JP6466979B2 - 半導体ナノ粒子および半導体ナノ粒子の製造方法ならびに発光デバイス - Google Patents
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Description
(a)Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物と、有機溶媒とを準備することと、
(b)AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.33以上0.42以下となるように、前記Agの塩と、前記Inの塩と、前記Sの供給源となる化合物とを、前記有機溶媒中に投入して、半導体ナノ粒子を生成すること、
を含む半導体ナノ粒子の製造方法である。
前記分散液に、第13族元素を含む化合物および第16族元素の単体または第16族元素を含む化合物を加えて、前記半導体ナノ粒子の表面に、実質的に前記第13族元素と前記第16族元素からなる半導体の層を形成することを含む、コアシェル型半導体ナノ粒子の製造方法である。
AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.320以上0.385以下であり、
AgとInの原子数の合計に対するSの原子数の比が1.20以上1.45以下であり、
350〜500nmの範囲内にある波長の光が照射されると、発光寿命が200ns以下の光を発する、
半導体ナノ粒子である。
前記コアが、Ag、In、およびSを含み、AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.320以上0.385以下であり、AgとInの原子数の合計に対するSの原子数の比が1.20以上1.45以下である、半導体から成り、
前記シェルが、実質的に第13族元素および第16族元素からなる半導体であり、
350〜500nmの範囲内にある波長の光が照射されたときに得られる発光スペクトルにおいて、ピーク波長が550nm〜650nmの範囲内にあり、半値幅が80nm以下である発光ピークが観察される、
コアシェル型半導体ナノ粒子である。
第1の実施形態として、Ag、InおよびSを含む半導体ナノ粒子を説明する。
本実施形態の半導体ナノ粒子は、Ag、In、およびSを含む、平均粒径が50nm以下の半導体ナノ粒子である。この半導体ナノ粒子の結晶構造は、正方晶、六方晶、または斜方晶からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。
一つのTEM像に含まれるナノ粒子が合計100点以上である場合には、一つのTEM像を用いて平均粒径を求める。一つのTEM像に含まれるナノ粒子の数が少ない場合には、撮像場所を変更して、TEM像をさらに得、二つ以上のTEM像に含まれる100点以上の粒子について粒径を測定する。
I(t)=A1exp(−t/τ1)+A2exp(−t/τ2)+A3exp(−t/τ3)
次に、第2の実施形態として、第1の実施形態の半導体ナノ粒子を製造する方法を説明する。本実施形態の製造方法は、Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物とを、有機溶媒中にて反応させることにより半導体ナノ粒子を製造する方法であって、
(a)Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物と、有機溶媒とを準備することと、
(b)AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.33以上0.42以下となるように、Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物とを、前記有機溶媒中に投入し、半導体ナノ粒子を生成すること、
を含む半導体ナノ粒子の製造方法である。この製造方法は、AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比(Ag/Ag+In)が0.33以上0.42以下となるように、Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物とを、有機溶媒中に投入することを特徴とする。Ag/Ag+Inが前記範囲内となるように、各元素の供給源を投入することによって、Ag/Ag+Inが第1の実施形態にて説明した範囲内にあるAg−In−S半導体ナノ粒子を得ることができる。すなわち、本実施形態の製造方法は、各元素の供給源の仕込み比を、化学量論組成比どおりではない特定の比として、半導体ナノ粒子を生成する点にその特徴がある。
半導体ナノ粒子の生成は、例えば、Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物として、Sを配位元素として錯体を形成し得る化合物と、を混合することにより錯体とし、この錯体を熱処理することを含む方法で作製してよい。Agの塩およびInの塩はいずれも、その種類は特に限定されず、有機酸塩および無機酸塩のいずれであってもよい。具体的には、塩は、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、塩酸塩、およびスルホン酸塩のいずれであってよく、好ましくは酢酸塩等の有機酸塩である。有機酸塩は有機溶媒への溶解度が高く、反応をより均一に進行させやすいことによる。
加熱処理を2段階で実施することにより、良好な再現性で、バンド端発光の強度が比較的高い半導体ナノ粒子を製造することができる。
半導体ナノ粒子は、Agの塩、Inの塩、およびSの供給源となる化合物を一度に有機溶媒に投入し、その後、有機溶媒を加熱する方法で生成してよい。この方法によれば、簡便な操作によりワンポットで再現性よくナノ粒子を合成できる。
あるいはまた、有機溶媒とAgの塩とを反応させて錯体を形成し、次に、有機溶媒とInの塩とを反応させて錯体を形成するとともに、これらの錯体とSの供給源となる化合物とを反応させ、得られた反応物を結晶成長させる方法で製造してよい。この場合、加熱は、Sの供給源となる化合物と反応させる段階にて実施する。
Agの塩、およびInの塩については、上記錯体の形成を含む生成方法(第1の半導体ナノ粒子の生成手法)に関連して説明したとおりである。
加熱処理を2段階で実施することにより、良好な再現性で、バンド端発光の強度が比較的高い半導体ナノ粒子を製造することができる。
半導体ナノ粒子は、いわゆるホットインジェクション法で生成してよい。ホットインジェクション法は、100℃〜300℃の範囲内にある温度に加熱した溶媒に、各元素の供給源となる化合物(例えば、Agの塩、Inの塩、およびSの供給源となる化合物)を溶解または分散させた液体(前駆体溶液とも呼ぶ)を比較的短い時間(例えばミリ秒オーダー)で投入して、反応初期に多くの結晶核を生成させる半導体ナノ粒子の製造方法である。
また、有機溶媒を、表面修飾剤それ自体、または表面修飾剤を含むものとすれば、表面が修飾された半導体ナノ粒子を得ることができる。
第3の実施形態として、コアと、コアの表面を覆いコアとヘテロ接合するシェルとを備えるコアシェル型半導体ナノ粒子を説明する。
本実施形態において、コアは、第1の実施形態として説明した半導体ナノ粒子である。したがって、その詳細な説明は省略する。
次に、第4の実施形態として、第3の実施形態のコアシェル型半導体ナノ粒子を製造する方法を説明する。コアとなる半導体ナノ粒子の製造方法は、第2の実施形態として説明したとおりである。
第13族元素を含む化合物は、第13族元素源となるものであり、例えば、第13族元素の有機塩、無機塩、および有機金属化合物等である。具体的には、第13族元素を含む化合物としては、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、塩酸塩、スルホン酸塩、アセチルアセトナト錯体が挙げられ、好ましくは酢酸塩等の有機塩、または有機金属化合物である。有機塩および有機金属化合物は有機溶媒への溶解度が高く、反応をより均一に進行させやすいことによる。
次に、本発明に係る別の実施形態として、上記において説明した半導体ナノ粒子、すなわち、第1の実施形態の半導体ナノ粒子、第2の実施形態の方法(第1ないし第3の半導体ナノ粒子の生成手法を含む)で製造された半導体ナノ粒子、第3の実施形態のコアシェル型半導体ナノ粒子、または第4の実施形態の方法で製造されたコアシェル型半導体ナノ粒子(以下、これらを総称して「本開示の半導体ナノ粒子」、または「本開示のナノ粒子」と呼ぶ)を用いた、発光デバイスを説明する。
本発明の実施形態である発光デバイスは、光変換部材および半導体発光素子を含む発光デバイスであって、光変換部材に本開示の半導体ナノ粒子を含むものである。この発光デバイスによれば、例えば、半導体発光素子からの発光の一部を、本開示の半導体ナノ粒子が吸収してより長波長の光が発せられる。そして、本開示の半導体ナノ粒子からの光と半導体発光素子からの発光の残部とが混合され、その混合光を発光デバイスの発光として利用できる。
あるいは、ピーク波長が400nm以下の紫外線を発光する半導体発光素子を用い、紫外線を吸収して青色光、緑色光、赤色光をそれぞれ発光する、三種類の本開示の半導体ナノ粒子を用いる場合でも、白色発光デバイスを得ることができる。この場合、発光素子から発せられる紫外線が外部に漏れないように、発光素子からの光をすべて本開示の半導体ナノ粒子に吸収させて変換させることが望ましい。
あるいはまた、半導体発光素子として波長700nm〜780nmの赤色光を発光するものを用い、本開示の半導体ナノ粒子として、赤色光を吸収して近赤外線を発光するものを用いれば、近赤外線を発光する発光デバイスを得ることもできる。
あるいはまた、光変換部材のさらに別の例は、半導体発光素子の周囲にその上端が半導体発光素子と同一平面を構成するように反射材を含む樹脂部材が充填されている場合にあっては、前記半導体発光素子および前記反射材を含む樹脂部材の上部に、所定の厚さで平板状に形成された樹脂部材である。
また、発光デバイスにおいて、異なる波長の発光を示す2種類以上の本開示の半導体ナノ粒子を用いる場合には、1つの光変換部材内で前記2種類以上の本開示の半導体ナノ粒子が混合されていてもよいし、あるいは1種類の量子ドットのみを含む光変換部材を2つ以上組み合わせて用いてもよい。この場合、2種類以上の光変換部材は積層構造を成してもよいし、平面上にドット状ないしストライプ状のパターンとして配置されていてもよい。
− 青色半導体発光素子によりピーク波長が420nm〜490nmの範囲内にある青色光を得るようにし、本開示の半導体ナノ粒子により、ピーク波長が510nm〜550nm、好ましくは530nm〜540nmの範囲内にある緑色光、およびピーク波長が600nm〜680nm、好ましくは630〜650nmの範囲内にある赤色光を得るようにする;または、
− 発光デバイスにおいて、半導体発光素子によりピーク波長400nm以下の紫外光を得るようにし、本開示の半導体ナノ粒子によりピーク波長430nm〜470nm、好ましくは440〜460nmの範囲内にある青色光、ピーク波長が510nm〜550nm、好ましくは530〜540nmの緑色光、およびピーク波長が600〜680nm、好ましくは630〜650nmの範囲内にある赤色光を得るようにする
ことによって、濃いカラーフィルターを用いることなく、色再現性の良い液晶表示装置が得られる。本実施形態の発光デバイスは、例えば、直下型のバックライトとして、またはエッジ型のバックライトとして用いられる。
0.10mmolの酢酸銀(AgOAc)、0.15mmolの酢酸インジウム(In(OAc)3)、および0.25mmolのチオ尿素を、0.10cm3の1−ドデカンチオールと2.90cm3のオレイルアミンの混合液に投入し、分散させた。酢酸銀と酢酸インジウムについて、Ag/Ag+Inはいずれの実施例も0.4であった。分散液を、撹拌子とともに試験管に入れ、窒素置換を行った後、窒素雰囲気下で、試験管内の内容物を撹拌しながら、表1に示す条件で加熱処理を実施した。
各実施例の半導体ナノ粒子の平均粒径は以下のとおりであった。
実施例1:4.1nm
実施例2:4.6nm
実施例3:5.1nm
エネルギー分散型X線分析装置を用いた測定は具体的には以下の手順で実施した(以下の実験例においても同じ)。
作製したナノ粒子分散溶液を試料台に固定したカーボンテープ上に滴下し、乾燥させた。エネルギー分散型X線分析装置により観測したスペクトルから、Ag、In、Sに由来するシグナルを用いて、シグナルの強度に基づいて各成分を定量した。測定箇所を変更しながら5点測定を行い、その平均値を結果とした。
実施例1:590nm付近、半値幅42nm
実施例2:590nm付近、半値幅50nm
実施例3:590nm付近、半値幅55nm
実施例1については、バンド端発光の強度が、バンド端発光よりも長波長側で観察される他の発光(欠陥発光含む)の強度よりも小さかった。これは、実施例1において、第1段階の加熱処理の温度が、実施例2のそれよりも低かったことによると考えられる。
実施例2および3の吸収スペクトルにおいては、550nm付近にエキシトンピークが観察された。
酢酸銀(AgOAc)および酢酸インジウム(In(OAc)3)を、Ag/Ag+Inがそれぞれ0.3(比較例1)、0.4(実施例4)、および0.5(比較例2)となり、かつ2つの金属塩を合わせた量が0.25mmolとなるように量り取った。酢酸銀(AgOAc)、酢酸インジウム(In(OAc)3)、および0.25mmolのチオ尿素を、0.10cm3のオレイルアミンと2.90cm3の1−ドデカンチオールの混合液に投入し、分散させた。酢酸銀と酢酸インジウムについて、分散液を、撹拌子とともに試験管に入れ、窒素置換を行った後、窒素雰囲気下で、試験管内の内容物を撹拌しながら、150℃にて10分間加熱し(第1段階の加熱処理)、さらに250℃にて10分間加熱した(第2段階の加熱処理)。
比較例1については、沈殿をメタノールで洗浄した後、沈殿にクロロホルムを加えて遠心分離(半径146mm、4000rpm、15分間)に付し、上澄みを回収し、以下の測定を実施した。
実施例4および比較例2については、上澄みである溶液を取り出した。これにナノ粒子の沈殿が生じるまでメタノールを加えて、遠心分離(半径146mm、4000rpm、5分間)に付し、ナノ粒子を沈殿させた。沈殿物を取り出して、クロロホルムに溶解させて以下の測定を実施した。
なお、実施例4は実施例2と同じ条件で製造したものであるが、実施例2とは別に作製したものであるから、平均粒径等において実施例2とは若干異なる。
比較例1の吸収スペクトルでは、570nm付近にエキシトンピークが観察され、比較例2の吸収スペクトルでは、530nm付近にエキシトンピークが観察された。
<1>コア(一次半導体ナノ粒子)の作製
酢酸銀(AgOAc)および酢酸インジウム(In(OAc)3)を、Ag/Ag+Inが0.4となり、かつ2つの金属塩を合わせた量が0.25mmolとなるように量り取った。酢酸銀(AgOAc)、酢酸インジウム(In(OAc)3)、および0.25mmolのチオ尿素を、0.10cm3のオレイルアミンと2.90cm3の1−ドデカンチオールの混合液に投入し、分散させた。酢酸銀と酢酸インジウムについて、分散液を、撹拌子とともに試験管に入れ、窒素置換を行った後、窒素雰囲気下で、試験管内の内容物を撹拌しながら、150℃にて10分間加熱し(第1段階の加熱処理)、さらに250℃にて10分間加熱した(第2段階の加熱処理)。
上記<1>で作製した半導体ナノ粒子をコア(一次半導体ナノ粒子)として、その表面にシェルを形成した。
具体的には、<1>で作製した一次半導体ナノ粒子のうち、ナノ粒子としての物質量で1.0×10−5mmol(10nmol)と、ガリウムアセチルアセトナト(Ga(acac)3)5.33×10-5mmolと、チオ尿素5.33×10-5mmolと、オレイルアミン2.9cm3と、1−ドデカンチオール0.1cm3とを、試験管に入れて、300℃にて60分間保持した後、加熱源をoffにして放冷した。その後、遠心分離(半径146mm、4000rpm、5分間)に付し、ナノ粒子を沈殿させた。上澄みを捨て、沈殿物にメタノールを加えて撹拌後、再び遠心分離(半径146mm、4000rpm、5分間)に付し、ナノ粒子を沈殿させた。沈殿物を取り出して、エタノールを加えて撹拌し、再び遠心分離(半径146mm、4000rpm、5分間)に付し、ナノ粒子を沈殿させた。沈殿物を取り出して、クロロホルムに溶解させて、以下の測定を実施した。
Claims (15)
- Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物とを、有機溶媒中にて反応させることにより半導体ナノ粒子を製造する方法であって、
(a)Agの塩と、Inの塩と、Sの供給源となる化合物と、有機溶媒とを準備することと、
(b)AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.33以上0.42以下となるように、前記Agの塩と、前記Inの塩と、前記Sの供給源となる化合物とを、前記有機溶媒中に投入して、半導体ナノ粒子を生成すること、
を含む半導体ナノ粒子の製造方法。 - 前記(b)において、前記Agの塩と、前記Inの塩と、前記Sの供給源となる化合物とを含む前記有機溶媒を、230℃以上260℃以下の温度にて、3分間以上加熱して、半導体ナノ粒子を生成することをさらに含む、請求項1に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- 前記(b)において、前記Agの塩と、前記Inの塩と、前記Sの供給源となる化合物とを含む前記有機溶媒を30℃以上190℃以下の温度にて、1分間以上15分間以下加熱した後、
230℃以上260℃以下の温度にて、3分間以上加熱して、半導体ナノ粒子を生成することをさらに含む、請求項1に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。 - 前記(b)において、前記Sの供給源となる化合物を、AgとInの原子数の合計に対するSの原子数の比が0.95以上1.20以下となるように、前記有機溶媒中に投入する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- 生成された前記半導体ナノ粒子において、AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が、前記有機溶媒中に投入される前記Agの塩および前記Inの塩についての、AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比よりも小さい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- 前記有機溶媒が、炭素数4〜20の炭化水素基を有するチオールから選択される少なくとも一種の溶媒と、炭素数4〜20の炭化水素基を有するアミンから選択される少なくとも一種の溶媒とを含む、混合溶媒である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。
- (c)前記(b)の後で、生成された前記半導体ナノ粒子を含む前記有機溶媒を遠心分離に付し、遠心分離後の上澄みを得ること
(d)前記上澄みに有機溶媒を添加して遠心分離に付し、前記半導体ナノ粒子を沈殿として取り出すことをさらに含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体ナノ粒子の製造方法。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法で製造した半導体ナノ粒子を溶媒中に分散させた分散液を準備すること、
前記分散液に、第13族元素を含む化合物および第16族元素の単体または第16族元素を含む化合物を加えて、前記半導体ナノ粒子の表面に、実質的に前記第13族元素と前記第16族元素からなる半導体の層を形成することを含む、コアシェル型半導体ナノ粒子の製造方法。 - 前記第13族元素としてGaを含み、前記第16族元素としてSを含む、請求項8に記載のコアシェル型半導体ナノ粒子の製造方法。
- Ag、In、およびSを含む、平均粒径が50nm以下の半導体ナノ粒子であって、
AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.320以上0.385以下であり、
AgとInの原子数の合計に対するSの原子数の比が1.20以上1.45以下であり、
350〜500nmの範囲内にある波長の光が照射されると、発光寿命が200ns以下の光を発する、
半導体ナノ粒子。 - コアと、前記コアの表面を覆い前記コアとヘテロ接合するシェルと、を備えるコアシェル型半導体ナノ粒子であって、
前記コアが、Ag、In、およびSを含み、AgとInの原子数の合計に対するAgの原子数の比が0.320以上0.385以下であり、AgとInの原子数の合計に対するSの原子数の比が1.20以上1.45以下である、半導体から成り、
前記シェルが、実質的に第13族元素および第16族元素からなる半導体であり、
350〜500nmの範囲内にある波長の光が照射されたときに得られる発光スペクトルにおいて、ピーク波長が550nm〜650nmの範囲内にあり、半値幅が80nm以下である発光ピークが観察される、
コアシェル型半導体ナノ粒子。 - 前記第13族元素としてGaを含み、前記第16族元素としてSを含む、請求項11に記載のコアシェル型半導体ナノ粒子。
- 光変換部材および半導体発光素子を含む発光デバイスであって、前記光変換部材に請求項10に記載の半導体ナノ粒子が含まれる、発光デバイス。
- 光変換部材および半導体発光素子を含む発光デバイスであって、前記光変換部材に請求項11または12に記載のコアシェル型半導体ナノ粒子が含まれる、発光デバイス。
- 前記半導体発光素子はLEDチップである、請求項13または14に記載の発光デバイス。
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