JP2022076459A - 高い安定性を有する半導体ナノ材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】量子ドットに対する外部要因の影響を効果的に回避又は低減し、安定性の高い量子ドットを提供する。【解決手段】量子ドットは半導体ナノ材料であり、ＩｎＰで構成されたコア１０２と、ＺｎＳｅで構成された第１のシェル１０６と、ＺｎＳで構成された第２のシェル１０８と、傾斜合金中間層１０４と、を含む。コアは、第１のシェルで包まれている。第１のシェルは、第２のシェルで包まれており、第１のシェルと第２のシェルは異なる材質を有する。傾斜合金中間層がコアと第１のシェルとの間に存在する。傾斜層は、Ｉｎ、Ｐ、Ｚｎ及びＳｅで構成された合金を含む。Ｉｎ及びＰの含有量は、コアから第１のシェルに向かって徐々に減少する。Ｚｎ及びＳｅの含有量は、コアから第１のシェルに向かって徐々に増加する。量子ドットの粒径は、１１ｎｍ以上である。量子ドットは、励起時に、５０％以上のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体ナノ材料に関し、詳細には、高い安定性を有する半導体ナノ材料に関する。
量子ドット（ＱＤ）とも呼ばれる半導体ナノ粒子は、ナノサイズ（一般に＜１００ｎｍ）の寸法及び結晶構造を有する半導体材料であり、数百～数千の原子を含むことができる。ＱＤは非常に小さいため、比表面積が大きく、量子閉じ込め効果も示す。したがって、ＱＤは、そのサイズに基づいて、対応するバルク半導体材料の固有の特性とは異なる、独特の物理化学的特性を有する。
ＱＤのフォトルミネッセンスは、半値全幅（ＦＷＨＭ）が狭く、より純粋な色を発する。さらに、ＱＤの光電特性は、コアのサイズを調整することによって容易に制御することができる。したがって、ＱＤは、例えばディスプレイ用途で、今でも活発に研究されている。しかしながら、ＱＤをディスプレイ装置で使用する場合、安定性、フォトルミネッセンス量子収率、寿命、及びその他の関連する特性をさらに向上させる必要がある。
現在、ＱＤ用途の最大の課題は、長期安定性である。強い光、高温、湿気、揮発性物質、及び酸化剤などの外部要因は、ＱＤフォトルミネッセンス強度の不可逆的な減衰を引き起こす可能性がある。ＱＤのサイズ、主にシェルの厚さを増やすことで安定性を高めることができるが、これには、元のＱＤ合成後に余分な外側シェルを形成するための複数の反応工程を追加するか、又はＱＤの合成反応時間を長くする必要があり、いずれもコストが高くなり、フォトルミネッセンス量子収率が低下につながることが多い。
本発明は、より優れた保護を提供して量子ドットの安定性を向上さるために、二層シェルがコアを包む量子ドットを提供し、それによって、量子ドットに対する外部要因の影響を効果的に回避又は低減する。
本発明は、ＩｎＰで構成されたコアと、ＺｎＳｅで構成された第１のシェルと、第２のシェルと、傾斜合金中間層と、を含む量子ドットを提供する。第１のシェルは、コアの表面を包む。第２のシェルは、第１のシェルの表面を包み、第１のシェルとは異なる材料を有する。傾斜合金中間層は、コアと第１のシェルとの間に形成される。傾斜合金中間層は、Ｉｎ、Ｐ、Ｚｎ及びＳｅから構成された合金を含む。Ｉｎ及びＰの含有量は、コアから第１のシェルに向かう方向に沿って徐々に減少する。Ｚｎ及びＳｅの含有量は、コアから第１のシェルに向かう方向に沿って徐々に増加する。量子ドットの粒径は、１１ｎｍ以上である。量子ドットは、励起時に、５０％以上のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる。
本発明の一実施形態では、第２のシェルは、ＺｎＳで構成されている。
本発明の一実施形態では、量子ドットの粒径は、１１ｎｍ～１５ｎｍの範囲にある。
本発明の一実施形態では、量子ドットの粒径は、１５ｎｍ以上である。
本発明の一実施形態では、励起時に、量子ドットは、６０％～９０％の範囲のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる。
本発明の一実施形態では、量子ドットは、励起時に、９０％以上のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる。
本発明の一実施形態では、高温で保管する前と後で量子ドットのフォトルミネッセンス量子収率は、５％以下減少する。
本発明の一実施形態では、量子ドットのコアは、光源の一定の波長域の光を吸収し、少なくとも１つの異なる波長域の光を放出することができる。
上記に基づいて、本発明は、量子ドットの直径（又は粒径）が１１ｎｍ以上になるように、二層シェルがコアを包む量子ドットを提供する。この場合、本発明の量子ドットは、量子ドットの長期安定性を向上させるためのより優れた保護を有することができ、それによって、量子ドットに対する外部要因（例えば、強い光、高温、湿気、揮発性物質、酸化剤など）の影響を効果的に回避又は低減することができる。同時に、本発明の量子ドットは、フォトルミネッセンス量子収率を５０％以上に維持することもできる。したがって、本発明の量子ドットは、強い光、高温などを伴うディスプレイ装置（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス又はプロジェクタのカラーホイール）に適用するのに適している。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を示し、説明と合わせて本発明の原理を説明する役割を果たす。
本明細書において、「ある数値～別の数値」で表される範囲は、本明細書においてその範囲内のすべての数値を列挙することを回避するための概略的な表現である。したがって、特定の数値範囲の列挙は、本明細書に明示的に記載される任意の数値とそれよりも小さい数値範囲の場合と同様に、数値範囲内の任意の数値と、その数値範囲内の任意の数値によって規定されるより小さい数値範囲とを開示する。例えば、「１１ｎｍ～１５ｎｍの粒径」の範囲は、他の数値が本明細書に列挙されているかどうかにかかわらず、「１２ｎｍ～１３ｎｍの粒径」の範囲を開示する。
図１は、本発明の一実施形態による量子ドットを示す概略図である。
図１を参照すると、量子ドット１００は、リン化インジウム（ＩｎＰ）で構成されたコア１０２と、第１のシェル１０６と、第２のシェル１０８と、傾斜合金中間層１０４と、を含む。第１のシェル１０６は、コア１０２の表面を包む。第２のシェル１０８は、第１のシェル１０６の表面を包む。本実施形態では、第１のシェル１０６は、コア１０２の表面を完全に包み、第２のシェル１０８は、第１のシェル１０６の表面を完全に包む。第１のシェル１０６及び第２のシェル１０８は、異なる材料を有してもよい。例えば、第１のシェル１０６は、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）で構成され、第２のシェル１０８は、硫化亜鉛（ＺｎＳ）で構成される。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、コア１０２を保護するための他の材料を、第１のシェル１０６及び第２のシェル１０８の材料として使用することもできる。量子ドットの安定性を向上させるために、第２のシェル１０８は、コア１０２に対してより優れた保護を提供する材料（例えば、硫化亜鉛）を選択する。しかしながら、保護に優れた材料とコア１０２との間には大きな格子不整合が存在するため、２つの材料間に強い結合を形成することがより困難になる。したがって、第１のシェル１０６は、コア１０２に対する保護は低いが、コア１０２との格子不整合が小さい材料（例えば、セレン化亜鉛）を使用する。
図１に示すように、傾斜合金中間層１０４は、コア１０２と第１のシェル１０６との間に形成されてもよい。傾斜合金中間層１０４は、コア１０２と第１のシェル１０６との間の格子不整合をさらに低減することができることに留意されたい。言い換えれば、傾斜合金中間層１０４は、コア１０２と第１のシェル１０６との間の格子配置を最適化して、第１のシェル１０６の成長を促進し、それによって量子ドット１００の粒径１００ｓを大きくすることができる。一方、傾斜合金中間層１０４は、欠陥を低減し、量子収率を向上させることもできる。したがって、傾斜合金中間層のない量子ドットと比較して、本発明の実施形態は、シェル層１０６の厚さを効果的に増加させて、量子ドットの安定性を向上させるだけでなく、量子ドット１００の量子収率を維持することもできる。一実施形態では、傾斜合金中間層１０４は、Ｉｎ、Ｐ、Ｚｎ、及びＳｅで構成された合金を含む。Ｉｎ及びＰの含有量は、コア１０２から第１のシェル１０６に向かう方向（すなわち、コアから外側に向かう方向）に沿って徐々に減少し、一方、Ｚｎ及びＳｅの含有量は、コア１０２から第１のシェル１０６に向かう方向に沿って徐々に増加する。
一部の実施形態では、量子ドット１００の粒径１００ｓは、１１ｎｍ以上である。代替の実施形態では、量子ドット１００の粒径１００ｓは、１１ｎｍ～１５ｎｍの範囲にある。他の実施形態では、量子ドット１００の粒径１００ｓは、１５ｎｍ以上、例えば、１６ｎｍ、１７ｎｍ、１８ｎｍ、１９ｎｍ、２０ｎｍなどである。本明細書において、いわゆる「粒径」とは、量子ドットの直径を指す。量子ドットが非球形又は準球形の場合、直径は、量子ドットの第１軸に垂直な断面の長さを指し、第１軸は、必ずしも量子ドットの最長軸であるとは限らない。例えば、断面が円形でない場合、直径は、断面の最長軸と最短軸の平均値である。球状構造の場合、直径は、球の中心を通って一方の側からもう一方の側まで測定される。
一方、量子ドット１００のコア１０２は、光を吸収及び放出するために使用することができる。一部の実施形態では、量子ドット１００のコア１０２は、光源の一定の波長域の光を吸収し、少なくとも１つの異なる波長域の光を放出することができる。例えば、コア１０２は、ピーク波長が４００ｎｍ未満の紫外（ＵＶ）光を吸収し、コア１０２の粒径に応じて異なる色の可視光（例えば、赤色光、緑色光、又は青色光）を放出することができる。別の例では、コア１０２は、コア１０２の粒径に応じて、青色光を吸収し、異なる色の可視光（例えば、赤色光又は緑色光）を放出することができる。一部の実施形態では、量子ドット１００は、励起されると発光することができ、５０％以上のフォトルミネッセンス量子収率を有する。代替の実施形態では、量子ドット１００は、６０％～９０％の範囲のフォトルミネッセンス量子収率を有することができる。他の実施形態では、量子ドット１００は、９０％以上、例えば、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％のフォトルミネッセンス量子収率を有することができる。
本発明において、量子ドット１００は、励起時に、５０％以上のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができ、これは、量子ドット１００のコア１０２が良好な品質を有し、欠陥が極めて少ないことを意味することに留意されたい。言い換えれば、本発明の量子ドット１００は、高い量子収率を維持しつつ、長期安定性を高めることができる。したがって、本発明の量子ドット１００は、強い光、高温などを伴うディスプレイ装置（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス又はプロジェクタのカラーホイール）に適用するのに適している。
本発明の信頼性を向上させるために、以下に、本発明の量子ドットをさらに説明するためのいくつかの例を列挙する。以下の実験について説明するが、使用される材料及びそのそれぞれの量及び比率、並びに取り扱いの詳細及び取り扱い手順などは、本発明の範囲を超えることなく適切に変更することができる。したがって、以下に説明する実施形態に基づいて、本発明に対して限定的な解釈を行うべきではない。
実験例１
０．５７５ｍｍｏｌの酢酸インジウム、０．２８４ｍｍｏｌの酢酸亜鉛、２．２９ｍｍｏｌのパルミチン酸、及び１２５ｍｍｏｌの１－オクタデセンを、真空環境下で、１４０℃で２時間加熱する。次に、反応系をＮ２環境に変更し、反応系を室温まで冷却する。
その後、室温で０．３９ｍｍｏｌのトリス（トリメチルシリル）ホスフィンと０．３９ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンを加えた後、２７０℃に昇温し、この温度を２分間維持して反応液を形成する。
その後、前記反応液の温度を１５０℃に下げた後、４．０５ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解したセレン（２．４ｍｍｏｌ）及び８８ｍｍｏｌの１－オクタデセンに溶解したステアリン酸亜鉛（２５．２７ｍｍｏｌ）を加える。その後、反応温度を３２０℃に上げ、３０分間維持する。
３２０℃の温度で、４．０５ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解したセレン（２．４ｍｍｏｌ）及び８８ｍｍｏｌの１－オクタデセンに溶解したステアリン酸亜鉛（２５．２７ｍｍｏｌ）を加え、３０分間維持する。
次に、３２０℃の温度で、１６．２ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（１６ｍｍｏｌ）を加え、１０分間維持する。
３２０℃の温度で、２２ｍｍｏｌの１－オクタデセンに溶解したステアリン酸亜鉛（６．３２ｍｍｏｌ）を加え、１０分間維持する。
３２０℃の温度で、１６．１６６ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（１６ｍｍｏｌ）を加え、１０分間維持する。
３２０℃の温度で、１９．３３ｍｍｏｌの１－オクタデセンに溶解したステアリン酸亜鉛（５．５５ｍｍｏｌ）を加え、１０分間維持する。
３２０℃の温度で、９６．９６ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（９６ｍｍｏｌ）を加え、１０分間維持する。
３２０℃の温度で、１１６ｍｍｏｌの１－オクタデセンに溶解したステアリン酸亜鉛（３３．３２ｍｍｏｌ）を加え、３０分間維持する。
前記反応液を２００℃に冷却した後、２０．７５ｍｍｏｌの１－ドデカンチオールを加え、２５分間維持する。
冷却することによって反応を停止させた後、反応液にエタノールを加えて生成物を沈殿させ、遠心分離によって固体を回収して、トルエンに再溶解する。
比較例１
０．５７５ｍｍｏｌの酢酸インジウム、０．３５９ｍｍｏｌの酢酸亜鉛、１．７２５ｍｍｏｌのパルミチン酸、及び３０ｍｍｏｌの１－オクタデセンを、真空環境下で、１２０℃で２時間加熱する。次に、反応系をＮ２環境に変更し、温度を２８０℃に維持する。
その後、２８０℃で０．４３ｍｍｏｌのトリス（トリメチルシリル）ホスフィン及び０．４３ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンを加え、この温度を２分間維持して反応液を形成する。
その後、前記反応液の温度を１８０℃に下げた後、４．０５ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解したセレン（０．１１５ｍｍｏｌ）、３０ｍｍｏｌの１－オクタデセンに溶解した酢酸亜鉛（５．１７５ｍｍｏｌ）、及び１０．３５ｍｍｏｌのオレイン酸を加える。次いで、反応温度を２８０℃に上げる。
次に、２８０℃の温度で、０．０２９ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（０．０２９ｍｍｏｌ）を加えた後、温度を３００℃に上げ、３０分間維持する。
３００℃の温度で、０．１１５ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（０．１１５ｍｍｏｌ）を加え、３０分間維持する。
３００℃の温度で、０．２３ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（０．２３ｍｍｏｌ）を加え、３０分間維持する。
３００℃の温度で、２．３０ｍｍｏｌのトリオクチルホスフィンに溶解した硫黄（２．３０ｍｍｏｌ）を加え、３０分間維持する。
冷却することによって反応を停止させた後、反応液にエタノールを加えて生成物を沈殿させ、遠心分離によって固体を回収して、トルエンに再溶解した。
粒径の比較
図２及び図３は、それぞれ、実験例１及び比較例１の量子ドットのＴＥＭ画像である。図２及び図３に示すように、実験例１のＩｎＰ量子ドットの粒径は約１１ｎｍであり、比較例１のＩｎＰ量子ドットの粒径は約６ｎｍである。これは、実験例１のＩｎＰ量子ドットの粒径が、比較例１のＩｎＰ量子ドットの粒径よりも大きいことを明確に示す。加えて、図２に示すように、実験例１のＩｎＰ量子ドットは、球形ではなく、エッジ及びコーナーを有する多角形である。
高温保管
実験例１及び比較例１のＩｎＰ量子ドットが１重量％含まれる溶液をそれぞれｎ－ヘキサンに溶解し、６０℃で４時間保管する。次に、高温で保管する前と後で実験例１及び比較例１の量子収率（ＱＹ）を比較する。以下の表１に示すように、高温で保管する前の実験例１の量子収率は８３％であり、高温で保管した後の量子収率は７９％に低下している。量子収率は、４％減少している。一実施形態では、高温で保管する前と後で本発明の量子ドットのフォトルミネッセンス量子収率の減少は、５％以下である。代替の実施形態では、高温で保管する前と後で本発明の量子ドットのフォトルミネッセンス量子収率の減少は、０％～６％である場合がある。一方、高温で保管する前と後で比較例１の量子収率は、８１％から５８％に減少しており、量子収率の減少が２３％とより大きくなっている。この結果は、比較例１のＩｎＰ量子ドットの薄いシェル層と比較して、実験例１のＩｎＰ量子ドットは、より厚いシェルを有し、これにより、より優れた保護を提供することができ、それによって安定性を向上させることができることを示している。
加えて、本発明において、量子ドットを形成する方法は、Ｉｎを含む前駆体、Ｐを含む前駆体、Ｚｎを含む前駆体、及びＳｅを含む前駆体を一緒に混合した後、高温（約２７０℃～３２０℃）で反応させて傾斜合金を有する量子ドットを形成することである。まずＩｎＰコアを形成し、次いでＩｎＰコアを包むシェル層を形成する方法（すなわち、この方法は傾斜合金を形成しない）と比較して、本発明の量子ドットは、ＩｎＰコアとＺｎＳｅシェルとの間の格子配列を最適化するために、ＩｎＰコアとＺｎＳｅシェルとの間に傾斜合金中間層を有することができる。言い換えれば、本発明の傾斜合金中間層は、シェル層の厚さを効果的に増加させることができるだけでなく、量子ドットの量子収率を維持することもできる。さらに、本発明の量子ドットを形成する方法は、高温で行われるため、反応時間を効果的に短縮し、ＩｎＰコアへの損傷を低減することができ、それによって、ＩｎＰコアの品質を向上させ、高い量子収率を維持することができる。
要約すると、本発明は、量子ドットの直径（又は粒径）が１１ｎｍ以上になるように、二層シェルがコアを包む量子ドットを提供する。この場合、本発明の量子ドットは、量子ドットの長期安定性を向上させるためのより優れた保護を有することができ、それによって、量子ドットに対する外部要因（例えば、強い光、高温、湿気、揮発性物質、酸化剤など）の影響を効果的に回避又は低減することができる。同時に、本発明の量子ドットは、５０％以上のフォトルミネッセンス量子収率を維持することもできる。したがって、本発明の量子ドットは、強い光、高温などを伴うディスプレイ装置（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス又はプロジェクタのカラーホイール）に適用するのに適している。
本発明は上記の実施形態を参照して説明されてきたが、本発明の精神から逸脱することなく、説明された実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、上記の詳細な説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって定義される。
本開示において、高い安定性を有する半導体ナノ材料が提供される。半導体ナノ材料は、二層シェルがコアを包む量子ドットを含む。この場合、量子ドットは、より優れた保護を提供して量子ドットの長期安定性を向上させるために、１１ｎｍ以上の直径（又は粒径）を有し、それによって量子ドットに対する外部要因（例えば、強い光、高温、湿気、揮発性物質、酸化剤など）の影響を効果的に回避又は低減する。その結果、本発明の量子ドットは、強い光、高温などを伴うディスプレイ装置（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス又はプロジェクタのカラーホイール）に適用するのに適している。
１００：量子ドット
１００ｓ：粒径
１０２：コア
１０４：傾斜合金中間層
１０６：第１のシェル
１０８：第２のシェル
１００ｓ：粒径
１０２：コア
１０４：傾斜合金中間層
１０６：第１のシェル
１０８：第２のシェル
Claims (8)
- ＩｎＰで構成されたコアと、
ＺｎＳｅで構成され、前記コアの表面を包む第１のシェルと、
前記第１のシェルの表面を包み、前記第１のシェルとは異なる材料を有する第２のシェルと、
前記コアと前記第１のシェルとの間に形成され、Ｉｎ、Ｐ、Ｚｎ、及びＳｅで構成された合金を含む傾斜合金中間層であって、前記Ｉｎ及びＰの含有量が前記コアから前記第１のシェルへの方向に沿って徐々に減少し、前記Ｚｎ及びＳｅの含有量が前記コアから前記第１のシェルへの前記方向に沿って徐々に増加する、傾斜合金中間層と、を含み、
前記量子ドットの粒径が１１ｎｍ以上であり、前記量子ドットが、励起時に、５０％以上のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる、
量子ドット。 - 前記第２のシェルがＺｎＳで構成されている、請求項１に記載の量子ドット。
- 前記量子ドットの前記粒径が１１ｎｍ～１５ｎｍの範囲にある、請求項１又は２に記載の量子ドット。
- 前記量子ドットの前記粒径が１５ｎｍ以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子ドット。
- 前記量子ドットが、励起時に、６０％～９０％の範囲のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の量子ドット。
- 前記量子ドットが、励起時に、９０％以上のフォトルミネッセンス量子収率で発光することができる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の量子ドット。
- 高温で保管する前と後で前記量子ドットの前記フォトルミネッセンス量子収率が５％以下減少する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の量子ドット。
- 前記量子ドットの前記コアが、光源の一定の波長域の光を吸収し、少なくとも１つの異なる波長域の光を放出することができる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の量子ドット。
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