JP5495038B2 - 蛍光発光性シリコンナノ粒子の製造方法 - Google Patents
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しかし、上記特許文献に開示された蛍光発光性のシリコンナノ粒子のサイズは、製造条件の設定・調整や化学的処理によって制御されており、製造されるシリコンナノ粒子サイズの変動幅を0.5未満に抑えることは現実的には不可能であった。
本発明者らは、公知の方法で得られた所定の粒子サイズ変動幅を有する蛍光発光性シリコンナノ粒子を、高速遠心分離機及び超遠心分離機を利用して更に分級することに着目して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、球状のシリコンナノ粒子で、その粒径分布を最大直径と最小直径の差で表すときに、これが実質的に0.5nm未満の粒径の揃った蛍光発光性シリコンナノ粒子を提供する。
ここで、「実質的に0.5nm未満」とは、最大直径と最小直径の差が0.5nm以上の粒子が全く存在していないことを意味するのではなく、粒子全体の(数基準で)75%以上については最大直径と最小直径の差が0.5nm未満であることを意味する。
(1)高周波スパッタリング法及び熱処理の併用により、Si基板上に、酸化シリコン膜で被覆されたシリコンナノ粒子(直径が概ね1.5〜3.0nmの球状粒子)を形成する(すなわち、Si基板上に、酸化シリコン膜で被覆されたシリコンナノ粒子を形成させる工程);
(2)得られた酸化シリコン膜被覆シリコンナノ粒子付きのSi基板を、フッ酸水溶液で処理し、基板から酸化シリコン膜被覆シリコンナノ粒子を剥離させると共に酸化シリコン膜を溶解させ、シリコンナノ粒子が分散したフッ酸水溶液を得る(すなわち、フッ酸水溶液中に単一粒子状のシリコンナノ粒子を遊離・分散させる工程);そして
(3)前記フッ酸水溶液に分散されたシリコンナノ粒子(直径が概ね1.5〜3.0nmの球状粒子)を、高速遠心と超遠心とを組み合わせた遠心分画により、所望の粒子径(大きさ)範囲に分級する(すなわち、高速遠心及び超遠心によりシリコンナノ粒子を分級する工程)。
また、その直径が実質的に1.5nm〜1.9nmの範囲にあるシリコンナノ粒子では青色(ピーク波長が440nm)に発光し、その直径が実質的に2.0nm〜2.2nmの範囲にあるシリコンナノ粒子では緑色(ピーク波長が550nm)に発光し、その直径が実質的に2.3nm〜2.4nmの範囲にあるシリコンナノ粒子では橙色(ピーク波長が610nm)に発光し、その直径が実質的に2.5nm〜3.0nmの範囲にあるシリコンナノ粒子では赤色(ピーク波長が660nm)に発光する。
本発明の製造方法により、(公知の方法で得られた)粒子サイズが概ね1.5nm〜3.0nmの範囲の蛍光発光性シリコンナノ粒子から、最大直径と最小直径の差が実質的には0.5nm以下の、(4段階に)分級された粒子サイズの揃った蛍光発光性シリコンナノ粒子の製造ができる。
図面を参照しながら、先ず、本発明の蛍光発光性シリコンナノ粒子の製造方法について説明する。
本発明の蛍光発光性シリコンナノ粒子の製造方法は、先に述べたように、次の工程を順に含んでいる。すなわち、
(1)(高周波スパッタリング法及び熱処理により)Si基板上に、酸化シリコン膜で被覆されたシリコンナノ粒子を形成させる工程;
(2)フッ酸水溶液中に単一粒子状のシリコンナノ粒子を遊離・浮遊させる工程;及び
(3)高速遠心及び超遠心によりシリコンナノ粒子を分級する工程。
ここで、工程(1)における高周波スパッタリング法としては公知の方法及び装置を用いて行なうことができ、熱処理条件としては、1000〜1200℃で、40〜80分間の熱処理が好ましく用いられる。こうして、Si基板上に、酸化シリコン膜で被覆されたシリコンナノ粒子(シリコンナノ粒子の直径が概ね1.5〜3.0nmの球状粒子)を形成させることができる(図1(A))。
ここで、「実質的に1.5nm〜1.9nm」とは、1.5nm〜1.9nmを外れる粒子が全く存在していないことを意味するのではなく、粒子全体の(数基準で)75%以上については1.5nm〜1.9nmの範囲にあることを意味する。
「実質的に2.0nm〜2.2nm」、「実質的に2.3nm〜2.4nm」及び「実質的に2.5nm〜3.0nm」についても、同様の意味である。
(3a)フッ酸水溶液に分散されたシリコンナノ粒子(直径が概ね1.5〜3.0nmの球状粒子)を10,000×G〜15,000×Gの重力加速度で、40〜80分間遠心し、上清(Asup)と沈殿(Bsed)とに分ける。
(3b)工程(3a)で得られた沈殿(Bsed)をエタノールに均一に分散させ、これを10,000×G〜15,000×Gの重力加速度で、20〜40分間遠心し、実質的に2.3nm〜2.4nmの範囲のナノ粒子を含む上清と、実質的に2.5nm〜3.0nmの範囲の粒子を含む沈殿とに分ける。
(3c)前記上清(Asup)については、105,000×G又はそれ以上の重力加速度で、40〜80分間超遠心し、超遠心後の上清は捨て、沈殿はエタノールに均一に分散させる。
(3d)前記沈殿のエタノール分散液は、105,000×G又はそれ以上の重力加速度で、20〜40分間超遠心し、実質的に1.5nm〜1.9nmの範囲のナノ粒子を含む上清と、実質的に2.0nm〜2.2nmの範囲のナノ粒子を含む沈殿とに分ける。
また、直径が実質的に2.0nm〜2.2nmの範囲にあり、緑色(ピーク波長が550nm)に発光する蛍光発光性シリコンナノ粒子を得ることができる。
また、直径が実質的に2.3nm〜2.4nmの範囲にあり、橙色(ピーク波長が610nm)に発光する蛍光発光性シリコンナノ粒子を得ることができる。
また、直径が実質的に2.5nm〜3.0nmの範囲にあり、赤色(ピーク波長が660nm)に発光する蛍光発光性シリコンナノ粒子を得ることができる。
まず、高周波スパッタリング法と1100℃、60分間での熱処理の併用により、基板(Si基板)1上に所定のサイズ(可視領域での発光を得ることができる1.5nm〜3.0nmの範囲内のサイズ)のシリコンナノ粒子2を多数含有した酸化ケイ素膜3を形成させた(図1(A))。
図5に、溶液内に含有した単一粒子状のシリコンナノ粒子の発光スペクトルを示す。図4の発光写真に示した各色は、青色発光に対して440nmにピーク波長をもち、緑色発光に対して550nmにピーク波長をもち、橙色発光に対して610nmにピーク波長をもち、赤色発光に対して660nmにピーク波長をそれぞれ示していた。
2 シリコンナノ粒子
3 酸化ケイ素膜
4 フッ酸水溶液
5 有機溶媒(エタノール)
Claims (4)
- 球状のシリコンナノ粒子であって、粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子についてそれらの最大直径と最小直径との差が0.5nm未満の粒径の揃った蛍光発光性シリコンナノ粒子の製造方法で、次の工程(1)〜(3)を順に含む方法:
(1)高周波スパッタリング法及び熱処理の併用により、Si基板上に、酸化シリコン膜で被覆されたシリコンナノ粒子を形成する;
(2)得られた酸化シリコン膜被覆シリコンナノ粒子付きのSi基板を、フッ酸水溶液で処理し、基板から酸化シリコン膜被覆シリコンナノ粒子を剥離させると共に酸化シリコン膜を溶解させ、シリコンナノ粒子が分散したフッ酸水溶液を得る;そして
(3)前記フッ酸水溶液に分散されたシリコンナノ粒子を、10,000×G〜15,000×Gの重力加速度範囲の高速遠心と105,000×G又はそれ以上の重力加速度範囲の超遠心とを組み合わせた遠心分画により、粒子径に基づいて分級する。 - 前記工程(3)における粒子径に基づく分級は4段階の粒子径範囲に分級することである、請求項1に記載の製造方法。
- 前記4段階は、粒子径の小さい順から、
粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が1.5nm〜1.9nmの範囲のナノ粒子、
粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が2.0nm〜2.2nmの範囲のナノ粒子、
粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が2.3nm〜2.4nmの範囲のナノ粒子、及び
粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が2.5nm〜3.0nmの範囲のナノ粒子である、
請求項2に記載の製造方法。 - 前記工程(3)は、次の工程(3a)〜(3d)を含んでいる、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
(3a)フッ酸水溶液に分散されたシリコンナノ粒子を40〜80分間高速遠心し、上清(Asup)と沈殿(Bsed)とに分ける。
(3b)工程(3a)で得られた沈殿(Bsed)をエタノールに均一に分散させ、これを20〜40分間高速遠心し、粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が2.3nm〜2.4nmの範囲のナノ粒子を含む上清と、粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が2.5nm〜3.0nmの範囲の粒子を含む沈殿とに分ける。
(3c)前記上清(Asup)については、40〜80分間超遠心し、超遠心後の上清は捨て、沈殿はエタノールに均一に分散させる。
(3d)前記沈殿のエタノール分散液は、20〜40分間超遠心し、粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が1.5nm〜1.9nmの範囲のナノ粒子を含む上清と、粒子全体の75%以上の個数のシリコンナノ粒子について直径が2.0nm〜2.2nmの範囲のナノ粒子を含む沈殿とに分ける。
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