JP2007119320A - Zinc oxide ultrafine particle which shows ultraviolet band-edge luminescence, and its manufacture method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacture method of a zinc oxide ultrafine particle which shows the ultraviolet band-edge luminescence. <P>SOLUTION: The light emitter is a metal oxide ultrafine particle light emitter which shows the ultraviolet band-edge luminescence and comprises a metal oxide ultrafine particle of which surface is silylated. The synthetic method of the metal oxide ultrafine particle light emitter is a method to synthesize a metal oxide ultrafine particle light emitter which emits ultraviolet rays and comprises hydrolyzing a metal raw material salt dissolved in an organic solvent by a base dissolved in the same organic solvent, synthesizing a metal oxide ultrafine particle and silylating the surface of the particle. Thereby, the oxide semiconductor ultrafine particle such as a zinc oxide ultrafine particle or the like which can be used as a third-order non-linear optical material which shows the ultraviolet band-edge luminescence can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、紫外線バンド端発光を示す酸化物半導体超微粒子発光体及びその合成技術に関するものであり、更に詳しくは、酸化物半導体超微粒子において、トラップ準位からの蛍光を完全に消光し、紫外線バンド端発光のみを発することが可能な酸化亜鉛超微粒子等の酸化物半導体超微粒子発光体及びその合成技術に関するものである。本発明は、3次非線形光学材料として必要な、非線形感受率及び応答速度を有し、しかも従来材のカルコゲナイド系化合物のような毒性や環境汚染の問題や、有機非線形材料のような経時劣化の問題がなく、それらの材料に代わって、安全に製造することが可能で、優れた耐久性を有し、かつ優れた3次非線形材料としての特性を有する酸化物半導体超微粒子発光体に関する新技術・新製品を提供するものである。   The present invention relates to an oxide semiconductor ultrafine particle illuminant exhibiting ultraviolet band edge emission and a synthesis technique thereof, and more specifically, in an oxide semiconductor ultrafine particle, fluorescence from a trap level is completely quenched and ultraviolet light is emitted. The present invention relates to an oxide semiconductor ultrafine particle light emitter such as a zinc oxide ultrafine particle capable of emitting only band edge emission, and a synthesis technique thereof. The present invention has a nonlinear susceptibility and response speed required as a third-order nonlinear optical material, and also has a problem of toxicity and environmental pollution like conventional chalcogenide compounds, and deterioration with time like organic nonlinear materials. New technology for oxide semiconductor ultrafine particle light emitters that have no problems, can be safely manufactured in place of these materials, have excellent durability, and have excellent properties as a third-order nonlinear material・ Provide new products.

従来、主に光学的な用途に供することが可能な量子サイズ効果を有する酸化物半導体超微粒子の開発が種々試みられている。例えば、酸化亜鉛は、酸化物半導体であり、酸化亜鉛を超微粒子化することで、電子準位が離散的になり、かつバンド幅が広がる。それにより、該超微粒子は、超微粒子とボーア半径の関係で、励起子閉じ込め効果が働き、その結果、3次の光学的非線形性を示す。   Conventionally, various attempts have been made to develop oxide semiconductor ultrafine particles having a quantum size effect that can be mainly used for optical applications. For example, zinc oxide is an oxide semiconductor. By making zinc oxide into ultrafine particles, the electron levels become discrete and the bandwidth is widened. Thereby, the ultrafine particles have an exciton confinement effect due to the relationship between the ultrafine particles and the Bohr radius, and as a result, exhibit third-order optical nonlinearity.

励起子にレーザー光のような位相・波長のそろった強い光を照射すると、高次の分極が起こり、a)波長によって屈折率が変化する非線形屈折率効果、b)光強度によって吸光度が変化する非線形吸収効果、c)位相共役波発生、d)誘導ラマン散乱、等の効果が現れる。非線形光学効果を用いた光学素子を利用することにより、例えば、光子を用いた光コンピューターを開発することが可能となると推測される。   When the exciton is irradiated with strong light having the same phase and wavelength, such as laser light, higher-order polarization occurs, a) a nonlinear refractive index effect in which the refractive index changes depending on the wavelength, and b) the absorbance changes depending on the light intensity. Non-linear absorption effects, c) phase conjugate wave generation, d) stimulated Raman scattering, and the like appear. By using an optical element using a nonlinear optical effect, it is estimated that, for example, an optical computer using photons can be developed.

上記超微粒子は、光コンピューター以外にも、紫外線ダイオード等への応用も期待される。直接遷移型で、バンド幅(3.4eV、紫外領域)が広いGaNで作製したp−n接合LEDは、青から紫外の波長領域で発光する。酸化亜鉛も、ウルツ鉱型の直接遷移型の酸化物半導体で、バンド幅も3.2eV、紫外領域である。したがって、酸化亜鉛も、同様に紫外線LED等への応用が期待される。   The ultrafine particles are expected to be applied to ultraviolet diodes in addition to optical computers. A pn junction LED made of GaN having a direct transition type and a wide bandwidth (3.4 eV, ultraviolet region) emits light in a wavelength region from blue to ultraviolet. Zinc oxide is also a wurtzite direct-transition oxide semiconductor with a bandwidth of 3.2 eV and an ultraviolet region. Accordingly, zinc oxide is also expected to be applied to ultraviolet LEDs and the like.

また、上記超微粒子は、紫外領域で一定の波長の光を発するランプとしての用途への展開も可能である。現在、簡便に紫外線を得る方法としては、水銀ランプしかない。OPOレーザーは、紫外領域でも発光するが、一般的な用途には、そのような高価な装置を使用することができない。水銀ランプは、いくつかの決まった波長でのみ発光し、任意の波長を得ることができない。例えば、高圧水銀ランプでは、254nmの波長の紫外線を利用している。酸化亜鉛超微粒子は、微粒子の大きさを変化させることにより、任意の異なった波長で発光させることができる。   Further, the ultrafine particles can be developed for use as a lamp that emits light of a certain wavelength in the ultraviolet region. Currently, there is only a mercury lamp as a simple method for obtaining ultraviolet rays. The OPO laser emits light in the ultraviolet region, but such an expensive device cannot be used for general applications. Mercury lamps emit light only at some fixed wavelengths and cannot obtain arbitrary wavelengths. For example, a high-pressure mercury lamp uses ultraviolet light having a wavelength of 254 nm. Zinc oxide ultrafine particles can be made to emit light at arbitrarily different wavelengths by changing the size of the fine particles.

一方、紫外線で励起して蛍光を発する蛍光体が、生物化学の分野で近年求められるようになっている。細胞に標識として異なった波長の蛍光を発する蛍光体を抗体として付着させることが実際に行われており、既に、CdS、CdSe、ZnS超微粒子が、商品化されている。しかし、これらの材料には、毒性があるために、直接細胞と接触することがないよう表面を処理しなければならないという問題点がある。これを解決するために、シリカで微粒子の周囲を被覆することが行われているが、合成工程が一つ増えてしまうという問題点がある。ZnSは、CdS、CdSeに比較すると毒性が低いので、CdS、CdSeをZnSで被覆したものが、最近、合成されているが、低毒性ではあっても無害ではない。   On the other hand, a phosphor that emits fluorescence when excited by ultraviolet rays has recently been demanded in the field of biochemistry. In practice, fluorescent substances emitting fluorescence of different wavelengths as labels are attached to cells as antibodies, and ultrafine particles of CdS, CdSe, and ZnS have already been commercialized. However, since these materials are toxic, the surface must be treated so that they do not come into direct contact with cells. In order to solve this problem, the periphery of the fine particles is coated with silica, but there is a problem that the number of synthesis steps is increased by one. Since ZnS is less toxic than CdS and CdSe, those obtained by coating CdS and CdSe with ZnS have been synthesized recently, but they are not harmful even if they are low toxic.

その点、ZnOは、化粧品やベビーパウダーにも使われており、生体に害がないとされている。これは、カルコゲナイド系の化合物に比べて大きな利点である。また、亜鉛は、微量必須元素として、人体には欠かすことができない栄養素であり、体重70kgの人体内には、約3gの亜鉛が存在している。   In that respect, ZnO is also used in cosmetics and baby powder, and is considered to be harmless to the living body. This is a great advantage over chalcogenide compounds. Moreover, zinc is a nutrient that is indispensable for the human body as a trace essential element, and about 3 g of zinc is present in a human body having a weight of 70 kg.

現在、酸化亜鉛超微粒子の光コンピューターへの応用も期待されている。現在の電子計算機は、電子により0と1を制御するフォン・ノイマン型の計算機である。デスクトップコンピューターの中央演算子のクロック数は、現在、2GHzから3GHzが最高である。これらの高性能半導体素子は、回路線幅が90nmで製造されている。次世代型素子は、回路線幅65nmを目標に開発が進められ、実用化に目途がつき、量産が始まった。更に、その次の次世代として回路線幅45nmの素子の開発も進められており、これは、2010年前後に実用化される見通しである(非特許文献1)。   Currently, the application of ultrafine zinc oxide particles to optical computers is also expected. The current electronic computer is a von Neumann type computer that controls 0 and 1 by electrons. The number of clocks of the central operator of the desktop computer is currently the highest from 2 GHz to 3 GHz. These high-performance semiconductor elements are manufactured with a circuit line width of 90 nm. Development of next-generation devices has been promoted with the goal of a circuit line width of 65 nm. Furthermore, the development of an element having a circuit line width of 45 nm is being promoted as the next generation, which is expected to be put into practical use around 2010 (Non-patent Document 1).

「ムーアの法則」によれば、半導体の集積密度は18−24ヶ月で倍増するとされている。しかし、米国Intel社の技術者が近年発表した論文によれば、控えめに見積もっても2018年までには回路線幅16nmの製造プロセスが実現するが、これが根本的な限界だとしている(非特許文献2)。集積回路の線幅微細化技術とは異なるが、日本電気は世界最小のトランジスターの開発を発表しており、実用化されるのは2018年近辺とのことである(非特許文献3)。その後には、電子コンピューターよりも更に高速な光コンピューターが必要となるであろう。   According to “Moore's Law”, the integration density of semiconductors is doubled in 18-24 months. However, according to a paper recently published by an American engineer, a manufacturing process with a circuit line width of 16 nm will be realized by 2018, even if conservatively estimated, this is a fundamental limitation (non-patent) Reference 2). Although it is different from the line width miniaturization technology of integrated circuits, NEC has announced the development of the world's smallest transistor, and it will be put to practical use in the vicinity of 2018 (Non-patent Document 3). After that, an optical computer that is even faster than an electronic computer will be required.

すべての処理を光で行う光コンピューター自体は、未だ実現されていないが、光ファイバー以外にも、オプトエレクトロニクスとして電子を光で補完する装置として、光導波路、発光ダイオードの電流変調などの技術が開発されている。また、フォトニック結晶などの光コンピューターを実現するための基礎的な研究も行われている。   An optical computer that performs all processing with light has not been realized yet, but in addition to optical fibers, technologies such as optical waveguides and current modulation of light-emitting diodes have been developed as optoelectronic devices that complement electrons with light. ing. In addition, basic research to realize optical computers such as photonic crystals has been conducted.

非線形光学材料を光コンピューターに利用するために、例えば、光双安定性素子による光メモリー、光スイッチ等が研究されている。最終的には光演算子により、全部光によって信号を処理するのが、最終的な目標となるが、現状は未だそこまでは至っていない。   In order to use nonlinear optical materials for optical computers, for example, optical memories and optical switches using optical bistable elements have been studied. Ultimately, the final goal is to process the signal entirely with light by an optical operator, but the current situation has not yet reached that point.

半導体微粒子に非線形光学効果が発見されたのは、1983年である。シャープカットフィルターとして古くから用いられていたCdSSe1−xがドープされていたガラスフィルターで、Jainらが大きな非線形効果を発見したのが最初である(非特許文献4)。初期の研究では、市販のフィルターガラスを用いていたが、微粒子の体積密度が低いために、微粒子自身の非線形感受率は高いが、ガラス全体の感受率は低かった。その後、高濃度に微結晶をガラス中に分散させる研究が行われるようになった。 It was in 1983 that a nonlinear optical effect was discovered in semiconductor fine particles. Jain et al. First discovered a large non-linear effect in a glass filter doped with CdS x Se 1-x that has been used for a long time as a sharp cut filter (Non-patent Document 4). In the initial research, a commercially available filter glass was used, but because the volume density of the fine particles was low, the non-linear susceptibility of the fine particles themselves was high, but the susceptibility of the whole glass was low. Since then, studies have been carried out to disperse microcrystals in glass at a high concentration.

微粒子を分散させる媒質は、微粒子の吸収端波長で透明であればポリマーも媒質として用いることが可能である。媒質としてAS共重合体を用いた例がある。この場合、ASポリマーとカドミウム塩をジメチルホルムアミドに溶解し、減圧乾燥させることでフィルムを生成し、硫化水素中に保存することでCdS微粒子が生成する。   As the medium in which the fine particles are dispersed, a polymer can be used as the medium as long as it is transparent at the absorption edge wavelength of the fine particles. There is an example using an AS copolymer as a medium. In this case, the AS polymer and cadmium salt are dissolved in dimethylformamide and dried under reduced pressure to produce a film, and stored in hydrogen sulfide to produce CdS fine particles.

従来、微粒子を生成するのに用いられてきた材料は、最初に非線形光学効果が発見されたのがCdS分散ガラスであったこともあって、カルコゲナイド系の化合物に関する研究が主に行われてきた(CdS、CdSe、CdTe、ZnS)が、これらの化合物は、有毒である。カルコゲナイド系の化合物は、Jain等の研究に続いて、1990年代に盛んに研究が行われ、現在も活発に研究が行われている。カルコゲナイド系の化合物は、これらの研究により、3次非線形材料として必要な、非線形感受率及び応答速度を有するようになった。   Conventionally, the material that has been used to generate fine particles has been mainly researched on chalcogenide compounds because the nonlinear optical effect was first discovered in CdS-dispersed glass. (CdS, CdSe, CdTe, ZnS), but these compounds are toxic. Chalcogenide-based compounds have been actively studied in the 1990s following the study by Jain et al. Based on these studies, chalcogenide-based compounds have the nonlinear susceptibility and response speed required for third-order nonlinear materials.

しかし、カルコゲナイド系の化合物は、前述のように、合成する際に有毒なガスあるいは薬品を用いるので、危険が大きい。工業的に製造する場合には、実験室規模の試料の合成とは違って、危険なガスを未処理のまま排出しないように、分解あるいは吸着剤に吸着させるといった設備投資が必要である。また、製品が不要となった場合、未処理のまま廃棄すると環境汚染の原因となるので、処分する場合にも、何らかの形で廃棄物の環境汚染をあらかじめ防止する必要がある。カルコゲナイド系の化合物を用いると、このように、安全面での設備投資を余儀なくされ、コストが高くなるので、実用化するのには多くの問題がある。   However, chalcogenide compounds are dangerous because toxic gases or chemicals are used during synthesis as described above. In the case of industrial production, unlike the synthesis of laboratory-scale samples, capital investment such as decomposition or adsorption to an adsorbent is necessary so that dangerous gases are not discharged untreated. Further, when the product is no longer needed, it is necessary to prevent the environmental pollution of the waste in some form even when it is disposed of because it is a cause of environmental pollution if it is disposed unprocessed. When a chalcogenide compound is used, capital investment for safety is inevitably required, and the cost is increased. Therefore, there are many problems in putting it to practical use.

有機非線形光学材料に関しても、種々の研究が行われている。ポリジアセチレンなどが主な研究対象であるが、有機非線形光学材料は、強力なエネルギーを持ったレーザー光に照射されると徐々に劣化し、無機材料に比較して経時劣化が大きいという問題がある。また、非線形感受率も、カルコゲナイド半導体超微粒子に比較して、2桁程度遅いという問題もある。   Various studies have also been conducted on organic nonlinear optical materials. Polydiacetylene is the main research object, but organic nonlinear optical materials are gradually deteriorated when irradiated with laser light with strong energy, and there is a problem that deterioration with time is larger than that of inorganic materials. . In addition, the nonlinear susceptibility also has a problem that it is about two orders of magnitude slower than the chalcogenide semiconductor ultrafine particles.

このように、合成するのが危険な化合物、劣化の著しい有機物に代わって、安全に製造することが可能で、かつ優れた耐久性を有する材料が求められている。本発明者らは、先に、加水分解法によって簡便に酸化物半導体超微粒子を作る方法を開発した(特許文献3)。酸化亜鉛を3次非線形光学材料として用いる場合には、入射光に対する出力の応答が極めて速くなければならない。390nmに現れる蛍光は、酸化亜鉛のバンドギャップエネルギーに相当し、ピコ秒の応答速度を示す。また、後述する様に、紫外域においてバンド端発光を発する様にしなければならない。   Thus, there is a demand for a material that can be produced safely and has excellent durability, in place of a compound that is dangerous to synthesize and an organic substance that is significantly deteriorated. The present inventors have previously developed a method of easily producing oxide semiconductor ultrafine particles by a hydrolysis method (Patent Document 3). When zinc oxide is used as a third-order nonlinear optical material, the output response to incident light must be extremely fast. The fluorescence appearing at 390 nm corresponds to the band gap energy of zinc oxide and exhibits a picosecond response speed. Further, as described later, it is necessary to emit band edge emission in the ultraviolet region.

先に、本発明者らが合成した数nmの超微粒子は、非常に微細である。したがって、バルクの場合と比較して、表面を構成する原子の割合が結晶内部を構成する原子と比較して非常に多い。ここで、仮に1m角の立方体があるとすると、その表面積は6mである。この立方体を10nmの立方体に分割すると一辺が1×10に分割され、全部で10nmの立方体が1×1024個できる。一辺が1×10−8の立方体の表面積は6×10−16mである。表面積を立方体の数にかけると6×10となる。 First, the ultrafine particles of several nm synthesized by the present inventors are very fine. Therefore, compared to the bulk case, the ratio of atoms constituting the surface is much higher than that of atoms constituting the inside of the crystal. Here, if there is a 1 m 3 square cube, the surface area is 6 m 2 . When this cube is divided into 10 nm cubes, one side is divided into 1 × 10 8, and 1 × 10 24 cubes with a total of 10 nm can be formed. The surface area of a cube having a side of 1 × 10 −8 is 6 × 10 −16 m. Multiplying the surface area by the number of cubes gives 6 × 10 8 m 2 .

このように、同じ物質でもナノメートルサイズの大きさになると表面積が極端に大きくなることがわかる。それに加えて、実際の超微粒子は、きれいな立方体ではなく、表面に凹凸があり、表面が不均一である。表面が不均一な超微粒子では、表面の欠陥を囲む不飽和結合が大量に存在している。ここには、電子や不純物が結合しやすいトラップ準位ができる。500nmから600nmにある蛍光は、バンド端発光に比較して波長が長く、トラップ準位からの発光であると考えられる。トラップ準位からの発光は、ナノ秒の応答速度を示し、バンド端発光より数桁遅い。   Thus, it can be seen that even the same material has an extremely large surface area when it is of nanometer size. In addition, the actual ultrafine particles are not clean cubes, have irregularities on the surface, and uneven surfaces. In ultrafine particles having a non-uniform surface, there are a large amount of unsaturated bonds surrounding surface defects. Here, a trap level where electrons and impurities are easily bonded can be formed. The fluorescence from 500 nm to 600 nm has a longer wavelength than the band edge emission, and is considered to be emission from the trap level. The emission from the trap level shows nanosecond response speed, which is several orders of magnitude slower than the band edge emission.

本発明者らが調査したところ、酸化亜鉛超微粒子において、トラップ準位からの蛍光を完全に消光し、紫外線バンド端発光のみを発する酸化亜鉛超微粒子等は未だ得られていない。この問題は、かってカルコゲナイド系の超微粒子でも問題になったが、トラップにチオールなどの界面活性剤を吸着させることで解決された(非特許文献5)。酸化亜鉛においても、このような用途に界面活性剤(テトラオクチルアンモニウムブロマイド、シクロヘキサンブチレート)を用いた例がある(非特許文献6、7)。界面活性剤は、親水性の末端基に長鎖アルキル基が結合したものである。酸化物表面は、親水性であるので、アンモニウムの窒素がトラップに配位吸着するものと考えられる。   As a result of investigations by the present inventors, zinc oxide ultrafine particles that completely quench the fluorescence from the trap level and emit only ultraviolet band edge emission have not yet been obtained. This problem used to be a problem even with chalcogenide-based ultrafine particles, but was solved by adsorbing a surfactant such as thiol on the trap (Non-Patent Document 5). In zinc oxide, there is an example in which a surfactant (tetraoctyl ammonium bromide, cyclohexane butyrate) is used for such applications (Non-Patent Documents 6 and 7). The surfactant is one in which a long-chain alkyl group is bonded to a hydrophilic end group. Since the oxide surface is hydrophilic, it is considered that ammonium nitrogen is coordinated and adsorbed to the trap.

しかしながら、テトラオクチルアンモニウムブロマイドは、アルキル基が長過ぎる。従って、一つの界面活性剤分子が、あるトラップに吸着すると、その直近の別の界面活性剤分子の吸着したトラップの間まで界面活性剤が吸着することができず、多くのトラップは、未吸着のまま残存する。発光スペクトルを見ると、トラップ準位発光が観察される(非特許文献6)。それに加えて、臭素という実用化する際に問題となる元素を含んでいる。このような化合物を用いるのには問題がある。また、カルコゲナイド系の化合物には、界面活性剤が有効であるが、酸化物である酸化亜鉛等には、ほとんど効果がないようである。   However, tetraoctyl ammonium bromide has too long an alkyl group. Therefore, when one surfactant molecule is adsorbed to a trap, the surfactant cannot be adsorbed between the adjacent traps of another surfactant molecule, and many traps are not adsorbed. It remains as it is. Looking at the emission spectrum, trap level emission is observed (Non-Patent Document 6). In addition, bromine contains an element that becomes a problem when put to practical use. There are problems with using such compounds. In addition, surfactants are effective for chalcogenide compounds, but zinc oxide, which is an oxide, seems to have little effect.

特許第2021987号Patent No. 2021987 特許第2125053号Patent No. 2125053 特願2004−072396Japanese Patent Application No. 2004-072396 日本経済新聞2004年6月18日朝刊Nihon Keizai Shimbun June 18, 2004 morning edition 朝日新聞2003年12月8日朝刊Asahi Shimbun December 8, 2003 morning edition V.V. Zhirnov, R.K.Cavin, J.A. Hutchby, G.I. Bourunoff, Proceedings of the IEEE, vol.91, No.11,1934(2003)V.V.Zhirnov, R.K.Cavin, J.A.Hutchby, G.I.Bourunoff, Proceedings of the IEEE, vol.91, No.11, 1934 (2003) R.K.Jain, R.C.Lind , Journal of the Optical Society of America, vol.73, 647(1983)R.K.Jain, R.C.Lind, Journal of the Optical Society of America, vol. 73, 647 (1983) N.Herron, Y.Wang, H.Eckert, Journal of the American Chemical Society, vol.112, 1322(1990)N. Herron, Y. Wang, H. Eckert, Journal of the American Chemical Society, vol. 112, 1322 (1990) S.Mahamuni, K.Bogohain, B.S.Bendre, V.J.Leppert, S.H.Risbud, Journal of Applied Physics, vol.85, No.5, 2861(1999)S.Mahamuni, K.Bogohain, B.S.Bendre, V.J.Leppert, S.H.Risbud, Journal of Applied Physics, vol.85, No.5, 2861 (1999) G.Rodriguez-Gattorno, Patricia Santiago-Jacinto, L.Rendon-Varquez, J. Nemeth, I.Dekany, D.Diaz, Journal of Chemical Physics B, vol.107, 12597(2003)G. Rodriguez-Gattorno, Patricia Santiago-Jacinto, L. Rendon-Varquez, J. Nemeth, I. Decany, D. Diaz, Journal of Chemical Physics B, vol. 107, 12597 (2003) V.K.LaMer and R.Dinegar, Journal of the American Chemical Society, vol.72, 4847(1950)V.K.LaMer and R.Dinegar, Journal of the American Chemical Society, vol.72, 4847 (1950) 「粒子径計測技術」 粉体工学会編、日刊工業新聞社(1994), pp.1-27"Particle size measurement technology" edited by the Japan Society for Powder Technology, Nikkan Kogyo Shimbun (1994), pp.1-27 “Handbook of Infrared and Raman Spectra of Inorganic Compounds and Organic Salts” Volume 4 Infrared Spectra of Inorganic Compounds(3300-45cm-1), Richard A. Nyquist and Ronald O. Kagel., Academic Press, New York 1997, pp.95“Handbook of Infrared and Raman Spectra of Inorganic Compounds and Organic Salts” Volume 4 Infrared Spectra of Inorganic Compounds (3300-45cm-1), Richard A. Nyquist and Ronald O. Kagel., Academic Press, New York 1997, pp. 95

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、酸化物半導体超微粒子におけるトラップ準位からの蛍光を完全に消光し、紫外線バンド端発光のみを発光する酸化物半導体超微粒子発光体を合成することを目標として鋭意研究を進める中で、これらの問題を解決するために、酸化半導体超微粒子の表面をシリル化することで、バンド端発光を得ることを試みた。酸化物超微粒子表面のシリル化は、未だかつて試みられたことがない。その結果、紫外線バンド端発光のみを発する酸化物半導体超微粒子が得られることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。本発明は、トラップ準位からの蛍光を完全に消光し、紫外線バンド端発光のみを発する酸化物半導体超微粒子発光体及びその応用製品を提供することを目的とするものである。また、本発明は、上記酸化物半導体超微粒発光体の合成技術を提供することを目的とするものである。   Under such circumstances, in view of the above prior art, the present inventors completely extinguish the fluorescence from the trap level in the oxide semiconductor ultrafine particles and emit only ultraviolet band edge light emission. In an effort to synthesize ultrafine particle light emitters, in order to solve these problems, an attempt was made to obtain band edge emission by silylating the surface of oxide semiconductor ultrafine particles. Silylation of the surface of oxide ultrafine particles has never been attempted. As a result, it has been found that ultrafine oxide semiconductor particles emitting only ultraviolet band edge emission can be obtained, and further research has been made to complete the present invention. An object of the present invention is to provide an oxide semiconductor ultrafine particle light emitter that completely quenches fluorescence from a trap level and emits only ultraviolet band edge light emission, and an application product thereof. Another object of the present invention is to provide a technique for synthesizing the oxide semiconductor ultrafine particle light emitter.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)紫外線バンド端発光を示す金属酸化物超微粒子発光体であって、表面をシリル化した金属酸化物超微粒子からなることを特徴とする発光体。
(2)金属酸化物超微粒子が、酸化亜鉛、錫酸化物、又は遷移元素酸化物超微粒子である、前記(1)記載の発光体。
(3)金属酸化物が、酸化亜鉛であり、200nmから390nmの間の任意の波長の紫外線を発光する、前記(1)記載の発光体。
(4)紫外線を発光する金属酸化物超微粒子発光体を合成する方法であって、(a)有機溶媒中に溶解した金属原料塩を、同じ有機溶媒に溶解した塩基で加水分解し、金属酸化物超微粒子を合成する、(b)該粒子の表面をシリル化する、ことを特徴とする金属酸化物超微粒子発光体の合成方法。
(5)有機溶媒中に溶解した亜鉛原料塩を、同じ有機溶媒に溶解した塩基で加水分解し、酸化亜鉛超微粒子を合成する、前記(4)記載の方法。
(6)加水分解を−80から80℃の温度範囲で行う、前記(4)記載の方法。
(7)加水分解を塩基触媒のアルカリ金属水酸化物を用いて行う、前記(4)記載の方法。
(8)塩基の量を亜鉛に対して1から2モル倍用いる、前記(5)記載の方法。
(9)有機溶媒が親水性のものである、前記(4)記載の方法。
(10)塩基触媒溶液を瞬時に流下混合し、加水分解させる、前記(4)記載の方法。
(11)200nmから390nmの間の任意の波長の紫外線を発光する発光体を合成する、前記(5)記載の方法。
(12)前記(1)から(3)のいずれかに記載の発光体を構成要素として含むことを特徴とする光学部材。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A metal oxide ultrafine particle illuminant exhibiting ultraviolet band edge emission, and comprising a metal oxide ultrafine particle having a silylated surface.
(2) The light emitter according to (1), wherein the metal oxide ultrafine particles are zinc oxide, tin oxide, or transition element oxide ultrafine particles.
(3) The light emitter according to (1), wherein the metal oxide is zinc oxide and emits ultraviolet light having an arbitrary wavelength between 200 nm and 390 nm.
(4) A method for synthesizing a metal oxide ultrafine particle light emitter that emits ultraviolet light, wherein (a) a metal raw material salt dissolved in an organic solvent is hydrolyzed with a base dissolved in the same organic solvent, and metal oxidation is performed. (B) silylating the surface of the particles.
(5) The method according to (4) above, wherein zinc raw material salt dissolved in an organic solvent is hydrolyzed with a base dissolved in the same organic solvent to synthesize zinc oxide ultrafine particles.
(6) The method according to (4) above, wherein the hydrolysis is carried out in the temperature range of -80 to 80 ° C.
(7) The method according to (4) above, wherein the hydrolysis is performed using a base-catalyzed alkali metal hydroxide.
(8) The method according to (5) above, wherein the amount of the base is 1 to 2 mol times based on zinc.
(9) The method according to (4) above, wherein the organic solvent is hydrophilic.
(10) The method according to (4), wherein the base catalyst solution is instantaneously mixed by flowing down and hydrolyzed.
(11) The method according to (5), wherein a luminescent material that emits ultraviolet light having an arbitrary wavelength between 200 nm and 390 nm is synthesized.
(12) An optical member comprising the light emitter according to any one of (1) to (3) as a constituent element.

次に、本発明について更に詳細に説明する。本発明は、紫外線バンド端発光を示す金属酸化物超微粒子発光体であって、表面をシリル化した金属酸化物超微粒子からなることを特徴とするものであり、また、前記の様に、金属塩を溶媒中で還流溶解し、同じく溶媒に溶かした塩基を触媒として、金属塩を加水分解し、酸化亜鉛超微粒子等の酸化物半導体超微粒子を合成することを特徴とするものである。以下、酸化亜鉛超微粒子の場合を例として本発明を詳細に説明する。   Next, the present invention will be described in more detail. The present invention is a metal oxide ultrafine particle illuminant exhibiting ultraviolet band edge emission, and is characterized by comprising a metal oxide ultrafine particle having a silylated surface, and, as described above, The salt is dissolved in reflux in a solvent, and the metal salt is hydrolyzed using a base dissolved in the solvent as a catalyst to synthesize oxide semiconductor ultrafine particles such as zinc oxide ultrafine particles. Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking the case of zinc oxide ultrafine particles as an example.

まず、亜鉛の塩をアルコール、ジメチルホルムアミド、エーテル、アセトン等の親水性有機溶媒に溶解する。亜鉛の塩としては、例えば、酢酸亜鉛、しゅう酸亜鉛等が例示される。有機溶媒は、予めミリポアフィルターで液中の塵を取り除いておく。このときの亜鉛塩溶液の濃度は0.1−0.2Mが好適である。この溶液を2−4時間還流する。塩基触媒は、亜鉛塩の1−2モル倍を同じ溶媒に溶解する。しかし、上記の材料、方法及び手段はそれらに制限されるものではなく、それらと同等もしくは類似のものであれば同様に採用することができる。   First, a zinc salt is dissolved in a hydrophilic organic solvent such as alcohol, dimethylformamide, ether or acetone. Examples of the zinc salt include zinc acetate and zinc oxalate. As for the organic solvent, dust in the liquid is previously removed with a Millipore filter. The concentration of the zinc salt solution at this time is preferably 0.1 to 0.2M. The solution is refluxed for 2-4 hours. The base catalyst dissolves 1-2 mole times the zinc salt in the same solvent. However, the materials, methods, and means described above are not limited to these, and any equivalent or similar materials can be similarly employed.

次に、この両者の溶液を、−80℃から60℃の所定の温度に保つ。両者の温度が所定温度に安定したところで、亜鉛塩溶液を撹拌しつつ、これに塩基触媒溶液を瞬時、好適には1秒以内、に流下する。この場合、1秒以内でないと核生成が徐々に起こるため、生成する酸化亜鉛超微粒子径の分布が大きくなる。流下後、30分間程度撹拌を続けた後、室温に戻す。本発明では、上記亜鉛塩溶液に塩基触媒を1秒以下で流下することが重要であり、好ましくは瞬時に流下する。それにより、短時間内に集中的に核生成が起こり、粒子径の揃った酸化亜鉛超微粒子が生成する。   Next, both the solutions are kept at a predetermined temperature of -80 ° C to 60 ° C. When both temperatures are stabilized at a predetermined temperature, the basic catalyst solution is allowed to flow down instantaneously, preferably within 1 second, while stirring the zinc salt solution. In this case, nucleation occurs gradually unless it is within 1 second, so that the distribution of the generated zinc oxide ultrafine particle size becomes large. After flowing down, stirring is continued for about 30 minutes, and then the temperature is returned to room temperature. In the present invention, it is important that the basic catalyst flows down to the zinc salt solution in 1 second or less, and preferably it flows down instantaneously. Thereby, nucleation occurs intensively within a short time, and zinc oxide ultrafine particles having a uniform particle diameter are generated.

ここで、超微粒子の表面をシリル化するために、OH基を有するアルコール類をロータリーエバポレーターを用いて取り除く。アルコール類が蒸発したら、フラスコ内部に付着した超微粒子をスパーチュラで掻き落とす。   Here, in order to silylate the surface of the ultrafine particles, alcohols having OH groups are removed using a rotary evaporator. When the alcohol is evaporated, the ultrafine particles adhering to the inside of the flask are scraped off with a spatula.

次に、シリル化反応を行う前処理として、微量のアルコール類・水分を完全に取り除くために、シリル化に用いる物と同じ疎水性有機溶媒(脱水)を、グローブボックス中不活性雰囲気下(窒素:99.99%)で、フラスコに入れ、ロータリーエバポレーターで蒸発させる。この操作を3回程度繰り返す。   Next, as a pretreatment for conducting the silylation reaction, the same hydrophobic organic solvent (dehydration) as that used for the silylation is removed in a glove box under an inert atmosphere (nitrogen) in order to completely remove trace amounts of alcohols and moisture. : 99.99%) in a flask and evaporated on a rotary evaporator. This operation is repeated about 3 times.

次に、フラスコを再度グローブボックス中に入れ、不活性雰囲気化(窒素:99.99%)で、疎水性有機溶媒(脱水)を100ml程度入れる。次に、シリル化剤を所定量入れる。攪拌子も、この時にフラスコに入れておく。フラスコに平栓をして、グローブボックスから取り出す。予め、オイルバスの温度を疎水性有機溶媒の沸点より5℃程度高い温度に設定しておく。シリル化剤としては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリエチルメトキシシランが例示される。   Next, the flask is again put in the glove box, and about 100 ml of a hydrophobic organic solvent (dehydrated) is put in an inert atmosphere (nitrogen: 99.99%). Next, a predetermined amount of silylating agent is added. The stir bar is also placed in the flask at this time. Cap the flask and remove it from the glove box. In advance, the temperature of the oil bath is set to a temperature about 5 ° C. higher than the boiling point of the hydrophobic organic solvent. Examples of the silylating agent include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, and triethylmethoxysilane.

フラスコの平栓をはずし、空気が極力入らないように素早く冷却管をフラスコの口に取り付ける。冷却管の上部には、塩化カルシウムを入れたカルシウム管を取り付け、水分の侵入を極力少なくする。フラスコをオイルバスに浸し、疎水性溶媒の沸点で攪拌しながら、6時間から10時間程度還流を続ける。この操作により、酸化亜鉛超微粒子表面にシリル化剤が結合し、トラップサイトが潰される。表面がシリル化したことは、例えば蛍光スペクトルにより500から600nmのトラップ準位発光が消滅することにより確認することができる。   Remove the flat stopper of the flask, and quickly attach a condenser tube to the mouth of the flask so that air does not enter as much as possible. A calcium pipe containing calcium chloride is attached to the top of the cooling pipe to minimize the ingress of moisture. The flask is immersed in an oil bath and refluxed for about 6 to 10 hours while stirring at the boiling point of the hydrophobic solvent. By this operation, the silylating agent is bonded to the surface of the zinc oxide ultrafine particles, and the trap site is crushed. The silylated surface can be confirmed, for example, by the disappearance of 500 to 600 nm trap level emission from the fluorescence spectrum.

次に、本発明の作用について説明する。本発明において、まず、単分散超微粒子が生成するには、以下のような過程を経過する。まず、原料溶液に塩基触媒溶液が瞬時に流下されると、原料塩が塩基触媒により加水分解される。反応式、例えば、酸化亜鉛を生成する場合の原料塩の加水分解の反応式としては、(1)式の様になる。尚、式中、Mはアルカリ金属を表わす。Zn(OH)は、不安定であるので、(2)式の様に、直ちに酸化亜鉛に相転移する。 Next, the operation of the present invention will be described. In the present invention, first, monodispersed ultrafine particles are produced by the following process. First, when the base catalyst solution is instantaneously dropped into the raw material solution, the raw material salt is hydrolyzed by the base catalyst. The reaction formula, for example, the reaction formula for hydrolysis of the raw material salt in the case of producing zinc oxide is as shown in formula (1). In the formula, M represents an alkali metal. Since Zn (OH) 2 is unstable, it immediately undergoes phase transition to zinc oxide as shown in formula (2).

溶媒中の酸化亜鉛濃度が急激に臨界過飽和状態となり、酸化亜鉛の核生成が始まる。濃度が下がって核生成期を過ぎると、成長期となる。その後、溶解度濃度まで溶質濃度が低下して、成長期を終了する。このように、単分散超微粒子が生成する条件は、核生成期と成長期が分離していることである(V.K.LaMer and R.Dinegar, Journal of the American Chemical Society, vol.72, 4847(1950).)。亜鉛塩溶液に、触媒溶液を徐々に加えていくと、この二つの時期が分離されないために、超微粒子径の分布が広がり、望ましくない。その結果、触媒溶液を徐々に添加すると、図1に示すように、励起子の明瞭なピークが観察されなくなる。亜鉛塩溶液に、触媒溶液を瞬時に流下するのには、このような理由がある。   The zinc oxide concentration in the solvent suddenly becomes critically supersaturated, and nucleation of zinc oxide begins. When the concentration drops and passes the nucleation phase, it enters the growth phase. Thereafter, the solute concentration decreases to the solubility concentration, and the growth period ends. Thus, the condition for producing monodisperse ultrafine particles is that the nucleation phase and the growth phase are separated (VKLaMer and R. Dinegar, Journal of the American Chemical Society, vol. 72, 4847 (1950 ).). When the catalyst solution is gradually added to the zinc salt solution, the two periods are not separated, and thus the distribution of the ultrafine particle diameter is undesirably widened. As a result, when the catalyst solution is gradually added, a clear peak of excitons is not observed as shown in FIG. This is the reason why the catalyst solution flows down instantaneously into the zinc salt solution.

以上、酸化亜鉛の場合について説明したが、本発明は、酸化亜鉛に制限されるものではなく、酸化亜鉛以外にも、錫酸化物、あるいは遷移元素酸化物(Ti,Cu,Co,Feなど)等においても、それらの金属塩と触媒を用いて、同様な酸化物超微粒子を合成することができ、これらについても本発明の対象とされる。本発明では、それらの酸化物半導体超微粒子についても、上記酸化亜鉛超微粒子の場合と同様にして合成し、提供することができる。   Although the case of zinc oxide has been described above, the present invention is not limited to zinc oxide, and besides zinc oxide, tin oxide or transition element oxide (Ti, Cu, Co, Fe, etc.) Etc., the same oxide ultrafine particles can be synthesized using these metal salts and catalysts, and these are also the object of the present invention. In the present invention, these oxide semiconductor ultrafine particles can be synthesized and provided in the same manner as the zinc oxide ultrafine particles.

本発明の紫外線バンド端発光を示す酸化亜鉛超微粒子発明体は、次のような特性を有する。すなわち、(1)200nmから390nmの間の任意の波長の紫外線を発光する、(2)表面がシリル化されることで、トラップ準位からの蛍光が消光される、(3)超微粒子径の分布は3から4nm、(4)応答速度は10−12秒以下、(5)シリル化後の粒子は、365nm付近に強いバンド端発光を示す、(6)シリル化後の粒子は、1015、1050cm−1付近に赤外吸収スペクトルによる吸収を示す、という特性を有する。尚、上記酸化亜鉛以外の酸化物半導体についても、同様の特性が示された。 The inventive zinc oxide ultrafine particle exhibiting ultraviolet band edge emission of the present invention has the following characteristics. That is, (1) emits ultraviolet rays having an arbitrary wavelength between 200 nm and 390 nm, (2) the surface is silylated, and fluorescence from the trap level is quenched, (3) ultrafine particle diameter The distribution is 3 to 4 nm, (4) the response speed is 10 −12 seconds or less, (5) the particles after silylation show strong band edge emission near 365 nm, (6) the particles after silylation are 1015, It has a characteristic of showing absorption by an infrared absorption spectrum in the vicinity of 1050 cm −1 . In addition, the same characteristic was shown also about oxide semiconductors other than the said zinc oxide.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)紫外光バンド端発光を示す酸化物半導体超微粒子発光体を提供できる。
(2)酸化物半導体超微粒子において、トラップ準位からの蛍光を完全に消光できる。
(3)従来材のカルコゲナイド系化合物のような毒性や環境汚染の問題や、有機非線形光学材料として使用可能な酸化物半導体超微粒子発光体を提供できる。
(4)酸化亜鉛超微粒子からなる、3次非線形光学材料等の光学部材を提供できる。
(5)上記発光体は、紫外線で励起して蛍光を発する標識用蛍光体として使用できる。
(6)酸化亜鉛超微粒子は量子ドットなので量子計算機の固体素子として使用できる。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) An oxide semiconductor ultrafine particle light emitter exhibiting ultraviolet band edge emission can be provided.
(2) In the oxide semiconductor ultrafine particles, fluorescence from the trap level can be completely quenched.
(3) It is possible to provide an oxide semiconductor ultrafine particle light emitter that can be used as an organic nonlinear optical material and a problem of toxicity and environmental pollution like the chalcogenide compound of the conventional material.
(4) An optical member made of zinc oxide ultrafine particles such as a third-order nonlinear optical material can be provided.
(5) The phosphor can be used as a labeling phosphor that emits fluorescence when excited by ultraviolet rays.
(6) Since the zinc oxide ultrafine particles are quantum dots, they can be used as solid elements of quantum computers.

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、該実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例により何ら限定されるものではない。   Next, the present invention will be specifically described based on examples. However, the examples show preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples. .

(1)超微粒子の合成
酢酸亜鉛2水和物1.37gを65mlのエタノールに溶解し、80℃で3時間還流した。一方、NaOH0.4gを60℃程度に加熱しながら40mlのエタノールに溶解混合した。この両者を20℃に保った恒温水槽中に浸漬した。両者の液温が20℃になった時点で、酢酸亜鉛溶液を撹拌しながら、これに瞬時にNaOH溶液を流下した。その後、撹拌を30分続け、透明なコロイドを得た。
(1) Synthesis of ultrafine particles 1.37 g of zinc acetate dihydrate was dissolved in 65 ml of ethanol and refluxed at 80 ° C. for 3 hours. On the other hand, 0.4 g of NaOH was dissolved and mixed in 40 ml of ethanol while being heated to about 60 ° C. Both were immersed in a constant temperature bath maintained at 20 ° C. When the temperature of both liquids reached 20 ° C., the NaOH solution was instantaneously poured down while stirring the zinc acetate solution. Thereafter, stirring was continued for 30 minutes to obtain a transparent colloid.

(2)シリル化
ロータリーエバポレーターで上記コロイドのエタノールを取り除いた。フラスコ内壁に付着した固形分をスパーチュラで掻き落とし、グローブボックスに入れ、窒素(99.99%)雰囲気下で脱水テトラヒドロフランを50mlフラスコに入れた。該フラスコをグローブボックスより取り出し、ロータリーエバポレーターに取り付け、テトラヒドロフランを蒸発させた。この操作を3回繰り返し、エタノールの残渣を取り除いた。
(2) Silylation The colloidal ethanol was removed with a rotary evaporator. The solid content adhering to the inner wall of the flask was scraped off with a spatula, placed in a glove box, and dehydrated tetrahydrofuran was placed in a 50 ml flask under a nitrogen (99.99%) atmosphere. The flask was removed from the glove box and attached to a rotary evaporator to evaporate the tetrahydrofuran. This operation was repeated three times to remove ethanol residues.

再度、上記フラスコをグローブボックスに入れ、窒素(99.99%)雰囲気下でテトラヒドロフラン100ml、シリル化剤としてトリメチルエトキシシラン2ml、及び回転子をフラスコに入れた。該フラスコをオイルバスに浸漬し、テトラヒドロフランの沸点(66℃)で8時間攪拌しながら還流した。   Again, the flask was placed in a glove box, and 100 ml of tetrahydrofuran, 2 ml of trimethylethoxysilane as a silylating agent, and a rotor were placed in the flask under a nitrogen (99.99%) atmosphere. The flask was immersed in an oil bath and refluxed with stirring at the boiling point of tetrahydrofuran (66 ° C.) for 8 hours.

(3)結果
シリル化する前のコロイドの高分解能透過電子顕微鏡像を図2に示す。超微粒子が生成しているのが観察される。図3に、Feret径(「粒子径計測技術」 粉体工学会編、日刊工業新聞社(1994), pp.1-27.)による粒径分布を示す。ガウス関数でカーブフィットすると、超微粒子径は、約3.5nmであることが分かった。次に、コロイドを1mm石英セルに入れ、200nmから400nmの間の可視紫外吸収スペクトルを測定した。その結果を図4に示す。350nm付近から吸収が立ち上がり、励起子ピークは320nm付近にある。
(3) Results FIG. 2 shows a high-resolution transmission electron microscope image of the colloid before silylation. The formation of ultrafine particles is observed. FIG. 3 shows the particle size distribution according to the Feret diameter (“Particle Size Measurement Technology” edited by the Powder Engineering Society, Nikkan Kogyo Shimbun (1994), pp. 1-27.). When curve fitting with a Gaussian function, the ultrafine particle diameter was found to be about 3.5 nm. Next, the colloid was put into a 1 mm quartz cell, and a visible ultraviolet absorption spectrum between 200 nm and 400 nm was measured. The result is shown in FIG. Absorption rises from around 350 nm, and the exciton peak is around 320 nm.

図5に、表面をシリル化していない酸化亜鉛超微粒子の蛍光スペクトルを示す。350nmから右斜め上部に向かって強い光が観察されるが、これは、入射光が溶液中の塵によってレイリー散乱しているもので、酸化亜鉛超微粒子が発光しているものではない。330nm以下のどの波長の励起光でも蛍光波長345nm付近に、強度の弱い蛍光が認められる。直線状に発光する。   FIG. 5 shows the fluorescence spectrum of zinc oxide ultrafine particles whose surface is not silylated. Strong light is observed from 350 nm toward the upper right, but this is because the incident light is Rayleigh scattered by dust in the solution, and the zinc oxide ultrafine particles are not emitting light. Fluorescence with a weak intensity is observed in the vicinity of a fluorescence wavelength of 345 nm with any wavelength of excitation light of 330 nm or less. Emits light in a straight line.

図6に、シリル化後の蛍光スペクトルを示す。この場合は、365nm付近に強い蛍光が観察される。これが、酸化亜鉛超微粒子のバンド端発光である。シリル化することにより、強度が10倍程度強くなった。グラフ上部を斜めに横切る強い発光は、前述のように、レイリー散乱光であり、酸化亜鉛の蛍光ではない。   FIG. 6 shows the fluorescence spectrum after silylation. In this case, strong fluorescence is observed near 365 nm. This is the band edge emission of ultrafine zinc oxide particles. By silylation, the strength increased about 10 times. As described above, the strong light emission that crosses the upper part of the graph diagonally is Rayleigh scattered light and not the fluorescence of zinc oxide.

シリル化する前のバンド端発光は、345nmであるのに対して、シリル化後のバンド端発光は、365nmと長波長側に移動している。親水性溶媒の場合、酸化亜鉛超微粒子がオストワルト成長しやすいと考えられる。シリル化反応は、テトラヒドロフランのような疎水性溶媒中で行うので、オストワルト成長は親水性溶媒のようには著しくはないが、全く起こらない訳ではない。そのため、酸化亜鉛超微粒子の粒成長が起こっているものと考えられる。   The band edge emission before silylation is 345 nm, whereas the band edge emission after silylation is shifted to 365 nm and longer wavelength side. In the case of a hydrophilic solvent, it is considered that zinc oxide ultrafine particles are likely to grow by Ostwald. Since the silylation reaction is carried out in a hydrophobic solvent such as tetrahydrofuran, the Ostwald growth is not as significant as in the case of a hydrophilic solvent, but it does not occur at all. Therefore, it is considered that grain growth of zinc oxide ultrafine particles is occurring.

シリル化後の透過顕微鏡写真を図7に示す。図8に、粒子径分布を示す。粒子径は4.3nmであり、粒成長が起こっている。テトラヒドロフランを用いた場合には、反応温度が66℃という比較的低温であるので粒成長は比較的小さかったと考えられる。   A transmission photomicrograph after silylation is shown in FIG. FIG. 8 shows the particle size distribution. The particle diameter is 4.3 nm, and grain growth occurs. When tetrahydrofuran is used, it is considered that the grain growth was relatively small because the reaction temperature was relatively low at 66 ° C.

図9に、シリル化前後の酸化亜鉛の赤外吸収スペクトルを示す。シリル化前の酸化亜鉛は400cm−1付近に強い吸収を示す。シリル化後には1015,1050cm−1付近に新たな吸収が生成する。これはZn−O−Siによる吸収であり(”Handbook of Infrared and Raman Spectra of Inorganic Compounds and Organic Salts” Volume 4 Infrared Spectra of Inorganic Compounds(3300-45cm-1), Richard A. Nyquist and Ronald O. Kagel., Academic Press, New York 1997, pp.95.)、酸化亜鉛表面がシリル化されていることを示す。Zn−O−Siによる吸収は400cm−1付近にも表れるはずであるが、酸化亜鉛の吸収と重なってしまい、こちらの吸収ははっきりしない。以上述べてきたように、酸化物微粒子では、シリル化によるトラップの消滅が有効である。 FIG. 9 shows infrared absorption spectra of zinc oxide before and after silylation. Zinc oxide before silylation shows strong absorption in the vicinity of 400 cm −1 . After silylation, new absorption is generated around 1015,1050 cm −1 . This is the absorption by Zn—O—Si (“Handbook of Infrared and Raman Spectra of Inorganic Compounds and Organic Salts” Volume 4 Infrared Spectra of Inorganic Compounds (3300-45 cm −1 ), Richard A. Nyquist and Ronald O. Kagel. ., Academic Press, New York 1997, pp. 95.), showing that the surface of zinc oxide is silylated. Although the absorption by Zn-O-Si should also appear in the vicinity of 400 cm- 1 , it overlaps with the absorption of zinc oxide, and this absorption is not clear. As described above, trapping by silylation is effective for oxide fine particles.

以上詳述したように、本発明は、紫外線バンド端発光を示す酸化亜鉛超微粒子及びその製造方法に係るものであり、本発明により、トラップ準位からの蛍光を完全に消光し、紫外線バンド端発光のみを発する酸化物半導体超微粒子発光体を提供できる。本発明は、従来材のカルコゲナイド系の化合物や、有機非線形光学材料のような、合成するのが危険な化合物や、劣化の著しい材料に代わって、完全に製造することが可能で、かつ優れた耐久性を有する3次非線形光学材料及びその応用製品に関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。   As described above in detail, the present invention relates to zinc oxide ultrafine particles exhibiting ultraviolet band edge emission and a method for producing the same, and according to the present invention, the fluorescence from the trap level is completely quenched, and the ultraviolet band edge is obtained. An oxide semiconductor ultrafine particle light emitter that emits only light can be provided. The present invention can be completely manufactured in place of a conventional chalcogenide compound, a compound that is dangerous to synthesize, such as an organic nonlinear optical material, or a material that is significantly deteriorated, and is excellent. It is useful for providing new technologies and new products related to durable third-order nonlinear optical materials and their applied products.

触媒溶液を流下する時間を変化させたときの励起子のピークを、紫外線吸収装置で観察した結果を示す。The result of having observed the peak of the exciton when changing time to flow down a catalyst solution with the ultraviolet absorber is shown. シリル化する前のコロイドの高分解能透過電子顕微鏡像を示す。The high-resolution transmission electron microscope image of the colloid before silylation is shown. Feret径による粒径分布を示す。The particle size distribution by Feret diameter is shown. 200nmから400nmの間の可視紫外吸収スペクトルの測定結果を示す。The measurement result of the visible ultraviolet absorption spectrum between 200 nm and 400 nm is shown. 表面をシリル化していない酸化亜鉛超微粒子の蛍光スペクトルを示す。The fluorescence spectrum of the zinc oxide ultrafine particles whose surface is not silylated is shown. シリル化後の蛍光スペクトルを示す。The fluorescence spectrum after silylation is shown. シリル化後の透過顕微鏡写真を示す。A transmission micrograph after silylation is shown. 粒子径分布を示す。The particle size distribution is shown. シリル化前後の酸化亜鉛の赤外吸収スペクトルを示す。2 shows infrared absorption spectra of zinc oxide before and after silylation.

Claims (12)

紫外線バンド端発光を示す金属酸化物超微粒子発光体であって、表面をシリル化した金属酸化物超微粒子からなることを特徴とする発光体。   A light-emitting body comprising a metal oxide ultrafine particle light emitter exhibiting ultraviolet band edge emission and comprising a metal oxide ultrafine particle having a silylated surface. 金属酸化物超微粒子が、酸化亜鉛、錫酸化物、又は遷移元素酸化物超微粒子である、請求項1記載の発光体。   The light-emitting body according to claim 1, wherein the metal oxide ultrafine particles are zinc oxide, tin oxide, or transition element oxide ultrafine particles. 金属酸化物が、酸化亜鉛であり、200nmから390nmの間の任意の波長の紫外線を発光する、請求項1記載の発光体。   The light-emitting body according to claim 1, wherein the metal oxide is zinc oxide and emits ultraviolet light having an arbitrary wavelength between 200 nm and 390 nm. 紫外線を発光する金属酸化物超微粒子発光体を合成する方法であって、(1)有機溶媒中に溶解した金属原料塩を、同じ有機溶媒に溶解した塩基で加水分解し、金属酸化物超微粒子を合成する、(2)該粒子の表面をシリル化する、ことを特徴とする金属酸化物超微粒子発光体の合成方法。   A method for synthesizing a metal oxide ultrafine particle luminescent material that emits ultraviolet light, wherein (1) a metal raw material salt dissolved in an organic solvent is hydrolyzed with a base dissolved in the same organic solvent, and a metal oxide ultrafine particle is obtained. (2) A method for synthesizing a metal oxide ultrafine particle light emitter, wherein the surface of the particle is silylated. 有機溶媒中に溶解した亜鉛原料塩を、同じ有機溶媒に溶解した塩基で加水分解し、酸化亜鉛超微粒子を合成する、請求項4記載の方法。   The method according to claim 4, wherein the zinc raw material salt dissolved in an organic solvent is hydrolyzed with a base dissolved in the same organic solvent to synthesize zinc oxide ultrafine particles. 加水分解を−80から80℃の温度範囲で行う、請求項4記載の方法。   The process according to claim 4, wherein the hydrolysis is carried out in the temperature range from -80 to 80C. 加水分解を塩基触媒のアルカリ金属水酸化物を用いて行う、請求項4記載の方法。   The process according to claim 4, wherein the hydrolysis is carried out using a base-catalyzed alkali metal hydroxide. 塩基の量を亜鉛に対して1から2モル倍用いる、請求項5記載の方法。   6. The method according to claim 5, wherein the amount of the base is 1 to 2 mole times that of zinc. 有機溶媒が親水性のものである、請求項4記載の方法。   The method of claim 4, wherein the organic solvent is hydrophilic. 塩基触媒溶液を瞬時に流下混合し、加水分解させる、請求項4記載の方法。   The method according to claim 4, wherein the base catalyst solution is instantaneously mixed down and hydrolyzed. 200nmから390nmの間の任意の波長の紫外線を発光する発光体を合成する、請求項5記載の方法。   The method according to claim 5, wherein a phosphor that emits ultraviolet light having an arbitrary wavelength between 200 nm and 390 nm is synthesized. 請求項1から3のいずれかに記載の発光体を構成要素として含むことを特徴とする光学部材。   An optical member comprising the light emitter according to claim 1 as a constituent element.
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