JP2011524538A

JP2011524538A - デバイス，光学フィルター，電子装置，光学エミッター，及びデバイス形成方法

Info

Publication number: JP2011524538A
Application number: JP2011506765A
Authority: JP
Inventors: ミカエルエドワードフラット; アレキシィコーニシェフ; ミカエルアーバカハ
Original assignee: インペリアル・イノベ−ションズ・リミテッド; ラモトアットテル − アビブユニバーシティーリミテッド; ユニバーシティーオブアイオワリサーチファウンデーション
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2011-09-01
Also published as: US8503057B2; GB0807793D0; WO2009133350A8; EP2279438A1; US20110116154A1; WO2009133350A1

Abstract

【課題】より広い波長における基礎吸収端を実現することができるデバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】２種類の互いに混ざらない電解液１４，１６の間に形成される界面１０に量子ドット１２が複数配置される。この量子ドット１２は，中心となる第１領域とその周囲を囲む第２領域とからなり，第２領域のバンドギャップアは第１領域のバンドギャップよりも大きい。そして，量子ドットに対して電場を印加する電極が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は，電気的に調整可能な光学デバイスに関する。特に，この光学デバイスは光学フィルターや光学エミッターにおける利用に適しているが，これらに限定はされない。当該デバイスは，電磁スペクトルの可視可能な領域の内外に関わらず動作する。

量子ドットはナノ結晶物質（ここでは，ナノ粒子と称する），であり，第1のバンドギャップを有する半導体からなる一般的にはサイズが１〜１００ｎｍの中央領域を有している。この中央領域は第２のバンドギャップを有する第２領域によって囲まれている。そこでは，第２のバンドギャップは第１のバンドギャップより大きく形成されている。第２の領域は，例えば，真空な領域か第２の半導体であってもよい。量子ドットの一例としては，カドミウムセレン化物（ＣｄＳｅ）を中央領域に，亜鉛硫化物（ＺｎＳ）を周辺領域に使用し，亜鉛硫化物にはカドミウムセレン化物より大きなバンドギャップを持たせるといった構成を採用することができる。

量子ドットは調整可能であり，量子ドットを構成するナノ結晶物質の直径に依存する電気的，光学的及び磁気的な特性を備えている。

シュタルク効果は電場が印加されることにより原子，及び分子のスペクトル線の偏移や分割をもたらす。こうした偏移や分割を総称してそれぞれ，シュタルクシフトやシュタルクスプリットと呼ぶことができる。原子や分子による光の吸収（又は，放出）の周波数はスペクトル線の周波数に依存しているため，印加される電場によるシュタルク効果によって吸収や放出の周波数は変化可能である。

当業者であればすぐわかるように，「光」という用語は広く解釈されるべきであり，可視光線だけでなく，可視領域の外にある電磁的な放射線の波長をも含まれている。また同様にここで用いられている「光学」という用語は可視光を取り扱うシステムだけでなく，その他の電気的，磁気的なスペクトルの不可視領域を取り扱うシステムをも含むことができる。

小さいバンドキャップ物質が大きなバンドキャップ物質の二重層に挟まれる半導体のヘテロ構造においては，シュタルク効果は自己束縛された励起子により強化される。この効果は量子閉じ込めシュタルク効果と呼ばれている。励起子を構成する電子と正孔は印加される電場によってそれぞれが反対の方向に引っ張られるが，小さなバンドギャップ物質の中に閉じ込められたままであるため，励起子は電場によって別々に別れてしまうことはない。実際は，量子閉じ込シュタルク効果は半導体光学モデュレイターに，特に光ファイバー通信に利用されてきた。

Ｐ. Ａｌｉｖａｓａｔｏｓ, Ｓｃｉｅｎｃｅ, ２７１, ９３３（１９９６）.

しかしながら，従来，シュタルク効果を通じたある電場が印加された量子ドットの基礎吸収端のコントロールは，量子ドットを囲む物質が電気的に断絶していることによって制限されてきた（参考文献２）。このことにより，量子ドットの基礎吸収端が調整されうる波長の範囲も制限されてきた。
それゆえに，より広い波長にわたって量子ドットの基礎吸収端を変化させることができるように，量子ドットに対してより広範囲の電場を印加し，改良された調整可能な光学的特性を得ることが従来望まれてきた。

本発明の第１の側面として添付の特許請求の範囲における請求項１に定義されたデバイスが提供される。このデバイスにおいては，相互に混ざらない２種類の導電性液体がその間に界面を形成するように配置されるとともに，前記界面には複数のナノ粒子が局在されている。このナノ粒子には，それぞれが第１のバンドギャップを有する半導体を成す第１の領域と，前記第１の領域の周りを囲み第２のバンドギャップを有する第２の領域とが設けられており，第２のバンドギャップは前記第１のバンドギャップよりも大きく形成されている。そして，このデバイスはナノ粒子に対して電場を印加し，シュタルク効果によって前記ナノ粒子の光吸収特性，あるいは光放出特性を変化させる印加手段とを更に備えている。

複数のナノ粒子を２種類の導電性液体の間に位置する界面に局在させることで，周辺物質の絶縁破壊を伴うことなく従来技術と比較してより大きな電場がナノ粒子に対して印加可能となる。したがって，より多様なナノ粒子の光吸収，又は光放出の周波数を実現可能となり，そのことによってデバイスがより広い範囲の波長に対して調整可能となる。

従来のナノ粒子技術に基づくシステムでは，本発明の実施例により可能となった，２種類の相互に混ざらない導電性液体の間の界面に大きな電場を印加可能となったことで実現された吸光の多様な周波数は，実現できないであろう。更には，界面の自己凝集特性のために，本発明のシステムは強力な解決手段となり，生産が容易かつ比較的安価に行うことができる。

また、好ましく、付加的な特徴が従属の請求項に定義されている。

すなわち，好ましくは，ナノ粒子は量子ドットであり，１〜１００ｎｍの直径を有したものである。

また，好ましくは，ナノ粒子は第１の領域がCdSeからなり，第２の領域がZnSからなるものであるが，他の素材を用いることもできる。

また，好ましくは２種類の導電性液体は双方とも電解液である。

また，好ましくは，電解液は水と，２種類の塩と混合された有機液体とからなり，塩のうち一方は水相に大部分が位置する親水性イオンを含み，他方は油相に大部分が位置する疎水性イオンを含む。

また，具体的には有機液体として１，２−ジクロロエタン、あるいはニトロベンゼンを採用することもできるが、他の液体でもよい。

また，ナノ粒子には，同ナノ粒子自体が凝集するのを抑制する配位子（リガンド）が設けられるようにすることもできる。

また，このデバイスは界面に対して電位を与え，そのことによって前記界面の曲率を変更させる手段を更に備えても良い。そうすることで，ＵＳ特許出願11/798,901に開示されているようなエレクトロウェッティング構造においてこのデバイスが実現されたときに，電位を作用電極に対して印加し界面における電位降下を変化させることで，界面の曲率を独立して変化させることができる。これは，同時に調整可能な透過スペクトルを伴う可変焦点レンズという新たな特性をデバイスに対して付与することができる。

この発明の第２の側面によれば，これまで第１の側面で述べてきたデバイスからなる光学フィルターが提供される。入射光の吸収レベルを増やすためには，光学フィルターは複数のデバイスを平行になるように配置されたものから構成されるか，フィルターを何度も入射光が透過可能なように多重パスを配置する構成が採用される。

この発明の第３の側面によれば，第２の側面で述べた１以上の光学フィルターよりなる電子装置に用いることができる。

この発明の第４の側面によれば，第１の側面で述べたデバイスからなる光学エミッターに用いることができる。

この発明の第５の側面によれば，第４の側面で述べた１以上の光学エミッターよりなる電子装置に用いることができる。

この発明の第６の側面によれば，このデバイスの形成方法が提供されている。形成方法とは，相互に混ざらない２種類の導電性液体をその間に界面を形成するように配置する工程と，それぞれが第１のバンドギャップを有する半導体を成す第１の領域と，前記第１の領域の周りを囲み第２のバンドギャップを有する第２の領域とを有し，前記第２のバンドギャップは前記第１のバンドギャップよりも大きく形成された複数のナノ粒子を前記界面に局在するように配置する工程と，前記ナノ粒子に対して電場を印加し，シュタルク効果によって前記ナノ粒子の光吸収特性，あるいは発光特性を変化させることを可能とする工程とを含んでいる。

この形成方法は，更に界面において電位を印加し，それにより界面の曲率を変化させる工程を含む。こうすることで，ＵＳ特許出願11/798，901で特定されているようなエレクトロウェッティング効果を使用して，界面形状の電場誘導補正が可能となる。

本発明の全ての側面において、好ましく、付加的な特徴が従属項に定義されている。

本発明によれば，より多様なナノ粒子の光吸収，又は光放出頻度を実現可能となり，そのことによってデバイスがより広い範囲の波長に対して調整可能となる。

図１は，２種類のITIESの界面における負の電荷を帯びたナノ粒子の吸着を概略的に示した概略図である。図２は，光学デバイスを形成する電気化学的セルを示しており，負の電荷を帯び界面に吸着されたITIESの概略図を含んでいる。下の図は電場が印加されている状態，上の図は電場が印加されていない状態を示す。図３は，ITIESにおけるナノ粒子に対するポテンシャルエネルギーのグラフについての電場効果を示しており，曲線は界面を通じた異なる電位降下を意味する。図４は，３サイズの量子ドットに対する電圧の機能としての低エネルギー光吸収の計算されたピーク波長を示す。図５は，電場が０の状態で５６０ｎｍの吸収ピークを有するＣｄＳｅ/ＺｎＳの量子ドットの計算された光吸収スペクトラムを示し，ITIES領域における吸収ピークが６２０ｎｍに１ボルトの印加でシフトすることを示している。図６は多重の光の通路が配置された光学フィルターの具体例を示す。

この発明を実現することのできる最良の実施形態を示す。しかしながら，この発明の実現の仕方はこの実施形態に限定されるものではない。

上述したように，シュタルク効果（参考文献２参照）を通じたある電場が印加された量子ドットの基礎吸収端のコントロールは，量子ドットを取り囲む物質において電気絶縁が起こってしまうため制限されてきた。

しかしながら，半導体物質において可能な数値を大きく超えた電場が電気化学セルのITIESに対して印加されうることを発見した（参考文献３，４参照）。更には，ナノ粒子はある電場が印加されることで界面に可逆的に局在化され，そこでは２重層においてナノ粒子は自己凝集する。ITIESに局在化された半導体のナノ結晶体は可視スペクトルの大部分にわたって調整可能な光学的な特性を有しており，その帯域はＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ粒子においては５６０〜６２０ｎｍ（緑から赤）の波長に相当する。そのようなセルにおける液体の透過性は，この構造が自己凝集的で電気的に調整可能な新しいクラスの光学フィルターに適するであろうことを示している。

図１及び図２に示されるように，ITIESは２種類の互いの混ざらない液体の間に生じる。このような構成の一例としては，水と，水相に位置する新水性イオンと油相に位置する疎水性イオンとの２種類の塩と混合された有機液体との組み合わせなどがある（参考文献３−５参照）。ある電場の影響下においては，２つの連続した電気二重層が界面の２側面において形成されている。1,2-ジクロロエタンやニトロベンゼン等の典型的な有機溶媒にとって，この界面はイオン電流が流れることなしに０．８ｖまでの電圧をサポートしている（参考文献３，４参照）。電位降下は２つの二重層における界面に局在，すなわち，界面の１ｎｍの領域内に限定して起こり，電位降下は塩基濃度に依存し，０．８ｖ／ｎｍまでの電場に相当する。この空間次元は半導体量子ドットと混合可能であり，その量子ドットの直径は５％の誤差を含んで２ｎｍの小ささである。ＣｄＳｅ／ＺｂＳドットにとって，この直径は可視光線の青色の領域における４９０ｎｍの放出波長に相当する。このように，ITIESはナノ粒子が局在するための無欠陥領域を提供する（参考文献６参照）。粒子の凝集を避けるために，ナノ粒子は水相において解離可能なチオール基によって粒子に付着されるリガンドにより保護されてもよい。このことにより，電離された基の間に起こるクーロン反発によって，リガンドの数値よりは小さいものの，コーティングされた粒子が正味荷電を得るようになる，

他のお互いに混ざりえない導電性液体であっても，電気化学的なセルを形成するのに用いてもよい。

図１は，ITIESの概略図を示しており，ITIESは界面１０に吸着したナノ粒子１２により負の荷電を帯びている。プラスイオン，及びマイナスイオンは水１４と油１６の中において，より小さな球状に（図中では黒と白色とで着色されて）示されている。破線は界面１０において，ナノ粒子１２を界面１０に閉じ込めるポテンシャル全体を図示している。

図２は，光学デバイスの一部を形成する電気化学的セルの概略図を示している。このセルは，界面１０に吸着され負の電荷を帯びたナノ粒子１２を有するITIES１０を含んでおり，下の図は電場が印加された状態，上の図は電場が印加されていない状態を示している。ナノ粒子１２の光の吸着のピークは電場の有無によって変化する。プラスイオン，及びマイナスイオンは水１４と油１６の中において，より小さな黒と白色の球体で示されている。矢印１８は，電場の方向を示しており色塗られた領域２０は，電場強度を示している。電場は負の電荷を帯びたナノ粒子１２を油相１６に向けてプッシュし，破線２２は界面１０にナノ粒子１２を閉じ込める力のポテンシャル分布を示している（参考文献７参照）。

界面１０は水１４，油１６それぞれが固有の非混在性を有していることから，自己凝集する。界面１０は，液体がそれぞれ異なる濃度であることによって片方がもう他方の上側に配置されるのであれば，水平的に配置され，Ｕ字状のチューブやチャンバーにおける浮力効果が用いられるのであれば，垂直に配置される。

図２に示されるように，入射光２４はセルに入射されうる。例示されるように，入射光２４は上下双方の図においても同様の態様で当てられている。しかしながら，ナノ粒子１２の吸着特性は印加される電場によって変化することから，下の電場が印加されている図においては現在の電場状況における出力光２８の色は，電場が発生していないときの出力光２６とは異なっている。

量子ドットとして用いる物質に何を選択するのかは，電場が量子ドットに印加されていない最もエネルギー状態の低い吸収線の光の波長に依存する。最もエネルギー状態の低い吸収線の光の波長は量子ドットの中央領域のバンドギャップ，第２の周辺領域のバンドギャップ，そして２つの領域の半径に依存している。ＣｄＳｅ／ＺｎＳは量子ドットの一例を示したものである。

界面エネルギーを取り除くために，２種類の液体間の界面に自然状態で吸着するより大きな荷電されていない粒子とは対照的に，小さく，荷電されたナノ粒子は電場が発生していない状況では水相にとどまる傾向にある。ITIESの間に位置する界面におけるナノ粒子に対する閉じ込めポテンシャルは，競争的湿潤，電荷を帯びたナノ粒子への溶媒和エネルギー，印加された外部電場からの潜在的寄与といった要素からの影響を受ける。図３に示されるように，ITIESにおける電場の可能性からかんがみて，ナノ粒子を界面に局在させることが可能な深い井戸型ポテンシャルが付与されることが計算によって示されている（参考文献７参照）。さまざまな電子ポテンシャルにより，井戸の深さを可逆的に制御でき，それによりナノ粒子による界面のカバレッジをも可逆的に制御できる。また，ある電場が印加された状態での界面におけるナノ粒子の濃度のバリエーションは界面の不透過性を変えうる。この効果は，シュタルク効果による電圧により選択的に色を調整可能なデバイスよりも，量子ドットがある程度の距離を拡散していかないといけないためにスピードは遅いものの，一層の調整の自由度を与えるものである。

もし量子ドットが大きな距離を経て界面へと行き渡らなければならないのであれば，反応速度は遅くなるであろう。しかしながら，電場が変更されたときに量子ドットが既に界面に局在しているのであれば，反応速度をより早くなりえる。閉じ込められた量子ドットにとって，光の減衰係数の反応時間は２つの時間のより長い方によって決定される。すなわち，電気二重層の反応時間と変更された電場における量子ドットの反応時間である。電気的な２重層の反応時間は，油相が水相と比較して，より粘性が高くより大きなイオンを有していることからより遅い方の油相における反応時間によって決定される。反応時間は大まかにはＬ_Ｄ ²／Ｄであらわされる。Ｌ_Ｄは二重層の厚みを表し，Ｄはイオンの拡散定数を表す。二重層の厚みが１ｎｍで拡散定数が10⁻⁷ cm²/sの場合，反応時間はO.lμsとなる。界面における量子ドットの小規模の再配置が原因のドットの反応時間は同様の形で計算することができるが，Ｌ_Ｄに当たる移動距離は０．１ｎｍである。量子ドットの拡散定数は正確には知られていないが，大まかにはスモルフスキー理論（量子ドットのサイズに基づいて計算する）から１０^-９ cm²/s程度と推定される。このように，量子ドットの反応時間は，電気的な２重層の反応時間O.lμsと近似している。これは，後述するような実際のアプリケーションにとっても十分な速さである。

ナノ粒子に閉じ込められた電子と正孔双方のエネルギーにおけるシュタルクシフトは，外部の電場の影響下のもと起こる。半導体ナノ粒子の界面の単一層における静電容量は，実質的には水相，油相の電気二重層におけるものよりも低い。結果として，印加された電界強度の９０％以上は，ナノ粒子層を通じて低下し，その光学的な特性をこれまで達成できなかった水準で調整可能とすることができるようになる。量子ドットを通過してほぼ線形に伸びるポテンシャル分布は，量子ドットの一方により近くシフトすることを可能とし，過程の中でキャリアのエネルギー値を低下させる。

球状のナノ粒子において，キャリアにとってのエネルギーにおけるシフトは，印加される外部電場と平行にある量子化軸を伴う最下位Ｓ状態と最下位Ｐ状態との間で混合される電場誘起によるものである。表面に硬度の高い境界状態を有する半径Ｒの均質な球体にとっては，Ｓ及びＰ状態の電子波関数は，A_oj_o(k_sr)
and AJ_x (k_pr) の球ベッセル関数として定義できる。ＫｓとＫｐはj_o(k_sR) = j₁(k_pR) = 0.といった，最も小さい正の数である。これらの二つの状態の間のエネルギーを混在させる電場誘起は，ハミルトニアンの電場成分の行列要素のｅＥｒとなり，ナノ粒子におけるポテンシャルエネルギー低下の1/6に相当し，ｑＶ/６と表すことができる。シュタルクシフトは[(qV/６)² + ΔE_e ² ]^1/2+ [(qV/6)² + ΔE_h ² }^1/2-ΔE_e-ΔE_Aと定義され，AE_eは二つの最低位の伝導電子の状態間のエネルギー分裂を表し，AE_hは２つの最も最低位の価穴の間のエネルギー分裂を表す。もし，AE
_e とAEｎとがともに，大きなナノ粒子に相当するｑＶ／6よりも小さい場合は収縮の摂動論によりｑＶ／３の吸収ピークのシュタルクシフトが起こる。もし，小さいナノ粒子においても同様に起こり得るのであれば，収縮摂動論により(qV/6)² /AE_e + (qV/6)²/AE_hであらわされるシュタルクシフトが起こる。ここで，AE _eは２つの最低位の占有されていない電子状態間におけるエネルギー差を示している。また，AE _ｎは２つの最高水準の占有電子状態間におけるエネルギー差を示している。

電場の機能として最低位のエネルギー状態における吸着特性のピークエネルギーのプロットが図４において，CdSe/ZnSドットの３つのサイズに対して示される。３つの曲線はゼロ磁場吸収ピークの４９０ｎｍ，５６０ｎｍ，６２０ｎｍに相当する。
CdSe/ZnS等の量子ドットはゼロ磁場で５６０ｎｍのピーク最低エネルギー吸収線を有しており，qV/6 + (qV/6)² /AE_e = 210 meVによってシュタルクシフトが付与される中間域に位置している。図５に示されるように，ある電場での１ボルトに対して５６０ｎｍから６２０ｎｍへの吸収ピークのシフトは，緑から赤への変化に相当する。このシフトは５％の量子ドットの粒度分布に対する典型的な３０ｎｍの室温線幅の約２倍の大きさになり，これは色の変化が室温においても存続し，実用上重要な点であることを示している。

前述したとおり，最もよく研究され安定したITIESとっては，界面における電流の流れは0.8Vの電圧降下がここで起こった時に大きなものとなっていた。しかしながら，ITIESにとっての最も顕著な事例が１Vの電圧降下の結果として示されている。室温線幅よりも大きなシフトが，図５でしめされる量子ドット（波長が６２０ｎｍのゼロ電場吸収ピーク）に対して０．５Ｖの低さの電位が印加されると得られ，既存のITIESであってもこのような効果は室温では注目すべきものとなる。異なる形状のナノ結晶体は異なるシュタルクシフトを有している。キー量はナノ粒子においてポテンシャルエネルギー低下を起こした状態である。例えば，印加された電場と平行に配置された長軸を伴う一次元ナノロッドは，球状のナノ結晶体であって同じポテンシャルエネルギー低下を伴うものに対するシュタルクシフトと計算上１０％の誤差内で等しくなる。

このように，量子ドットにおいて最大の電位降下，界面において最も安定した局在性，及び界面の最大範囲を得るためには，量子ドットの形状を様々に変えることで検証すればよい。
参考文献８の方法によれば，価電子の最もエネルギーレベルの高いＳ状態から伝導電子の最もエネルギーレベルの低いＳ状態への推移を前提として，ナノ粒子の電気二重層の光の吸収度は計算される。光学的線幅は100meV.と推定される。電場は最も低いエネルギーのＳ状態をエネルギーにおいて下げる方向に遷移させ，このＳ状態と交差するＰ状態をエネルギーにおいて上げる方向に遷移させる。印加された電場において，他の二つのＰ状態はシフトしない。
図５で示されるように，量子ドットに対する２番目に高いエネルギー吸収特性は印加された電場をシフトしない。吸収特性は，電場とは独立して高いエネルギー特性を有する時もあれば，印加される電場によってシフトして実際に低いエネルギー特性を有するときもあり，電場を調整可能な光学フィルタリング特性を実現する。
高密度（１０^１７ｍ^−２の表面密度に相当する）の量子ドット単分子層における室温励起子率は，単一パスの場合は０.５％になるであろう。

ITIESにおける単分子層の形状は平方センチメートルの領域に亘って作られうるため，減衰係数を一定の値にしようとする多重パスを容易に形成する。複数のパスが配置された光学フィルター配置の一例が図６に概略的にしめされている。
図６においては図１，２と同様に，電気化学セルが水相１４と油相１６との間にITIES１０を含んでおり，界面１０に吸着され負の電荷を帯びたナノ粒子１２の層を伴っている。電場は電極３０を通じて界面に印加され（電極３０は光のパスを妨げないように配置されている）入射光２４は，第１の光の窓３２を通じてセル内に入る。
セル内においては，光は反射壁３６（鏡面となっている）によって反射され，ナノ粒子層を何度も通過し，そうすることで光は所要の吸収レベルを達成する。ナノ粒子１２によるフィルタリングに続き，出力光２８は入射光２４とは異なる色をしており，第２の光の窓３４を通じてセルの外部へと透過される。大きな領域を占めるITIESにおいて10⁷ V/cmという安定した電場の印加が作り出されることにより光吸収のシュタルクシフトがコロイド量子ドットの室温線幅よりも大きくなるという最初の実例を提供することができる。

これらの電場はまた，量子ドットの周囲において局在的に変動する電場よりも大きい。より小さい電場によって引き起こされてきた従来のシュタルクシフトは，室温線幅には到達せず，リガンドに対する荷電の移動によって局在的に変化しやすい電場の影響を受けやすい（参考文献２参照）。ITIESにおける量子の単分子層の自己凝集作用により，新しいタイプの電場によって調整可能な光学デバイスが実現可能となった。

電気的に調整可能な光学フィルター
既存の電気的に調整可能な光学フィルターは，非常に広いスペクトルの受容角を有するものか，非常に狭いスペクトルの受容角を有する者のどちらかであった。鋭利なスペクトルの受容角を有する光学フィルターは一般的には，干渉効果に基づいており，電場によって物質の屈曲率を小さいものに変えるか，機械的に変更可能なトランスデューサーによりデバイスにおける長さを変更する。

干渉効果に基づかない光学フィルターは非常に広いスペクトル特性を有する傾向にあり，たいていは電場に基づいてあるスペクトル範囲における吸光度を変更するのみである。
もし光学フィルターが調整可能でなければ，それぞれの色の範囲ごとに異なるフィルターを複数利用するか，光通信帯域毎に異なるフィルターを利用する必要があり，コストが大きくなってしまう。更には，光学フィルターの透過効率は，調整可能とした時には課題がある。例えば，液晶の調整可能な光学フィルターは一般的には透過ピークの２０％に過ぎない。従来の表面プラズモンの調整可能なフィルターは透過ピークの７０％に過ぎない。

一方で，本発明の実施例では，電気化学セル内部に電場を印加することで量子ドットの基礎吸収端をシフトさせることによりフィルターで利用される物質の実際の色調を変化させうる。量子ドットの基礎吸収端が変化するにつれて，フィルターを透過する光の角度は大きく変化することができ，一方でフィルター効果は維持され続ける。セルに印加される電場の大きさはまたかなり小さく，１ボルト程度である。デバイスの部材は量子ドット，液体，コンテナ，電極も含めて全て安価なものを利用可能であるため，光学フィルターは他の選択肢よりも非常に安価に生産可能である。ナノ粒子の単一層は光学フィルターとして特に有用とは思われない。なぜなら単一の単分子層は入射光の０・５％しか吸収しないだろうからである。それゆえに，実際のフィルターを利用した装置は，入射光の全体での吸収量を増加せるために，平行に配置された複数の単分子層のフィルター層からなっている。

他の例としては，単一のフィルター層を通じて複数のパスが配置され，それは例えば図６で示されるような鏡を用いることで作られており，そうすることで入射光は単一のフィルター層を何度も透過するようになり，所要の吸収水準を得ることができる。カラー撮像システムも本発明の光学フィルターを用いることが有用である。撮像システムの検出器の前に原色は分離され，画像の質は通常であれば向上する。フィルターは光の波長の小さい範囲のみが透過可能とする狭帯域にもすることができ，波長の広い範囲が透過可能な広帯域とすることもできる。可能性としては，色調のより広い範囲はＬＣＤフィルターを用いるよりも本発明の実施形態を用いる方が実現可能である。本発明のフィルターは分光法に対して，狭い範囲の波長を選択するときや，光通信において特定の周波数の範囲のみを選択するとき（例えば，波長分割多重など）にも有用であり得る。

調整可能な光学フィルターは他の例にも活用可能である。光通信で利用される（例えば，単一波長レーザーなど）非常に高速で帯域の小さいフィルターや，ＦＴＩＲｓなどのガス分光デバイスにおいて用いられる遅く，帯域の狭いフィルターなどにも適用可能である。また，太陽のように多重波長源からの１以上の波長の光を吸収できるようにされたフィルターも可能である。このようなフィルターは例えば，ディスプレーパネルやコンピュータ用のプロジェクターなどで用いられる。また，可視光線以外にも重要な利用方法が同様に存在している。液体内で使用される分光器，例えば，血糖値等を測定する医療用のセンシングフィルターは従来の小型化が必要なデバイスにとっては非常に大きく，帯域も小さかった。既存の解決策としては，わずらわしく厄介ではあるが，必要な範囲の周波数をカバーできるように，放出の周波数がわずかに異なるＬＥＤを連続して集めることで実現できる。サンプルに光を当てるピーク波長を変化させるために，本発明を具体化した単一の広域帯域の光源と調整可能なフィルターを利用するとより効率的になりえると評価できる。本発明には，近赤外線スペクトル領域（２〜５ミクロン）や赤外線スペクトル領域（８〜１２ミクロン）における調節可能な量子ドットの使用も含まれる。
１以上の従来のフィルターを光学パスにおいて調整可能なフィルターと併用することも可能である。例えば望ましくないある波長やある波長の範囲を取り除くために調整可能なフィルターの前に従来のフィルターを通すようにすることもできる。

電気的に調整可能な光学エミッター（ＬＥＤやレーザーなど）
電気的に調整可能な光学エミッター（ＬＥＤやレーザーなど）は，安価な溶液から作られたコロイド量子ドットに基づいて実現可能である。本発明の具体例が２００meV（実現可能なパラメータから理論的に算出）以上の量子ドットレーザーの放出波長を統制できる能力は，放出光の波長を可視光において６０ｎｍ以上に，通信形態においては４００ｎｍに相当する。この広い調節性能は他のアプローチでは実現不可能であり，エピタキシャル成長法などの複雑かつ高価な製造方法をとっても同様である。

安価で調節可能なレーザーの実用化は，医療用デバイス（息検査センサや血糖値センサなど）と同様に環境検査用の汚染物質化学センサーにも利用可能性を広げる。上述したような調節可能な光学フィルターを利用することで，広い帯域の光源をある色調にフィルタリングすることは可能である一方で，調節可能なエミッターを用いれば，フィルターをなしでも十分に同様の効果が出られる。

本発明を具体化した調節可能なエミッターの別の活用例としては，調節可能なフォトルミネッセンスレンズや放射画素を並べて構成されたディスプレーパネルが含まれる。そのようなディスプレーパネルは有機ＬＥＤによって製造するもののよい代替え手段となりえる。なぜなら，有機ＬＥＤは寿命が短いが，量子ドットは非常に寿命が長いからである。
調節可能なフィルターとエミッターとを組み合わせた可変焦点レンズもありえる。２種類の相互に混ざらない導電性液体の間に設けられた界面の曲率は，モンロー（参考文献９参照）の記載や，ＵＳ特許出願11/798，901に開示されているように，電位が印加されることにより変更可能である。これらの文献に開示されている技術は本明細書に記載の技術内容と結び付けてもよく，２種類の導電性液体の間に設けられた界面におけるナノ粒子の局在的な配置が与えられると（すなわち，上述したような調節可能なフィルターやエミッターが与えられると），前述した界面自体の曲率も変化することができる。そのような配置は可変焦点レンズの特性を調節可能なフィルターやエミッターに付与することができる。
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[5] G.M. Luo, S. Malkova, J. Yoon, D.G. Schultz,
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[8] S. Schmitt-Rink, D. A. B. Miller and D. S.
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[9] CW. Monroe, L.I. Daikhin, M. Urbakh and A.A.
Kornyshev, Phys. Rev.Letts. 97 136102 (1996).

本発明は，光学フィルターや光学エミッター，またはこれらを用いた医療用デバイス，環境検査用センサーなどに用いることができる。

１０ＩＴＩＥＳ
１２ナノ粒子
１４水相
１６油相
１８電場
２０電界強度
２２ポテンシャル分布
２４入射光
２６出射光

Claims

相互に混ざらない２種類の導電性液体であって、前記２種類の導電体液体の間に界面を形成するように配置されたものと，
前記界面に局在した複数のナノ粒子であって，
前記ナノ粒子のそれぞれは，第１のバンドギャップを有する半導体を成す第１の領域と，前記第１の領域の周りを囲み第２のバンドギャップを有する第２の領域とを有し，前記第２のバンドギャップは前記第１のバンドギャップよりも大きいものと，
前記ナノ粒子に対して電場を印加し，シュタルク効果によって前記ナノ粒子の光吸収特性又は発光特性を変化させる電場印加手段と，
を有するデバイス。
請求項１に記載のデバイスにおいて，
前記ナノ粒子が量子ドットである
デバイス。
請求項２に記載のデバイスにおいて，
前記ナノ粒子は１〜１００ｎｍの範囲の直径を有する
デバイス。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイスにおいて，
前記ナノ粒子は，前記第１の領域がCdSeから構成されるとともに，前記第２の領域がZnSから構成される
デバイス。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイスにおいて，
前記２種類の導電性液体は双方とも電解液である
デバイス。
請求項５に記載のデバイスにおいて，
前記電解液は水と，２種類の塩と混合された有機液体とからなり，前記塩のうち一方は水相に大部分が位置する新水性イオンを伴い，他方は油相に大部分が位置する疏水性イオンを伴う
デバイス。
請求項６に記載のデバイスにおいて，
前記有機液体は１，２−ジクロロエタン又はニトロベンゼンを含む
デバイス。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイスにおいて，
前記ナノ粒子には，前記ナノ粒子同士が凝集するのを抑制するリガンドが設けられる
デバイス。
請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイスにおいて，
前記界面に対して電位を与え，そのことによって前記界面の曲率を変更させる手段を更に含む
デバイス。
請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイスを含む光学フィルター。
請求項１０に記載の光学フィルターにおいて，当該光学フィルターは，複数の前記デバイスが平行に配置される
光学フィルター。
請求項１０に記載の光学フィルターにおいて，入射光が何度も前記フィルターを通過できるように複数の光路をさらに有する
光学フィルター。
前記１０〜１２のいずれか一項に記載の光学フィルターを１以上備えた電子装置。
請求項１〜９に記載のデバイスを含む光学エミッター。
請求項１４に記載の光学エミッターを１又は１以上含む電子デバイス。
デバイスを形成する方法であって，
前記方法は，
相互に混ざらない２種類の導電性液体をその間に界面を形成するように配置する工程と，
それぞれが第１のバンドギャップを有する半導体を成す第１の領域と，前記第１の領域の周りを囲み第２のバンドギャップを有する第２の領域とを有し，前記第２のバンドギャップは前記第１のバンドギャップよりも大きく形成された複数のナノ粒子を前記界面に局在するように配置する工程と，
前記ナノ粒子に対して電場を印加し，シュタルク効果によって前記ナノ粒子の光吸収特性，あるいは発光特性を変化させることを可能とする工程と
を含むデバイス形成方法。
請求項１６に記載のデバイス形成方法において，
前記界面に対して電位を与え，そのことによって前記界面の曲率を変更させる工程を更に含むデバイス形成方法。
添付図面の全ての組み合わせを参照し、図示されて前項に実質的に説明されるデバイス。
添付図面の全ての組み合わせを参照し、図示されて前項に実質的に説明されるデバイス形成方法。