JP5086517B2 - 半導体ナノ粒子製造方法 - Google Patents
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Description
半導体ナノ粒子は、半値全幅(FWHM:the full width at half maximum )の狭い強い蛍光を発することを特徴とし、様々な蛍光色の創製が可能であり、将来の応用用途が極めて多種に及ぶと考えられるため、非常に注目を浴びている材料である。
ところで、半導体ナノ粒子を蛍光材料として利用するためには、粒径の制御を行う必要がある。また、その粒径を単分散化することができれば、半値全幅の狭いスペクトル形状を示す、好ましい蛍光特性をもった半導体ナノ粒子の調製が期待できる。
しかしながら、これらの方法により調製された半導体ナノ粒子の蛍光特性は、顕著なピークを持たないなだらかな蛍光スペクトルを示す。さらに、前記蛍光スペクトルは、半導体ナノ粒子が発光するべき蛍光の理論値と異なる波長においてピークを示す。すなわち、前記半導体ナノ粒子は、半導体ナノ粒子内部が示すバンドギャップ蛍光のほかに、半導体ナノ粒子内部のエネルギーレベルの禁制帯内に存在するエネルギーレベルから発すると見られる全く別の蛍光を発する。この蛍光を発するエネルギーレベルは、主に半導体ナノ粒子の表面サイトに存在すると考えられている。本来、半導体ナノ粒子の粒径制御による蛍光特性の変化は、バンドギャップ蛍光に現れるため、粒径分布の狭い半導体ナノ粒子の性質を阻害する現象となり、解決すべき課題とされてきた。
半導体ナノ粒子は、その体積に対する表面積の割合が極めて大きく、非常に凝集しやすい状態にある。したがって半導体ナノ粒子を安定に存在させるためには、粒子同士の衝突・融合を防ぐための施策が必要になる。これまでに様々な方法が考案されており、大別すると、固体マトリクス及び高分子マトリクス中への取り込みによる半導体ナノ粒子同士の物理的隔離と、粒子表面の金属イオンサイトをこれと高い錯形成能を有する低分子有機物で化学修飾することによる粒子表面の不活性化になる。本方法では、後者の考えに基づき、ヘキサメタリン酸を安定化剤として用いる。
前記方法により得られた半導体ナノ粒子を精製するために、前記溶液に対し50μlのメルカプトプロピオン酸(MPA)を加え数時間撹拌させることにより表面修飾を行なった。さらに、前記溶液を限外ろ過し、水溶液中のメチルビオロゲン、ヘキサメタリン酸、未反応チオール化合物、光エッチングの際に溶解したイオン等を取り除き、純粋なチオール化合物による安定化半導体ナノ粒子溶液を得た。すなわち、得られた前記チオール化合物による表面修飾半導体ナノ粒子を、限外ろ過にて濃縮し、さらに純水によるフロー洗浄を行った。
前記方法により得られた精製済みチオール修飾ナノ粒子を用いて、表面処理を行った。本実施例では、アンモニア水を用いた表面処理方法について例示する。
ここで、照射される光は限定されず、紫外線、可視光線、及び赤外線から選択される光線を含む。
製造された半導体ナノ粒子表面を、さらにイオン性化合物によって安定化することもできる。イオン性化合物としては、アンモニア、第1級アミン類(R1NH2)、第2級アミン類(R1R2NH)、第3級アミン類(R1R2R3N)、第4級アンモニウム化合物類(R4R5R6R7N+)[ここで、R1〜R7は、それぞれ水素、置換または無置換の炭化水素基から選ばれる]の少なくとも1種以上が好ましく例示される。
まず、ヘキサメタリン酸ナトリウム(0.1mmol)と過塩素酸カドミウム(0.2mmol)の水溶液を1000mL作成し、pH10.3に調整する。その後、溶液中を窒素ガスでバブリングを行い、硫化水素ガス(0.2mmol)を激しく攪拌させながら溶液中に注入する。その後、しばらく攪拌を行う。このとき溶液の色は、光学的に透明な無色から光学的に透明な黄色へ変化する。得られた前記溶液に対して、457.9nmのアルゴンイオンレーザーによる光照射を行った。その結果、粒径が単分散化された半導体ナノ粒子(CdS)水溶液を得ることができた。
(ブラックライト照射)
前記のようにして得た精製済みチオール修飾ナノ粒子水溶液に、0.1M NH3 aq.を用いて吸光度が435nmにおいて0.25となるように希釈し、数時間ブラックライトを照射した。その結果、高発光特性を持ったCdSナノ粒子を得ることができた。このときの吸収スペクトルの経時変化および350nmの光で励起したときの蛍光スペクトルの経時変化を図4、図5にそれぞれ示す。
(蛍光灯照射)
前記のようにして得た精製済みチオール修飾ナノ粒子水溶液に、0.1M NH3 aq.を用いて吸光度が435nmにおいて0.25となるように希釈し、数時間蛍光灯を直接照射した。その結果、高発光特性を持ったCdSナノ粒子を得ることができた。このときの吸収スペクトルの経時変化および350nmの光で励起したときの蛍光スペクトルの経時変化を図6、図7にそれぞれ示す。
光照射の有効性を調べるため、ブラックライト・蛍光灯・蛍光灯のついた通常室内環境下・暗所について、それぞれの蛍光挙動の変化を比較した。350nmの光で励起したときの最大蛍光強度によりそれぞれの光源について比較したグラフを図8に示す。
Claims (6)
- 半導体ナノ粒子のコア表面をアルカリ水溶液から成る表面処理材料によって処理することにより、前記コア表面に−OH基で置換し配列させる反応を行うに際して、紫外線照射または可視光線の直接照射を行うことにより該反応を加速させ室内環境下での反応の場合と比較して反応時間を短縮させることを特徴とする、蛍光特性を有する半導体ナノ粒子の製造方法。
- アルカリ水溶液がアンモニア、水酸化ナトリウム、アミン化合物、またはアンモニウム化合物の水溶液である請求項1に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- アルカリ水溶液がアンモニア水溶液である請求項2に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- 半導体ナノ粒子のコア表面を表面処理材料によって処理するに先立って、半導体ナノ粒子表面をチオール基含有化合物により修飾し、次いでアルカリ環境中で該チオール基含有化合物をイオン化・遊離させる工程を含む請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- 製造された半導体ナノ粒子が、水溶性であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- 半導体ナノ粒子コアの材質が、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdMnS、CdSe、CdMnSe、CdTe、CdMnTe、HgS、HgSe、HgTe、InP、InAs、InSb、InN、GaN、GaP、GaAs、GaSb、TiO2、WO3、PbS、PbSe、MgTe、AlAs、AlP、AlSb、AlS、Ge、Siから選択されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
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