用マスフローコントローラ(2)
31・・・窒素用マスフローコントローラ(3)
32・・・窒素用マスフローコントローラ(4)
33・・・窒素用マスフローコントローラ(5)
6,34,35・・・バブラー
7・・・予熱用ヒータ
8・・・反応用ヒータ
36・・・シェル部生成反応用ヒータ
9・・・反応管
10・・・リアクタ
11・・・粒子捕集部
12・・・窒素用流量調節弁
13・・・マイクロ波加熱装置
14・・・排ガス処理部
101・・・13族窒化物半導体ナノ粒子
102・・・外殻層
103・・・表面修飾分子
X・・・結合性基
Y・・・官能基[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor nanoparticle fluorescent material that can be applied to a fluorescent labeling material and a light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Nano-sized particulate materials are known to exhibit different properties than bulk materials. For example, in the case of a semiconductor, a so-called quantum size effect in which the band gap, which has been considered to be inherent to conventional materials, changes depending on the size of the particles is well known. The particle size at which this effect becomes significant varies depending on the type of semiconductor material, and is generally several tens of nanometers to several nanometers. For this reason, single nanoparticles are particularly important. In addition, there are materials that are known to have such an effect that the quantum size effect becomes noticeable, and at the same time, the lifetime of fluorescence is shortened, and light emission that has not been observed can be observed. As described above, nano-sized materials, particularly single nano-sized materials, have different characteristics from conventionally known bulk materials, and thus are attracting a great deal of scientific and engineering attention.
[0003]
As the crystallite size of semiconductor nanoparticles decreases due to the quantum size effect, the fluorescence spectrum shifts to the short wavelength side. That is, if nanoparticles having different crystallite sizes are synthesized, various emission spectra can be obtained by excitation with light of a single wavelength. For example, a target molecule is detected by using a semiconductor nanoparticle such as CdSe / CdS (core / shell), CdSe / ZnS (core / shell), and binding a molecular probe to the surface of a bead made of these semiconductor nanoparticles. Semiconductor nanoparticle fluorescent materials have been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). These semiconductor nanoparticles can obtain light emission at different wavelengths by using different crystallite sizes. Simultaneous multiplex measurement is also possible by coding a labeled bead with a combination of emission wavelength and emission intensity. The semiconductor nanoparticle fluorescent material has excellent characteristics as a labeling material such as high sensitivity, low cost, and easy automation. Therefore, by using a semiconductor nanoparticle fluorescent material as a labeling material, it is possible to detect a specific site in a living body, a substance in plasma, and the like with high sensitivity and at high speed.
[0004]
Semiconductor nanoparticle fluorescent materials that have improved affinity with a matrix by coating the surface of semiconductor nanoparticles with a modifying molecule have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 3). By coating the semiconductor nanoparticles with a modifying molecule, it becomes possible to improve the affinity with an aqueous medium or to improve the dispersibility in an organic polymer or an organic solvent. This makes it easy to apply the semiconductor nanoparticle fluorescent material as a labeling material, and to disperse it in a resin to form a light emitting material. As described above, semiconductor nanoparticle fluorescent materials are expected to be widely applied in the fields of optical devices, clinical diagnosis, biochemical / medical research, and the like.
[0005]
When semiconductor nanoparticles are used as a light emitting material, it is important that the emission spectrum has a sharp peak as well as high sensitivity. In particular, when a plurality of nanoparticles having different emission wavelengths are used as the labeling material, the peak width is required to be narrow in order to prevent the emission peaks from overlapping each other. Since the emission wavelength changes with the crystallite size due to the quantum size effect, the crystallite size of the semiconductor nanoparticles must be uniform (narrow particle size distribution) to obtain an emission spectrum with a narrow peak width. is there. However, a technique for producing uniform semiconductor nanoparticles having a crystallite size of several tens to several nanometers has not been sufficiently studied. For example, Cd (CH3)2, TOPSe (trioctylphosphine selenide) and TOP (trioctylphosphine) mixed solution is added to TOPO (trioctylphosphine oxide), and a method of growing CdSe crystals is disclosed (Patent Document 1). However, when manufacturing in a liquid phase in this way, there exists a problem that a solvent component decomposes | disassembles and the contamination in a nanoparticle arises.
[0006]
Purity is extremely important for nanoparticles such as luminescent materials. This means that after the particle is excited in some way (light, electron beam, electric field, etc.), it returns to the ground state through the radiation process or returns to the ground state through the non-radiation process, ie does not emit light. This is because it is extremely sensitive to the concentration of impurities. Semiconductor nanoparticles with higher purity usually shine better. Of course, there are exceptions, but even in that case, it is very important that high-purity nanoparticles can be produced because the impurities need to be introduced at a target concentration.
[0007]
Conventionally, CdSe or CdSe / ZnS (core / shell) has been generally used as a semiconductor nanoparticle fluorescent material. However, the use of these materials is problematic from a safety and environmental standpoint. Therefore, since semiconductor nanoparticle fluorescent materials will be widely used in the future, it is desired to replace them with materials that are safer and have less environmental impact.
[0008]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,319,426
[Patent Document 2]
JP 2002-38145 A
[Patent Document 3]
JP 2003-64278 A
[Non-Patent Document 1]
“Science”, 1998, Vol. 281, No. 25, p. 2013-2016
[Non-Patent Document 2]
“Nature Biotechnology”, 2001, Vol. 19, p. 631-6354
[Non-Patent Document 3]
“Science”, 1998, Vol. 281, No. 25, p. 2016-2018
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material that has high sensitivity and uniform light emission characteristics, and is safe and has little influence on the environment.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research in view of the above object, the present inventors have mixed the organometallic compound containing a group 13 element and a nitrogen source (nitrogen raw material) and reacted them in the gas phase or plasma, whereby the particle size distribution is reduced. Narrow, fine and highly pure group 13 nitride semiconductor nanoparticles can be obtained, and by using such group 13 nitride semiconductor nanoparticles, a semiconductor nanoparticle fluorescent material having high sensitivity and uniform emission characteristics can be obtained. The present invention has been discovered.
[0011]
That is, the group 13 nitride semiconductor nanoparticles of the present invention were achieved by the following means.
(1) A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material having a group 13 nitride semiconductor nanoparticle and a surface modifying molecule bonded to the surface of the semiconductor nanoparticle, wherein the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is 13 A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material obtained by mixing an organic metal compound containing a group element and a nitrogen raw material and reacting them in a gas phase or plasma.
(2) A group 13 nitride semiconductor nanoparticle (core), an outer shell layer (shell) coated with the group 13 nitride semiconductor nanoparticle, and a surface modifying molecule bonded to the surface of the outer shell layer The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material, wherein the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is prepared by mixing an organometallic compound containing a group 13 element and a nitrogen raw material and reacting in a gas phase or plasma. A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material characterized.
(3) The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to (1) or (2), wherein a particle size distribution of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is a coefficient of variation of 50% or less.
(4) The group 13 nitride semiconductor nanoparticles are substantially composed of a group 13 element and nitrogen, and the ratio of the number of atoms of the group 13 element to nitrogen (group 13 element: nitrogen) is 1: 0.95 to 1: It is 1.05, The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material in any one of (1)-(3) characterized by the above-mentioned.
(5) The amount of oxygen and carbon contained in the group 13 nitride semiconductor nanoparticles is 0.05 or less in terms of the ratio of the number of atoms with nitrogen. (1) to (4) The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to any one of the above.
(6) The group 13 nitride semiconductor nanoparticles include a core group 13 nitride having a band gap energy of 1.5 to 3.1 eV and a shell portion having a band gap energy exceeding 3.1 eV. It is a core / shell type made of a group 13 nitride, and the core part and the shell part of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles are prepared by mixing an organometallic compound containing a group 13 element and a nitrogen raw material in a gas phase or The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to any one of (1) to (5), which is reacted in plasma.
(7) The group 13 element of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles is at least one selected from the group consisting of Ga, In, and Al, according to any one of (1) to (6), Group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material.
(8) The group 13 element of the core portion of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles is selected from the group consisting of In, Ga and In, Al and In, and Al, Ga and In, and the group 13 of the shell portion The group 13 nitride semiconductor nanoparticles according to (6), wherein the element is selected from the group consisting of Ga, Al, Ga and In, Al and In, Ga and Al, and Al, Ga and In Fluorescent material.
(9) In the method for producing a group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to any one of (1) to (8), the group 13 nitride semiconductor nanoparticle production reaction is substantially a tube-shaped reaction tube. A method for producing a Group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material, characterized in that:
(10) The group 13 nitride semiconductor nanoparticles are produced by reacting a group 13 raw material having a saturated vapor pressure of 133 Pa or higher at 50 ° C. and a nitrogen source having a saturated vapor pressure of 50 Pa or higher at 50 ° C. The manufacturing method of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material as described in (9).
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[1] Group 13 nitride semiconductor nanoparticles
The group 13 nitride semiconductor nanoparticles are nanoparticles composed of a group 13 element and nitrogen, and the group 13 element represents boron, aluminum, gallium, indium, and tantalum. Of these, Group 13 elements preferably used in the present invention are aluminum, gallium and indium. The semiconductor nanoparticles of the present invention may contain unavoidable impurities, but the ratio of group 13 element to nitrogen (group 13 element: nitrogen) is preferably 1: 0.8 to 1: 1 based on the number of atoms. .2, more preferably 1: 0.9 to 1: 1.1, and most preferably 1: 0.95 to 1: 1.05. A group 13 element may be used alone, or a plurality of group 13 elements may be mixed and used as a mixed crystal. The preferred composition of the group 13 element is gallium alone, indium alone, aluminum alone, a mixed crystal of gallium and indium, a mixed crystal of aluminum and indium, a mixed crystal of gallium and aluminum, and a mixed crystal of aluminum, gallium and indium. The mixing ratio of each element in the case of a mixed crystal can be selected as necessary.
[0013]
The group 13 nitride semiconductor nanoparticles have a core group 13 nitride having a band gap energy of 1.5 to 3.1 eV, and more than 3.1 eV (preferably more than 3.1 eV to about 6.5 eV). ) A core / shell type made of a group 13 nitride of a shell portion having band gap energy may be used. In this case, the group 13 element in the core portion is preferably selected from the group consisting of indium alone, gallium and indium, aluminum and indium, and aluminum, gallium and indium, and the group 13 element in the shell portion is gallium alone and aluminum alone. It is preferably selected from the group consisting of gallium and indium, aluminum and indium, gallium and aluminum, and aluminum, gallium and indium.
[0014]
The number average particle diameter of the semiconductor nanoparticles is preferably 0.5 to 100 nm, more preferably 0.5 to 50 nm, still more preferably 0.5 to 20 nm, and most preferably 0.8. 5-10 nm. The particle size distribution of the semiconductor nanoparticles is preferably 0 to 50%, more preferably 0 to 20%, and still more preferably 0 to 10% in terms of coefficient of variation. The coefficient of variation means a value (arithmetic standard deviation × 100 / number average particle size) obtained by dividing the arithmetic standard deviation by the number average particle size and expressing this as a percentage.
[0015]
The semiconductor nanoparticles may be aggregates, in which case they are so-called soft aggregates in which individual particles can be separated, and aggregates obtained by sintering individual particles (for example, aggregates obtained by a laser ablation method or the like). ) Is not included. The number average particle size and particle size distribution of the semiconductor nanoparticles mean the number average particle size and particle size distribution in the primary particles.
[0016]
The group 13 nitride semiconductor used for the semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention may have a dopant added as necessary. The kind and addition amount of the dopant may be appropriately selected according to the purpose.
[0017]
[2] Method for producing group 13 nitride semiconductor nanoparticles
As a method for producing a group 13 nitride semiconductor nanoparticle, a method of producing a nanoparticle having a monodispersed and narrow particle size distribution from the beginning may be used, or after producing a nanoparticle having a polydispersed or wide distribution. A method of producing nanoparticles having a desired particle size distribution by classification may be used. Classification is not particularly limited, and a known method can be used. Of these methods, it is preferable to use a method of producing nanoparticles that are monodispersed and have a narrow particle size distribution from the beginning.
[0018]
As a method for producing nanoparticles that are monodispersed in a gas phase or plasma and have a narrow particle size distribution, known methods can be appropriately used. Preferable production methods include a thermal CVD method, a plasma CVD method, a photoexcited CVD method, and the like. Among them, particularly preferable methods are a thermal CVD method and a plasma CVD method. Regarding the process in which nucleation occurs from a gas raw material in the gas phase, and subsequently the final particles are obtained through particle growth, agglomeration, fusion, etc., the explanation by Okuyama et al. (J. Soc. Powder Technol., Japan, 2002) 39, p.274-287).
[0019]
(A) Raw material
Examples of the raw material (Group 13 raw material) containing a Group 13 element used for the production of Group 13 nitride nanoparticles include simple substances and compounds of boron, aluminum, gallium, indium or tantalum. Of these, Ga raw materials (gallium and gallium compounds), Al raw materials (aluminum and aluminum compounds) and In raw materials (indium and indium compounds) are preferable. An organic gallium compound or the like can be used as the Ga material, an organic aluminum compound or the like can be used as the Al material, and an organic indium compound or the like can be used as the In material. Of these group 13 materials, a material having a saturated vapor pressure at 50 ° C. of 133 Pa (1 Torr) or higher is preferably used, and a material of 133 Pa (1 Torr) to 101,300 Pa (760 Torr) is more preferably used, and 399 Pa ( It is more preferable to use a raw material of 3 Torr) to 101,300 Pa (760 Torr).
[0020]
Hereinafter, although the raw material which can be preferably used is specifically enumerated, the compound which can be used as a group 13 raw material is not limited to these examples. Preferred examples of the Ga raw material include diethyl acetylacetonate gallium, diethylcyclopentadienyl gallium, diethyl gallium azide, diethyl gallium chloride, diethyl gallium fluoride, diethyl methylcyclopentadienyl gallium, dimethyl acetylacetonate gallium, dimethylcyclohexane. Pentadienylgallium, dimethylgallium bromide, dimethylgallium chloride, dimethylgalliumdimethylamide, dimethylgallium fluoride, ethylgallium dichloride, methylgallium dichloride, t-butylgallium sulfide, triethylgallium (TEG), triethylgalliumdimethylethylamine Adduct, triisobutylgallium, trimethylgallium (TMG), trimethylgallium dimethylethylamine adduct, trimethylgallium trimethyl Amine adducts, tri-n-butylgallium, tri-n-propylgallium, triphenylgallium, tri-t-butylgallium, tris (acetylacetonato) gallium, tris (dipivaloylmethanato) gallium, tris (hexafluoroacetyl) Acetonato) gallium and the like.
[0021]
Preferable examples of the In raw material include trimethylindium (TMI), triethylindium (TEI), trimethylindium dimethylethylamine adduct, triacetylacetonate indium and the like. Preferred examples of the Al raw material include trisacetylacetonate aluminum, trisdipivaloylmethanato aluminum, trishexafluoroacetylacetonate aluminum, triethylaluminum (TEA), triisobutylaluminum, trimethylaluminum (TMA), ethyl dichloride. Examples thereof include aluminum, methylaluminum dichloride, diethylaluminum chloride, dimethylaluminum hydride, dimethylaluminum amide, and dimethylaluminum dimethylethylamine adduct.
[0022]
Among these compounds, a compound having a relatively low vapor pressure (for example, triacetylacetonato indium) requires a relatively high temperature during supply, and thus has a problem that it is difficult to control the supply amount. In addition, since the raw material supplied in a vapor state may be condensed again into a liquid or solid, it is difficult to maintain uniformity in the gas phase, and the purity, composition, and particle size of the generated particles are likely to be distributed. On the other hand, since a compound having a relatively high vapor pressure can supply vapor at a temperature of about −10 ° C. to about 50 ° C., the apparatus becomes simple and easy to control. Further, once vaporized is unlikely to be condensed again, it is more preferable as a raw material for the group 13 nitride semiconductor nanoparticles.
[0023]
More preferable specific examples of the raw material for the group 13 nitride semiconductor nanoparticles include Ga raw materials such as diethyl gallium chloride, dimethyl acetylacetonate gallium, triethyl gallium (TEG), and trimethyl gallium (TMG), and triethyl indium (TEI). Examples include In raw materials and Al raw materials such as trimethylaluminum (TMA) and triethylaluminum (TEA).
[0024]
As a method of supplying these raw materials, a method of heating in an air stream on a boat for heating, a method of supplying by a spray if it is a liquid raw material, a method of supplying while generating a raw material that is easily vaporized in the system, A method such as a method of supplying by bubbling can be used. A general method often used for vacuum deposition or the like may be used as a method of heating in an air stream on a boat for heating. Although this method can be applied to liquid and solid raw materials and is simple, there is a problem that it is difficult to control the raw material supply amount. The method of supplying by spraying is suitable for supplying a relatively large amount of raw material because the liquid raw material can be efficiently supplied. The method of supplying the raw material that is easily vaporized in the system can be stably supplied by generating an unstable volatile compound in the system. For example, gallium trichloride is heated to produce gallium monochloride, gallium oxide is heated to produce gallium suboxide, and metallic gallium is heated in a gas stream containing chlorine gas or hydrogen chloride to gallium monochloride. There is a method of generating.
[0025]
The bubbling method is a method in which a carrier gas is supplied in the form of bubbles into a Group 13 liquid material having a relatively high vapor pressure and the evaporated Group 13 material is used. Since it can be controlled by the pressure and the flow rate of the carrier gas to be bubbled, it can be particularly preferably used.
[0026]
Although various materials can be used as the nitrogen material, it is preferable to use a material having a saturated vapor pressure at 50 ° C. of 133 Pa (1 Torr) or more, and more preferably a material having a temperature of 399 Pa (3 Torr) or more. The saturated vapor pressure at 50 ° C. being 133 Pa (1 Torr) or more means that the saturated vapor pressure at 50 ° C. is 133 Pa or more, or the critical temperature is exceeded at 50 ° C. For example, nitrogen gas has a critical temperature in the vicinity of −147 ° C., and liquid cannot exist at temperatures higher than this, so there is no saturated vapor pressure itself, but such a state exceeding the critical temperature is liquid at 50 ° C. In the present invention, the saturated vapor pressure at 50 ° C. is defined to be 133 Pa or higher. The same applies to the saturation vapor pressure values of other nitrogen raw materials.
[0027]
Preferred examples of the nitrogen raw material include nitrogen, ammonia, hydrazine, methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, ethylmethylamine, diethylmethylamine, ethyldimethylamine, propylamine, dipropylamine, and tripropylamine. Butylamine, dibutylamine, tributylamine, nitrous oxide, nitric oxide and the like. More preferable examples include nitrogen, ammonia, hydrazine, methylamine, ethylamine, dimethylamine, trimethylamine, diethylamine, triethylamine and the like. Among them, ammonia can be particularly preferably used because it does not contain carbon that can cause contamination, is a gas at room temperature, and has high reactivity.
[0028]
In order to produce the particles by stably supplying and reacting the above group 13 raw material and nitrogen raw material, it is preferable to use a gas for diluting the raw material and carrying it to the reaction part, that is, a carrier gas, particularly in the gas phase reaction. . Preferable examples of the carrier gas include hydrogen, helium, nitrogen, oxygen, neon, argon and the like. Of these, helium, nitrogen, neon and argon are more preferable.
[0029]
The mixing ratio of the group 13 material to the nitrogen material (nitrogen material / group 13 material) is preferably 100 to 20000, more preferably 300 to 5000 in terms of molar ratio. When the mixing ratio is higher than 20000, the yield decreases, and when it is lower than 100, the purity of the unreacted group 13 raw material or the semiconductor nanoparticles generated by the group 13 element generated by decomposition of the group 13 raw material decreases.
[0030]
(B) Manufacturing equipment
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an apparatus used in the method for producing a group 13 nitride semiconductor nanoparticle of the present invention. The apparatus includes a cylinder 1 filled with nitrogen source ammonia gas, a cylinder 2 filled with carrier gas nitrogen gas, a bubbler 6 filled with group 13 material, a reactor 10, a particle collection unit 11, and an exhaust gas treatment. Part 14 is provided. A line 21 exiting from the ammonia gas cylinder 1 is connected to the ammonia mass flow controller 3, and a line 22 exiting from the nitrogen gas cylinder 2 is branched to form a nitrogen mass flow controller (1) 4, a nitrogen mass flow controller (2) 5, and The flow control valve 12 for nitrogen is connected. A line 28 exiting from the nitrogen mass flow controller (2) 5 is connected to a bubbler 6. The bubbler 6 supplies nitrogen to the filled group 13 material, and the group 13 material is evaporated by bubbling. The bubbler 6 is provided with a heater (not shown) so that the group 13 material can be heated to a desired temperature. The line 29 exiting from the bubbler 6 is connected to the line 24 exiting from the nitrogen mass flow controller (1) 4 so that the group 13 raw material vapor and nitrogen can be mixed. The line 24 and the line 23 coming out from the ammonia mass flow controller 3 are respectively connected to a mixing section (not shown) provided in the quartz reaction tube 9 of the reactor 10.
[0031]
By adjusting the settings of the ammonia mass flow controller 3, the nitrogen mass flow controller (1) 4, and the nitrogen mass flow controller (2) 5, the amounts and ratios of the group 13 raw material, ammonia and nitrogen introduced into the reactor 10 are adjusted. be able to.
[0032]
When group 13 nitride semiconductor nanoparticles are mixed, another set of nitrogen mass flow controller (3) 31, line 38, bubbler 34, and line 39 (shown in broken lines in FIG. 1) is installed in parallel. It can produce by doing. For example, when the semiconductor nanoparticles are made of a mixed crystal of gallium and indium, one of the bubblers (bubbler 6) is filled with the In raw material, and the other bubbler (bubbler 34) is filled with the Ga raw material. Nitrogen is supplied to each bubbler, and indium vapor generated in the bubbler 6 and gallium vapor generated in the bubbler 34 are supplied to the line 24 through the line 28 and the line 39, respectively, and mixed. The ratio of gallium and indium in the mixed crystal can be adjusted to a desired ratio by the flow rate of nitrogen gas supplied to each bubbler, the temperature of the bubbler, and the like.
[0033]
FIG. 2 shows an example of an apparatus for producing core / shell group 13 nitride semiconductor nanoparticles. When manufacturing core / shell type nanoparticles, the above-described apparatus shown in FIG. 1 is used for manufacturing the group 13 nitride semiconductor nanoparticles of the core portion, and for manufacturing the group 13 nitride semiconductor nanoparticles of the shell portion. Further, a nitrogen mass flow controller (4) 32, a nitrogen mass flow controller (5) 33, lines 40 and 41, a bubbler 35, a line 37, and a shell portion generation reaction heater 36 are added. As shown in FIG. 2, by introducing the raw material gas of the shell portion immediately before the added heater 36, the core portion particles are coated with the raw material of the shell portion to produce core / shell type nanoparticles. Can do.
[0034]
The reaction tube 9 can be of various known shapes. Particularly preferred is a tubular reaction tube or a reaction tube having a combination of circular tubes. The diameter and length of the reaction tube 9 can be arbitrarily selected depending on the amount of particles to be produced, the amount of gas to be flowed, and the like. Particularly important is the time during which the gas stays in the reaction tube 9. For this reason, it is desirable to determine the diameter and length of the reaction tube 9 from the amount of particles to be produced, the amount of raw material gas to flow, the amount of carrier gas, and the preferred residence time. The residence time of the reaction gas in the reaction tube 9 is preferably 10 milliseconds to 10 seconds, and more preferably 10 milliseconds to 1 second. When the time is shorter than 10 milliseconds, the reaction does not proceed sufficiently, and when the time is longer than 10 seconds, the generated particles grow and the particle size distribution becomes wide.
[0035]
The reactor 10 preferably has a configuration including a preheating part, a mixing part, and a reaction part. A preheating part is a part which heats beforehand in the state which a 13th group raw material and a nitrogen raw material do not mix, By this, it can be made to react rapidly at the time of mixing. A preheating heater 7 is provided in the preheating portion, and the group 13 raw material and the nitrogen raw material can be heated to a predetermined temperature in advance. The shape of the preheating portion can be any shape, but is preferably a simple circular tube. The mixing part is a part for mixing the group 13 raw material and the nitrogen raw material, and in order to produce a group 13 nitride semiconductor nanoparticle having a high purity and being monodispersed and having a narrow particle size distribution. is important. This part is preferably designed so as to cause turbulence by constriction or by narrowing one of the two raw material outlets to be mixed.
[0036]
The reaction part is a part that is continuous with the mixing part, and is a part where the mixed gas causes a chemical reaction to generate group 13 nitride semiconductor nanoparticles. In order to prevent this part from adhering the generated particles to the wall surface, it is preferable that the reaction tube 9 has a relatively simple shape. Specifically, it is preferably a substantially circular tube type, particularly preferably a circular tube type. The circular tube type means that the inner shape of the reaction part has a circular cross section when cut perpendicular to the direction in which the source gas and the carrier gas flow. The circular tube type reaction tube is preferably a simple cylindrical shape without an obstacle inside. The circularity of the circular tube type reaction tube is the radius of the smallest inscribed circle and the largest inscribed circle radius in the inner sectional shape when cut perpendicularly to the flow direction of the source gas and the carrier gas. The ratio to is preferably 1 to 1.4, more preferably 1 to 1.2, and most preferably 1 to 1.1. In addition, the phrase “substantially circular tube type” means that, in addition to the case of a simple circular tube type, changes may be made without departing from the object of the present invention. For example, in order to prevent the generation of particles and precipitates on the wall surface, an infinite number of holes are formed in the inner wall of the circular tube and gas is supplied from these holes, or the sheath gas flows along the inner wall of the circular tube Ingenuity may be given. A reaction heater 8 is provided in the reaction section so that it can be heated to a desired temperature.
[0037]
Various known materials can be used as the material of the reaction tube 9. Since the reaction becomes high temperature, those having high heat resistance are preferred, and specifically, quartz glass, sintered alumina, a high melting point metal or the like is preferably used. In particular, quartz glass can be melted and processed, so that it is possible to produce a reaction tube 9 having a complicated shape, and it is particularly preferable because it is transparent so that the inside can be seen.
[0038]
The reaction temperature is preferably 700 to 1200 ° C, more preferably 850 to 1150 ° C, and particularly preferably 950 to 1150 ° C. It is very important to accurately control the reaction temperature. If the temperature is too low, the raw material will not react sufficiently, so the yield will be low or decomposition of the raw material will be insufficient and impurities will be mixed in, and if the temperature is too high, undesirable side reactions such as decomposition of the generated particles will occur again. Get up. The preheating temperature can be selected from room temperature to the reaction temperature. Preferably it is room temperature-reaction temperature -200 degreeC, More preferably, it is 200 degreeC-reaction temperature -400 degreeC.
[0039]
When producing core / shell group 13 nitride semiconductor nanoparticles, the reaction temperature for forming the core part and the shell part may be the same as the above reaction temperature. Alternatively, the shell raw material may be preheated before being supplied to the reaction tube 9. The preheating temperature may be the same as the preheating temperature. The particle size of the core portion and the thickness of the shell portion covering the core portion can be adjusted to the desired particle size and thickness by appropriately adjusting the amount of source gas supplied, the amount of carrier gas, and the residence time. it can.
[0040]
Various known methods can be used as a method of heating the reactor 10. Specifically, a method of heating by a resistance heating electric furnace, a reflection furnace of a method of irradiating a heat ray, or the like can be preferably used. It is more preferable to use a resistance heating electric furnace because of high temperature stability and uniformity.
[0041]
It is preferable that the end of the reaction part is provided with a mechanism for rapidly cooling the reaction gas containing the generated nanoparticles. By quenching the reaction gas, the end point of the reaction becomes clear, and the generated particles can be prevented from thermal decomposition, aggregation, adhesion to the wall surface, and the like. This increases the yield of recovered particles, increases the purity, and narrows the particle size distribution. As a method for rapidly cooling the reaction gas, a method of mixing with a gas having a low temperature, a method of contacting with a cooled wall surface, or the like can be used. Among them, a method of mixing with a gas having a low temperature is particularly preferable because it can be instantaneously cooled and there is little adhesion of particles to the wall surface. In the example shown in FIGS. 1 and 2, a line 25 from the nitrogen flow control valve 12 is connected to the upper part of the reaction tube 9 to instantaneously cool particles generated by mixing the reaction gas with nitrogen. Can do.
[0042]
The produced particles can be recovered using various known methods. In the example shown in FIG. 1 and FIG. 2, a line 26 coming out from the top of the reaction tube 9 is connected to the particle collecting unit 11, and the generated particles are sent to the particle collecting unit 11 through the line 26. Collected by the collecting unit 11. As a collecting method in the particle collecting unit 11, a method of collecting using a filter, a method of collecting using an electrostatic collector, a method of collecting using a thermophoretic collector, or the like is preferably used. be able to. The collected semiconductor nanoparticles may be further classified as necessary.
[0043]
FIG. 3 is a partial configuration diagram showing another example of a manufacturing apparatus used for manufacturing the group 13 nitride semiconductor nanoparticles of the present invention. The reactor 10 includes a mixing unit and a reaction unit. A line 23 exiting from the ammonia mass flow controller 3 and a line 24 exiting from the nitrogen mass flow controller (1) 4 are connected to a mixing section (not shown) of the reaction tube 9, respectively. A microwave heating device 13 is provided in the reaction tube 9, and a line 25 from the nitrogen flow rate control valve 12 is connected to the upper portion of the reaction tube 9, and a line 26 exiting from the top of the reaction tube 9. Is connected to the particle collecting section 11. The parts other than the reactor 10 are the same as those of the manufacturing apparatus shown in FIG.
[0044]
After mixing ammonia from the line 23 and the group 13 raw material from the line 24 in the mixing section of the reaction tube 9 of the reactor 10, the raw material mixed in the microwave heating device 13 is instantaneously heated through the reaction tube 9. And react in the generated plasma. The generated particles are quenched with nitrogen and then sent to the particle collecting unit 11 for collection. As in the case of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the shape of the reaction tube 9 is preferably substantially a circular tube type, and is particularly preferably a circular tube type. The time that the gas stays in the reaction tube 9 is preferably 1 to 10 seconds, and more preferably 1 to 100 milliseconds. The reaction temperature is preferably 700 to 1200 ° C, more preferably 850 to 1150 ° C, and particularly preferably 950 to 1150 ° C. The material of the reaction tube 9 is preferably quartz or alumina, particularly quartz. In this example, it is not necessary to preheat the raw material gas in advance, and the raw material gas may be reacted through the reaction tube 9 immediately after mixing the raw materials. When producing core / shell group 13 nitride semiconductor nanoparticles, as in the production apparatus shown in FIG. 2, the number of channels of the group 13 raw material is increased by one system, and the microwave heating device 13 is further increased by one stage. It can manufacture by introducing the raw material for shells just before the expanded microwave heating device 13.
[0045]
[3] Group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material
(A) Outer shell layer
The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention may have an outer shell layer (shell). The semiconductor nanoparticles obtained by the above-described method are coated with a compound having a larger band gap energy, whereby the energy state on the surface of the semiconductor nanoparticles is stabilized and the light emission efficiency is improved. The semiconductor nanoparticle fluorescent material may be a so-called core / shell type semiconductor nanoparticle, or may have a structure in which a plurality of semiconductor nanoparticles are coated with an outer shell layer.
[0046]
The material forming the outer shell layer may be a known material. For example, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, MgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, HgO, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InN, InP, InSb, AlAs, AlN, AlP, AlSb, BN, BaS, SiO2TiO2, And two or more kinds of these alloys and mixtures. A material having a band gap larger than the band gap of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles as the core is preferable. For example, ZnS, GaN, AlN, MgS, MgSe, MgTe and the like can be mentioned.
[0047]
The outer shell layer is not limited to the case where the semiconductor nanoparticles are completely covered, and may be partially covered. The area ratio is preferably 50% or more with respect to the surface of the semiconductor nanoparticles. A method for forming the outer shell layer is not particularly limited, and a known method may be appropriately used. For example, a hot soap method which is a liquid phase manufacturing method can be used. At that time, since the surface of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles is rapidly changed to an oxide in the air, it is preferable to perform the reaction in an inert gas such as nitrogen or argon. In order to remove the trace amount of moisture and oxygen contained in commercially available nitrogen gas and argon gas, or the trace amount of moisture adsorbed on the surface of the container enclosing the inert gas, a desiccant and oxygen scavenger are used together with the inert gas. Use in combination is also preferred.
[0048]
In the present invention, particularly preferred group 13 nitride semiconductor nanoparticles are the core / shell type in which both the core part and the shell part are made of a group 13 nitride as described above, and both the core part and the shell part contain an organic group 13 element. This is a production method in which a metal compound and a nitrogen raw material are mixed and reacted in a gas phase or plasma.
[0049]
(B) Surface modifying molecule
The surface modifying molecule has a matrix affinity region and a binding group that binds to the surface of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle or outer shell layer (shell). By bonding the surface modifying molecules, the group 13 nitride semiconductor nanoparticles can be separated from each other. The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention can be used in an organic medium such as an organic solvent or a resin, or can be used in an aqueous medium. The matrix affinity region is appropriately selected according to the medium to be used. For example, when the semiconductor nanoparticle fluorescent material is used in a hydrophobic organic medium, the matrix affinity region is preferably composed of a hydrophobic region mainly composed of aliphatic hydrocarbons and aromatic hydrocarbons. When the semiconductor nanoparticle fluorescent material is used in an aqueous medium, the matrix affinity region is a hydrophilic region containing a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, an amino group, an amide group, or a salt thereof. Preferably it consists of.
[0050]
As the binding group bonded to the surface of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle or the outer shell layer (shell), known binding groups described in Patent Documents 1 to 3, Non-Patent Document 3, and the like can be used. For example, nitrogen-containing functional groups (amino group, pyridine ring group, nitrile group, etc.), sulfur-containing functional groups (mercapto group, methyl sulfide group, methyl disulfide group, thioacid group, dithioacid group, xanthate group, xanthate group, Isothiocyanate group, thiocarbamate group, thiophene ring, etc.), acidic group (carboxyl group, sulfonic acid group, phosphonic acid group, phosphinic acid group, phosphonic acid partial ester group, phosphinic acid partial ester group, etc.) and their salts, amide groups (Carboxylic acid amide group, sulfonic acid amide group, phosphonic acid amide group, phosphinic acid amide group and the like), phosphine group, phosphine oxide group, hydroxyl group and the like.
[0051]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention. The core group 13 nitride semiconductor nanoparticles 101 are covered with an outer shell layer (shell) 102, and surface modifying molecules 103 are bonded to the surface of the outer shell layer 102 by a binding group X. The mode of bonding by the bonding group X is not particularly limited, and may be a coordinate bond or a covalent bond. The surface modification molecule 103 has a matrix affinity region, and the structure of the matrix affinity region can be appropriately selected according to the intended use of the nanoparticle fluorescent material as described above.
[0052]
When the group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention is used as a fluorescent labeling material or the like, the surface modifying molecule should bind to nucleic acid (oligonucleotide or the like), antibody, protein, polysaccharide, etc. in addition to the binding group. Amino group, carboxyl group, sulfonic acid group, urea group, -NHCONH2It is preferable to have a functional group such as Preferred examples of the surface-modifying molecule having these functional groups include mercaptoacetic acid, 2-mercaptoethanesulfonic acid, 2-aminoethanethiol, 2-mercaptopropionic acid, 7-carboxy-1-heptanethiol, 11-mercaptoundecane. Examples include acids, 4,4′-dithiodibutanoic acid, 10-carboxydecyl disulfide, dithiobis (succinimidyl octanoate), dithiobis (succinimidyl undecanoate), and ω-mercapto fatty acid amidoamines. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention. In this example, the surface modification molecule 103 has a functional group Y together with the binding group X, and can bind to a ligand or the like by the functional group Y.
[0053]
It is confirmed by chemical analysis that the surface of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles is covered with a modifying molecule, when observed with a high-resolution TEM such as FE-TEM, and a certain interval between the particles. can do.
[0054]
【Example】
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
[0055]
Example 1
(1) Preparation of indium nitride nanoparticles
Using the apparatus shown in FIG. 1, indium nitride nanoparticles were produced by the following operation. First, triethylindium was put into the bubbler 6, the mass flow controller 3 was set to 1 SLM, the mass flow controller (1) 4 was set to 1 SLM, and the mass flow controller (2) 5 was set to 10 SCCM. The temperature of the bubbler 6 was set to 80 ° C., and nitrogen from the mass flow controller (2) 5 was supplied to the bubbler 6 to generate triethylindium vapor. The generated triethylindium vapor was mixed with nitrogen from the mass flow controller (1) 4 and sent to the reactor 10 through the line 24. The gas containing triethylindium in the line 24 and the ammonia gas in the line 23 are preheated to 200 ° C. by the heating device 7 of the reactor 10, and then turbulent flow is generated and mixed in the mixing portion of the reactor 10 to form a quartz circular tube. The reaction tube 9 was introduced. The reaction tube 9 was heated by the heating device 8 so that the reaction temperature became 800 ° C., and the reaction gas containing particles generated by introducing nitrogen gas from the nitrogen flow control valve 12 into the upper portion of the reaction tube 9 was rapidly cooled. . The generated particles were collected by waiting for the temperature of each part to stabilize, and setting the PTFE filter in the particle collecting unit 11.
[0056]
In order to analyze the chemical composition of the particles, an electrostatic collector is set in the particle collector 11 under the same conditions as described above, and a TEM grid is fixed to the counter electrode while corona discharge is performed in the gas. Part of the particles was collected on a TEM grid. For particles collected by the filter, indium was analyzed by ICP emission spectrometry (SPS4000, manufactured by Seiko Instruments Inc.), and nitrogen was inert gas melting-thermal conductivity method (EMGA-620W / C, manufactured by Horiba, Ltd.). Quantified with. The results are shown in Table 2.
[0057]
Further, the particles collected on the TEM grid were observed with a TEM (transmission electron microscope), the particle size was measured, and the coefficient of variation was obtained. The shape of the generated particles was not circular but somewhat squared, and the shape projected on the TEM photograph was close to a triangle and was frequently observed. Since it was not circular, the particle diameter was evaluated by using the diameter of the circle when the projected area was considered as the area of the circle, that is, the area equivalent diameter.
[0058]
Furthermore, when the electron diffraction pattern was taken using TEM, it turned out that a diffraction pattern corresponds with the pattern of indium nitride.
[0059]
The amount of impurities was analyzed by Auger electron spectroscopy (device name: SAM-670, manufactured by PHI). The amount of carbon and oxygen impurities was quantified by the standard sensitivity value of the apparatus, and evaluated based on the following criteria. The results are shown in Table 2.
[0060]
Impurity level evaluation criteria
A: The ratio of the number of atoms to nitrogen is less than 0.03 for both oxygen and carbon
○: One is 0.03 or more but both are 0.05 or less
Δ: Both 0.03 or more and 0.05 or less
×: Not applicable to any of these
[0061]
[Table 1]
Figure 2004307679
(Note) TEI: Triethylindium, set value (1): Mass flow controller set value for ammonia, set value (2): Mass flow controller for nitrogen (1) Set value, set value (3): Mass flow controller for nitrogen (2) Setting value
[0062]
[Table 2]
Figure 2004307679
(2) Fabrication of indium nitride nanoparticle fluorescent material
20 mg of the obtained indium nitride nanoparticles were added and dispersed in 20 ml of a 0.3% toluene solution of 10-carboxydecyl disulfide. Excess 10-carboxydecyl disulfide was removed by ultrafiltration. The indium nitride nanoparticle dispersion emitted red light when irradiated with an ultraviolet lamp. Further, when a carbon film was formed on a copper mesh, the dispersion was dropped onto the copper mesh, dried, and observed with a TEM, it was found that there was a certain interval between the particles. The presence of 10-carboxydecyl disulfide on the particles was confirmed by FT-IR.
[0063]
Examples 2-5
(1) Preparation of indium nitride nanoparticles
Indium nitride nanoparticles were produced under the same conditions as in Example 1 except that the conditions shown in Table 1 were used. In the same manner as in Example 1, the chemical composition and particle size of the particles were measured, and the amount of impurities was evaluated. The results are shown in Table 2. Further, from the electron beam diffraction image, all the particles of Examples 2 to 5 showed a diffraction pattern that coincided with the pattern of indium nitride in the same manner as the particles of Example 1.
[0064]
(2) Indium nitride nanoparticle fluorescent material
A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material was produced in the same manner as in Example 1. The obtained fluorescent material showed good fluorescent color development as in Example 1, and the shorter the particle size, the shorter the wavelength.
[0065]
Example 6- 10
(1) Preparation of indium nitride / gallium nitride (core / shell type) nanoparticles
Indium nitride / gallium nitride (core / shell type) nanoparticles were produced using the production apparatus shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 2 is the same as the apparatus shown in FIG. 1 except that one passage is provided for the group 13 channel and the reactor 10 is provided with one additional heater 36 and a preheating heater (not shown). . Trimethyl gallium, which is a Ga raw material, is introduced immediately before the added heater 36, and the core made of the indium nitride nanoparticles of Examples 1 to 5 is coated with gallium nitride to form a core / shell type indium nitride / gallium nitride nano. Particles were obtained. The synthesis condition of the shell part (gallium nitride) is as follows: temperature of the bubbler 35: 10 ° C., set value {circle around (1)} (set value of the mass flow controller 3 for ammonia): 2 SLM, set value {circle around (2)} (mass flow controller for nitrogen (4) 32 set value): 2 SLM, set value {circle around (3)} (set value of nitrogen mass flow controller (5) 33): 2SCCM, preheating temperature 500 ° C., reaction temperature: 1000 ° C. The synthesis of the core part (indium nitride) was performed under the same conditions as in Example 1 except that the set value (1) was set as the above condition. The generated particles were collected by waiting for the temperature of each part to stabilize, and setting the PTFE filter in the particle collecting unit 11.
[0066]
When the chemical composition and particle size of the collected particles were measured, the shell portion had a Ga / N element ratio of 0.98, and the particle size was increased by 2 to 3 nm from the number average diameter of each Example in Table 2. It was.
[0067]
When an electron diffraction pattern was taken using TEM, the diffraction pattern showed a gallium nitride pattern in addition to the indium nitride pattern.
[0068]
Further, the amount of impurities was quantified by Auger electron spectroscopy in the same manner as in Example 1, and it was found that the result was evaluated according to the same criteria as in Example 1.
[0069]
(2) Production of indium nitride / gallium nitride (core / shell type) nanoparticle fluorescent material A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material was produced in the same manner as in Example 1. The obtained fluorescent materials were a little shorter than the fluorescent materials of Examples 1 to 5, respectively, but the fluorescence intensity increased.
[0070]
Example 11
(1) Preparation of indium gallium nitride / gallium nitride (core / shell type) nanoparticles
Using the apparatus shown in FIG. 4, core / shell nanoparticles of indium gallium nitride / gallium nitride were produced by the following operation. The apparatus shown in FIG. 4 is the same as the apparatus shown in FIG. 2 except that a mass flow controller (3) 31, a line 38, a bubbler 34, and a line 39 for producing a mixed crystal of group 13 nanoparticles are added. First, triethylindium was put into the bubbler 6 and the temperature was set to 67.8 ° C. The bubbler 34 was charged with trimethylgallium and the temperature was set to 10 ° C. The bubbler 35 was charged with trimethylgallium and the temperature was set to 10 ° C. The set value of the mass flow controller 3 was set to 2 SLM, the set value of the mass flow controller (1) 4 was set to 1 SLM, and the set value of the mass flow controller (4) 32 was set to 0.5 SLM. Further, the setting value of the mass flow controller (2) 5 was set to 16 SCCM, the setting value of the mass flow controller (3) 31 was set to 0.4 SCCM, and the setting value of the mass flow controller (5) 33 was set to 2 SCCM. Nitrogen from mass flow controller (2) 5 is supplied to bubbler 6, nitrogen from mass flow controller (3) 31 is supplied to bubbler 34, nitrogen from mass flow controller (5) 33 is supplied to bubbler 35, and triethylindium, trimethylgallium and Trimethylgallium vapor was generated. The generated two group 13 raw material vapors were mixed with nitrogen from the mass flow controller (1) 4 and sent to the reaction tube 9 through the line 24. On the other hand, the latter trimethylgallium vapor was mixed with nitrogen from the mass flow controller (4) 32 and sent to the reaction tube 9 through the line 37. The gas containing the Group 13 raw material in the line 24 and the ammonia gas in the line 23 are preheated to 200 ° C. by the preheating heater 7 of the reactor 10 and then mixed by generating turbulent flow in the mixing section of the reactor. The reaction tube 9 was introduced. The reaction tube 9 was heated by the reaction heater 8 so that the reaction temperature became 800 ° C. The core portion of the particle was formed by the steps so far. Immediately after that, the gas in the line 37 containing trimethylgallium vapor was introduced into the reaction tube 9 and the reaction gas was mixed. Further, the reaction tube 9 was heated to 900 ° C. by the shell portion generation reaction heater 36. This step formed the shell portion of the particles. Thereafter, nitrogen gas from the nitrogen flow rate control valve 12 was introduced into the upper part of the reaction tube 9 to rapidly cool the reaction gas containing the generated particles. The generated particles were collected by waiting for the temperature of each part to stabilize, and setting the PTFE filter in the particle collecting unit 11.
[0071]
The particle diameter of the collected particles was measured and found to be 13 nm, and the coefficient of variation was 22%. The evaluation of impurities was also ◎.
[0072]
(2) Fabrication of indium gallium nitride / gallium nitride (core / shell type) nanoparticle fluorescent material
A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material was produced in the same manner as in Example 1. The obtained fluorescent material showed orange PL emission.
【The invention's effect】
As described above, the group 13 nitride semiconductor nanoparticle phosphor of the present invention has uniform emission characteristics because the purity of the semiconductor nanoparticles is high and the particle size distribution is narrow. In addition, since the group 13 nitride semiconductor nanoparticles are relatively safe compounds, they do not affect the human body and the environment. Therefore, it is suitable as a fluorescent labeling material and a light emitting device material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of an apparatus for producing a group 13 nitride semiconductor nanoparticle.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of an apparatus for producing core / shell type group 13 nitride semiconductor nanoparticles.
FIG. 3 is a partial configuration diagram showing an example of an apparatus for producing group 13 nitride semiconductor nanoparticles using a microwave heating apparatus.
FIG. 4 is a block diagram showing another example of an apparatus for producing core / shell type group 13 nitride semiconductor nanoparticles.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Ammonia gas cylinder
2 ... Nitrogen gas cylinder
3. Mass flow controller for ammonia
4 ... Mass flow controller for nitrogen (1)
5 ... Mass flow controller for nitrogen (2)
31 ... Mass flow controller for nitrogen (3)
32 ... Mass flow controller for nitrogen (4)
33 ... Mass flow controller for nitrogen (5)
6, 34, 35 ... Bubbler
7 ... Preheater heater
8 ... Reaction heater
36... Heater for generating shell part reaction
9 ... Reaction tube
10 ... Reactor
11 ... Particle collection part
12 ... Flow control valve for nitrogen
13 ... Microwave heating device
14 ... Exhaust gas treatment section
101... Group 13 nitride semiconductor nanoparticles
102 ... outer shell layer
103 ... Surface modifying molecule
X: Bonding group
Y ... Functional group

Claims (8)

13族窒化物半導体ナノ粒子と、前記半導体ナノ粒子の表面に結合された表面修飾分子とを有する13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させてなることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material having a group 13 nitride semiconductor nanoparticle and a surface modifying molecule bonded to the surface of the semiconductor nanoparticle, wherein the group 13 nitride semiconductor nanoparticle comprises a group 13 element. A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material obtained by mixing an organometallic compound and a nitrogen raw material and reacting them in a gas phase or plasma. 13族窒化物半導体ナノ粒子(コア)と、前記13族窒化物半導体ナノ粒子に被覆された外殻層(シェル)と、前記外殻層の表面に結合された表面修飾分子とを有する13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させてなることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。A group 13 having a group 13 nitride semiconductor nanoparticle (core), an outer shell layer (shell) coated with the group 13 nitride semiconductor nanoparticle, and a surface modifying molecule bonded to the surface of the outer shell layer In the nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material, the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is formed by mixing an organometallic compound containing a group 13 element and a nitrogen raw material and reacting them in a gas phase or plasma. Group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material. 請求項1又は2に記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、粒径分布が変動係数で50%以下であることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to claim 1 or 2, wherein the group 13 nitride semiconductor nanoparticle has a particle size distribution with a coefficient of variation of 50% or less. Semiconductor nanoparticle fluorescent material. 請求項1〜3のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は実質的に13族元素と窒素から構成され、13族元素と窒素の原子数の比(13族元素:窒素)が1:0.95〜1:1.05であることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to claim 1, wherein the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is substantially composed of a group 13 element and nitrogen, and the group 13 element and nitrogen atoms. A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material having a ratio of the numbers (group 13 element: nitrogen) of 1: 0.95 to 1: 1.05. 請求項1〜4のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子に含有する酸素及び炭素の量が、いずれも窒素との原子数の比で0.05以下であることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to any one of claims 1 to 4, wherein the amount of oxygen and carbon contained in the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is a ratio of the number of atoms to nitrogen. A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material characterized by being 0.05 or less. 請求項1〜5のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子は、1.5〜3.1eVのバンドギャップ・エネルギーを有するコア部の13族窒化物と、3.1eVを超えるバンドギャップ・エネルギーを有するシェル部の13族窒化物からなるコア/シェル型であり、前記13族窒化物半導体ナノ粒子の前記コア部及び前記シェル部は、13族元素を含有する有機金属化合物と窒素原料を混合し、気相又はプラズマ中で反応させてなることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to any one of claims 1 to 5, wherein the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is a core portion 13 having a band gap energy of 1.5 to 3.1 eV. A core / shell type composed of a group nitride and a group 13 nitride of a shell part having a band gap energy exceeding 3.1 eV, and the core part and the shell part of the group 13 nitride semiconductor nanoparticles are: A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material obtained by mixing an organometallic compound containing a group 13 element and a nitrogen raw material and reacting in a gas phase or plasma. 請求項1〜6のいずれかに記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子の13族元素がGa、In及びAlからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to any one of claims 1 to 6, wherein the group 13 element of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is at least one selected from the group consisting of Ga, In, and Al. A group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material characterized by being. 請求項6に記載の13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料において、前記13族窒化物半導体ナノ粒子の前記コア部の13族元素は、In、GaとIn、AlとIn、及びAlとGaとInからなる群から選択され、前記シェル部の13族元素は、Ga、Al、GaとIn、AlとIn、GaとAl、及びAlとGaとInからなる群から選択されることを特徴とする13族窒化物半導体ナノ粒子蛍光材料。The group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material according to claim 6, wherein the group 13 element of the core portion of the group 13 nitride semiconductor nanoparticle is In, Ga and In, Al and In, and Al and Ga. Selected from the group consisting of In, wherein the group 13 element of the shell part is selected from the group consisting of Ga, Al, Ga and In, Al and In, Ga and Al, and Al, Ga and In Group 13 nitride semiconductor nanoparticle fluorescent material.
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