JP6606418B2 - Quantum dot assembly manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、量子ドット集合体、及び、その製造方法に関し、たとえばサイズや組成のばらつきが大きくても、均一なバンドギャップを有する量子ドット集合体、及び、その製造方法に関する。組成が3元系以上からなるII−VI族ZnOS半導体材料で形成される量子ドットにおいて、特異的な効果を示す。   The present invention relates to a quantum dot assembly and a method for manufacturing the same, and for example, relates to a quantum dot assembly having a uniform band gap and a method for manufacturing the same even if the variation in size and composition is large. A specific effect is exhibited in a quantum dot formed of a II-VI group ZnOS semiconductor material having a ternary system or higher composition.

量子ドットは、半導体材料を用いて形成され、たとえば平均粒子サイズがナノメートルサイズの粒子である。ここで平均粒子サイズとは、量子ドットを透過型電子顕微鏡で観察し、各粒子の面積円相当径を算出し、その相当径を個数基準で分布をとった際の中位径のことを指す。   Quantum dots are formed using a semiconductor material, for example, particles having an average particle size of nanometer size. Here, the average particle size refers to the median diameter when the quantum dots are observed with a transmission electron microscope, the area equivalent circle diameter of each particle is calculated, and the equivalent diameter is distributed on a number basis. .

II−VI族半導体材料の二元結晶からなる量子ドットについては、たとえばホットインジェクション法に代表される液相合成において、サイズや組成が比較的揃ったものが得られる(たとえば、非特許文献1参照)。しかし3元混晶の場合は、サイズや組成の制御性が十分とはいえない。   With respect to quantum dots made of a binary crystal of II-VI group semiconductor material, for example, in liquid phase synthesis typified by a hot injection method, those having relatively uniform sizes and compositions can be obtained (see, for example, Non-Patent Document 1) ). However, in the case of a ternary mixed crystal, controllability of size and composition is not sufficient.

量子ドットにおいては、サイズ、及び、結晶の組成によってエネルギーギャップが変化する。サイズによりエネルギーギャップが変化するのは、ナノメートルサイズのときにのみ、量子効果が発現するためである。   In the quantum dot, the energy gap changes depending on the size and the composition of the crystal. The energy gap changes with the size because the quantum effect appears only when the size is nanometer.

特に3元混晶においては、サイズ及び組成のばらつきにより発光スペクトルが広がるため、狭帯域の発光スペクトルをもつ量子ドットを製造することは困難である。なお、製造後にサイズや組成にばらつきのある量子ドットを分離、選別することは、収率の著しい低下や大幅なコストアップにつながり現実的ではない。   In particular, in a ternary mixed crystal, the emission spectrum broadens due to variations in size and composition, and it is difficult to manufacture quantum dots having a narrow-band emission spectrum. In addition, it is not practical to separate and sort quantum dots having variations in size and composition after manufacturing, which leads to a significant decrease in yield and a significant increase in cost.

たとえばZnO1−x量子ドットは、ホットソープ法やオートクレーブを利用したソルボサーマル法などの溶液法、またはスパッタなどの気相により合成可能である。しかし、これらの方法で合成した量子ドットはサイズや組成の制御が難しく、合成した量子ドット集合体には、異なるサイズや組成の量子ドットが混在することになる。このため、量子ドット集合体の発光スペクトルの半値幅は50nm〜200nmとブロードに広がり,狭い発光スペクトルを実現することは困難である。 For example, ZnO x S 1-x quantum dots can be synthesized by a solution method such as a hot soap method or a solvothermal method using an autoclave, or a gas phase such as sputtering. However, it is difficult to control the size and composition of the quantum dots synthesized by these methods, and the synthesized quantum dot aggregates contain different sizes and compositions of quantum dots. For this reason, the half-value width of the emission spectrum of the quantum dot aggregate is broad as 50 nm to 200 nm, and it is difficult to realize a narrow emission spectrum.

図13は、ZnO1−xのO組成x及びサイズと、発光波長との関係を示すグラフである。O組成xを0.6、サイズを4.0nm(発光波長405nm(3.06eV))とする設計でZnO1−xを合成し、合成したZnO1−xのO組成xに0.4〜0.8、サイズに3.0nm〜6.0nmの範囲でばらつきが発生した場合、発光波長は335nm〜440nm(3.70eV〜2.84eV)の範囲に広がる。発光波長の広帯域化が生じ、たとえば発光スペクトルの半値幅を50nm未満に抑えることは非常に困難である。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the O composition x and size of ZnO x S 1-x and the emission wavelength. ZnO x S 1-x was synthesized with a design in which the O composition x was 0.6 and the size was 4.0 nm (emission wavelength 405 nm (3.06 eV)), and the O composition x of the synthesized ZnO x S 1- x was changed to When variation occurs in the range of 0.4 to 0.8 and the size in the range of 3.0 nm to 6.0 nm, the emission wavelength extends in the range of 335 nm to 440 nm (3.70 eV to 2.84 eV). A broadening of the emission wavelength occurs, and it is very difficult to suppress the half-value width of the emission spectrum to less than 50 nm, for example.

なお、コア/シェル型の量子ドットにおいても、たとえばシェル層が3元素以上からなる混晶結晶で構成される場合、その混晶比制御は難しい。量子ドットの集合体において、シェル層の組成比が量子ドットごとにばらつくと、シェル層のバンドギャップエネルギーも量子ドットごとにばらつく。そのため、コア層(単一組成、二元組成、三元以上の混晶組成の場合を含む。)のバンドギャップエネルギーが一定に制御されている場合であっても、コア層の閉じ込め効果が量子ドットごとに変化する。すなわち、量子ドット集合体の波長スペクトルがブロードに広がり、狭い発光スペクトルが得られにくい。   Even in the core / shell type quantum dots, for example, when the shell layer is composed of mixed crystal composed of three or more elements, it is difficult to control the mixed crystal ratio. In the assembly of quantum dots, when the composition ratio of the shell layer varies for each quantum dot, the band gap energy of the shell layer also varies for each quantum dot. Therefore, even if the band gap energy of the core layer (including the case of single composition, binary composition, mixed crystal composition of ternary or higher) is controlled to be constant, the confinement effect of the core layer is quantum. Changes for each dot. That is, the wavelength spectrum of the quantum dot aggregate is broadened and it is difficult to obtain a narrow emission spectrum.

Sigma-Aldrich社ホームページ (http://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/lumidots.html)Sigma-Aldrich website (http://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/lumidots.html)

本発明の目的は、発光スペクトルの半値幅が小さい、たとえば半値幅が50nm未満である量子ドット集合体、及び、その製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a quantum dot assembly having a small half-value width of an emission spectrum, for example, a half-value width of less than 50 nm, and a method for producing the same.

(a)ZnO 1−x から構成され、10nmを超えるサイズを有する、複数の量子ドットを準備する工程であって、組成比xの目標値を0.6とし、バラつきの範囲を0.4〜0.8として、複数の量子ドットを準備する工程と、(b)前記工程(a)で準備された複数の量子ドットを光エッチングして、該複数の量子ドットの径を小さくすることにより、該複数の量子ドットのバンドギャップエネルギーを均一化する工程と、を有する量子ドット集合体の製造方法が提供される。 (A) A step of preparing a plurality of quantum dots composed of ZnO x S 1-x and having a size exceeding 10 nm, wherein the target value of the composition ratio x is 0.6, and the variation range is 0. 4 to 0.8, a step of preparing a plurality of quantum dots, and (b) photoetching the plurality of quantum dots prepared in the step (a) to reduce the diameter of the plurality of quantum dots. Provides a method for producing an assembly of quantum dots having the step of uniformizing the band gap energy of the plurality of quantum dots.

上記の光エッチングにおいては、混晶組成あるいはサイズ、またはその双方がばらついているためにバンドギャップがばらついた複数の量子ドットをエッチャントに投入し、目的のバンドギャップに相当する光を照射する。照射光よりもバンドギャップの狭い量子ドットは、励起されたキャリアにより溶解し、バンドギャップが広がる。他方、照射光よりもバンドギャップの広い量子ドットは光を吸収しないために溶解しない。これにより、組成やサイズがばらついた量子ドットの集合体のバンドギャップを、たとえば一定に揃えることができる。   In the above-described photoetching, a plurality of quantum dots with varying band gaps due to variations in mixed crystal composition and / or size are introduced into an etchant and irradiated with light corresponding to the target band gap. The quantum dots having a narrower band gap than the irradiation light are dissolved by the excited carriers, and the band gap is widened. On the other hand, quantum dots having a wider band gap than the irradiation light do not absorb light and therefore do not dissolve. Thereby, the band gap of the aggregate | assembly of the quantum dot from which composition and size varied can be arrange | equalized uniformly, for example.

図14に、光エッチングによる量子ドットの変化を概念的に示す。   FIG. 14 conceptually shows changes in quantum dots due to photoetching.

組成及び/またはサイズにばらつきのある量子ドットは、光制御によるエッチング加工により、たとえば一定のサイズに均一化される。エッチングは、照射光を吸収するサイズの量子ドットでのみ進行する。またエッチングにより、量子ドットのサイズが小さくなって照射光を透過するようになると、エッチングは停止する。光エッチングにおいては、光の波長を選択することで、たとえば所望の一定サイズに、量子ドットを制御することが可能である。   Quantum dots having variations in composition and / or size are made uniform, for example, to a certain size by etching processing by light control. Etching proceeds only with quantum dots of a size that absorbs irradiated light. Further, the etching stops when the size of the quantum dot is reduced by the etching and the irradiation light is transmitted. In photoetching, quantum dots can be controlled to a desired constant size, for example, by selecting the wavelength of light.

なお、たとえば3元混晶の組成が単一であるときは、サイズもエネルギーギャップもそれぞれ一定となる。組成にばらつきがあるときは、サイズはばらつくが、エネルギーギャップは一定となる。   For example, when the composition of the ternary mixed crystal is single, the size and the energy gap are both constant. When the composition varies, the size varies, but the energy gap is constant.

本発明によれば、発光スペクトルの半値幅が小さい、たとえば半値幅が50nm未満である量子ドット集合体、及び、その製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a quantum dot aggregate having a small half-value width of an emission spectrum, for example, a half-value width of less than 50 nm, and a method for producing the same.

図1Aは、ZnO1−xの混晶におけるO組成xとバンドギャップエネルギーの関係を示すグラフであり、図1Bは、ZnO及びZnS結晶のサイズと発光波長(バンドギャップエネルギー)の関係を示すグラフである。FIG. 1A is a graph showing the relationship between the O composition x and the band gap energy in a mixed crystal of ZnO x S 1-x , and FIG. 1B shows the relationship between the sizes of the ZnO and ZnS crystals and the emission wavelength (band gap energy). It is a graph to show. 図2は、第1実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。FIG. 2 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the first embodiment. 図3Aは、ホットインジェクション法を用いて量子ドット(母材)を製造する製造装置の概略図であり、図3Bは、量子ドット母材の集合体(ZnO1−xナノ粒子集合体)の概略図である。FIG. 3A is a schematic view of a production apparatus for producing quantum dots (base materials) using a hot injection method, and FIG. 3B is an assembly of quantum dot base materials (ZnO x S 1-x nanoparticle aggregates). FIG. 図4Aは、光エッチング装置の概略図であり、図4Bは、光照射後の量子ドット集合体(ZnO1−xナノ粒子集合体)の概略図であり、図4Cは、光照射後の量子ドット集合体のO組成x及びサイズと、バンドギャップエネルギー(発光波長)の関係を示すグラフである。4A is a schematic diagram of a photoetching apparatus, FIG. 4B is a schematic diagram of a quantum dot assembly (ZnO x S 1-x nanoparticle aggregate) after light irradiation, and FIG. 4C is a diagram after light irradiation. 2 is a graph showing the relationship between the O composition x and size of the quantum dot assembly and the band gap energy (emission wavelength). 図5は、InAl1−yN(0<y<1)とZnO1−x(0<x<1)のバンドラインアップについて説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining band lineup of In y Al 1-y N (0 <y <1) and ZnO x S 1-x (0 <x <1). 図6Aは、第2実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートであり、図6Bは、第2実施例による製造方法で製造される量子ドット(コア/シェル構造)集合体を示す概略断面図である。FIG. 6A is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the second embodiment, and FIG. 6B shows a quantum dot (core / shell structure) assembly manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment. It is a schematic sectional drawing which shows. 図7は、第3実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。FIG. 7 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the third embodiment. 図8は、第3実施例による製造方法で製造する量子ドットの断面図、及び、バンド構造の目標値を示す図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a quantum dot manufactured by the manufacturing method according to the third embodiment and a diagram showing a target value of a band structure. 図9は、第4実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。FIG. 9 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the fourth embodiment. 図10は、第4実施例による製造方法で製造する量子ドットの断面図、及び、バンド構造の目標値を示す図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a quantum dot manufactured by the manufacturing method according to the fourth embodiment and a diagram showing a target value of a band structure. 図11は、第5実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。FIG. 11 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the fifth embodiment. 図12は、第5実施例による製造方法で製造する量子ドットの断面図、及び、バンド構造の目標値を示す図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of a quantum dot manufactured by the manufacturing method according to the fifth embodiment and a diagram showing a target value of the band structure. 図13は、ZnO1−xのO組成x及びサイズと、発光波長との関係を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the relationship between the O composition x and size of ZnO x S 1-x and the emission wavelength. 図14は、光エッチングによる量子ドットの変化を概念的に示す図である。FIG. 14 is a diagram conceptually showing changes in quantum dots due to photoetching.

II−VI族化合物半導体である3元ZnO1−x(0<x<1)を用いて形成される発光ナノ粒子(量子ドット)を例として説明する。 A light-emitting nanoparticle (quantum dot) formed using a ternary ZnO x S 1-x (0 <x <1) that is a II-VI group compound semiconductor will be described as an example.

まず、ZnO1−x混晶について簡単に説明する。 First, the ZnO x S 1-x mixed crystal will be briefly described.

図1Aは、ZnO1−xの混晶におけるO組成xとバンドギャップエネルギーの関係を示すグラフである。本図には、粒子サイズが、3nm、4nm、6nm、及び、20nmの場合の両者の関係を示した。曲線は、上から順に、3nm、4nm、6nm、20nmの場合である。丸印は、x=0.6、粒子サイズ4.0nmの位置を表す。O組成xのばらつきの範囲を、0.4〜0.8、サイズのばらつきの範囲を3.0nm〜6.0nmとして、その範囲を濃く示してある。なおZnO1−x混晶においては、組成のばらつきが大きい。 FIG. 1A is a graph showing the relationship between O composition x and band gap energy in a mixed crystal of ZnO x S 1-x . This figure shows the relationship between the particle sizes of 3 nm, 4 nm, 6 nm, and 20 nm. The curves are for 3 nm, 4 nm, 6 nm, and 20 nm in order from the top. A circle represents a position where x = 0.6 and a particle size of 4.0 nm. The range of the variation of the O composition x is 0.4 to 0.8, the range of the size variation is 3.0 nm to 6.0 nm, and the range is shown deeply. In the ZnO x S 1-x mixed crystal, the composition variation is large.

たとえば従来の技術によれば、ZnO1−xにおいてO組成x=0.6、及び、サイズ4.0nmを目標値とした場合、0.4〜0.8の範囲のO組成x、及び、3.0nm〜6.0nmの範囲のサイズをもつ粒子が混在する、ナノ粒子集合体が製造される。(ZnO1−x混晶においては、組成のばらつき、及び、ボーイング効果が大きいため、合成されるナノ粒子は、O組成x=0.6、サイズ4.0nmを中心に、O組成x=0.4、サイズ3.0nmからO組成0.8、サイズ6.0nmのナノ粒子となる。)
O組成xのばらつきを、0.4〜0.8、サイズのばらつきを3.0nm〜6.0nmとしたとき、バンドギャップエネルギーは、2.84eV〜3.65eV(発光波長440nm〜340nm)となる。
For example, according to the prior art, when the O composition x = 0.6 in ZnO x S 1-x and the target size is 4.0 nm, the O composition x in the range of 0.4 to 0.8, And the nanoparticle aggregate | assembly in which the particle | grains with the size of the range of 3.0 nm-6.0 nm are mixed is manufactured. (In the ZnO x S 1-x mixed crystal, since the composition variation and the bowing effect are large, the synthesized nanoparticles are mainly composed of O composition x = 0.6 and size 4.0 nm. = 0.4, size 3.0 nm to O composition 0.8, size 6.0 nm nanoparticles)
When the variation of the O composition x is 0.4 to 0.8 and the size variation is 3.0 nm to 6.0 nm, the band gap energy is 2.84 eV to 3.65 eV (emission wavelength: 440 nm to 340 nm). Become.

なお、ZnO、ZnSのバンドギャップエネルギーは、それぞれ3.2eV、3.8eVであり、ボーイングパラメータbはb=3.0である。粒子サイズ4.0nmのZnO1−x(x=0.6)混晶結晶はボーイングパラメータが大きいため、ZnO、ZnSの2元結晶よりバンドギャップエネルギーが小さい。 The band gap energies of ZnO and ZnS are 3.2 eV and 3.8 eV, respectively, and the bowing parameter b is b = 3.0. A ZnO x S 1-x (x = 0.6) mixed crystal having a particle size of 4.0 nm has a large bowing parameter, and therefore has a lower band gap energy than a binary crystal of ZnO and ZnS.

図1Bは、ZnO及びZnS結晶のサイズと発光波長(バンドギャップエネルギー)の関係を示すグラフである。右側の曲線がZnO、左側の曲線がZnSにおける両者の関係を表す。ZnO1−x(0<x<1)混晶結晶については図示する2つの曲線の間の値をとるため、サイズが20nm以下、特に10nm以下まで小さくなると、量子効果によるキャリアの閉じ込めにより、発光波長が短波長側(バンドギャップエネルギーが高エネルギー側)へシフトする。 FIG. 1B is a graph showing the relationship between the size of ZnO and ZnS crystals and the emission wavelength (bandgap energy). The right curve represents the relationship between ZnO and the left curve represents ZnS. Since the ZnO x S 1-x (0 <x <1) mixed crystal takes a value between the two curves shown in the figure, when the size is reduced to 20 nm or less, particularly 10 nm or less, the confinement of carriers due to the quantum effect causes The emission wavelength shifts to the shorter wavelength side (band gap energy is higher energy side).

なお、上述のZnO及びZnSのバンドギャップエネルギー(ZnOは3.2eV、ZnSは3.8eV)は、それぞれ波長390nm弱、330nm弱に対応する。   Note that the band gap energies of ZnO and ZnS (ZnO is 3.2 eV and ZnS is 3.8 eV) correspond to wavelengths of less than 390 nm and 330 nm, respectively.

図1A及び図1Bより、ZnO1−x(0<x<1) の混晶組成とサイズを制御することで、ZnOやZnSの2元結晶では実現できない2.7eV程度の低エネルギー(図1Aのサイズ20nmの曲線参照)から6.0eV程度の高エネルギー(図1B参照。ZnSに近い(xが0に近い)ZnO1−x(0<x<1)においては、量子効果により205nm(エネルギー換算6.0eV)未満まで波長を変化させることができる。)まで、バンドギャップを変化させることが可能であるといえるであろう。 From FIG. 1A and FIG. 1B, by controlling the mixed crystal composition and size of ZnO x S 1-x (0 <x <1), low energy of about 2.7 eV that cannot be realized with a binary crystal of ZnO or ZnS ( 1A to high energy of about 6.0 eV (see FIG. 1B. In the case of ZnO x S 1-x close to ZnS (x is close to 0) (0 <x <1), the quantum effect It can be said that the band gap can be changed up to 205 nm (the wavelength can be changed to less than 205 nm (energy conversion 6.0 eV)).

図2は、第1実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。   FIG. 2 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the first embodiment.

第1実施例においては、まず、量子ドット母材を準備、その一例として合成する(ステップS101)。次に、ステップS101で準備(合成)された量子ドット母材のサイズを制御するための加工を行う。具体的には、選択的光エッチングにより、準備された量子ドット母材をエッチングする(ステップS102)。   In the first embodiment, first, a quantum dot base material is prepared and synthesized as an example (step S101). Next, processing for controlling the size of the quantum dot base material prepared (synthesized) in step S101 is performed. Specifically, the prepared quantum dot base material is etched by selective photoetching (step S102).

選択的光エッチング工程(ステップS102)における粒子処理では、たとえば溶液中に量子ドット(母材)を分散させ、その分散液に狭帯域光を照射する。これにより、サイズの大きい粒子のみが光を吸収し活性化されることでエッチングされる。光を吸収するサイズの量子ドットはエッチングが進行しサイズが小さくなる。サイズが小さくなると量子効果によりバンドギャップが大きくなる。照射光のエネルギーよりもバンドギャップが大きくなると、光を吸収せず透過するようになる。光が透過するようになるとエッチングは停止する。選択的光エッチング工程(ステップS102)により、量子ドット集合体内で、各量子ドットのバンドギャップは均一化され、たとえば同じバンドギャップ、すなわち同じ発光波長をもつ量子ドットだけを選択的に合成することが可能となる。   In the particle processing in the selective photoetching step (step S102), for example, quantum dots (base material) are dispersed in a solution, and the dispersion is irradiated with narrowband light. As a result, only the large particles are etched by absorbing and activating light. Quantum dots of a size that absorbs light undergoes etching and becomes smaller in size. As the size decreases, the band gap increases due to the quantum effect. When the band gap is larger than the energy of the irradiation light, light is transmitted without being absorbed. Etching stops when light is transmitted. By the selective photoetching step (step S102), the band gap of each quantum dot is made uniform in the quantum dot assembly, and for example, only the quantum dots having the same band gap, that is, the same emission wavelength can be selectively synthesized. It becomes possible.

第1実施例においては、最終的に製造される量子ドットのO組成xの目標値を0.60、サイズの目標値を4.0nmとした。   In the first example, the target value of the O composition x of the finally produced quantum dots was 0.60, and the target value of the size was 4.0 nm.

なお実施例においては、球状の量子ドット母材を形成する。選択的光エッチング後の量子ドットも球状である。   In the embodiment, a spherical quantum dot base material is formed. The quantum dots after selective photoetching are also spherical.

図3Aは、ホットインジェクション法を用いて量子ドット(母材)を製造する製造装置の概略図である。本図を参照し、量子ドット母材の合成工程(ステップS101)について説明する。   FIG. 3A is a schematic diagram of a manufacturing apparatus that manufactures quantum dots (base material) using a hot injection method. The quantum dot base material synthesis step (step S101) will be described with reference to FIG.

反応容器として石英製のフラスコ(300cc)を準備する。フラスコには取り出し口の他、不活性ガスで置換できるポートと反応前駆体を注入できる専用ポートを取り付ける。フラスコに反応溶媒であるTOPO(tri-n-octylphosphine oxide)とHDA(Hexadecylamine)を入れ、不活性ガス雰囲気で300℃に加熱、溶解する。たとえば8gのTOPO、4gのHDA、及び、不活性ガスとしてアルゴン(Ar)を用いる。加熱むらが生じないようスターラーで攪拌する。   A quartz flask (300 cc) is prepared as a reaction vessel. In addition to the outlet, the flask is equipped with a port that can be replaced with an inert gas and a dedicated port that can inject the reaction precursor. TOPO (tri-n-octylphosphine oxide) and HDA (Hexadecylamine), which are reaction solvents, are placed in a flask and heated to 300 ° C. and dissolved in an inert gas atmosphere. For example, 8 g of TOPO, 4 g of HDA, and argon (Ar) as an inert gas are used. Stir with a stirrer to prevent uneven heating.

次に、反応前駆体として、不活性ガス(たとえばAr)で封入したジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)、酸素でバブリングしたオクチルアミン(C8H17NH2)、及びBis(trimethylsilyl) Sulfide(チオビス)が充填されたシリンジをそれぞれ準備する。酸素でバブリングすることにより、オクチルアミン(C8H17NH2)には酸素が取り込まれている。たとえばジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)が4.0mmol、酸素を取り込んだオクチルアミン(C8H17NH2)が2.4mmol、Bis(trimethylsilyl) Sulfide(チオビス)が1.6mmolとなるように調整する。この調整により、第1実施例においては、ZnO0.600.40混晶ナノ粒子(O組成x=0.60は目標値)が合成される。なお、O組成xがこれとは異なるZnO1−x混晶ナノ粒子を合成するためには、上記のジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)、オクチルアミン(C8H17NH2)、及びBis(trimethylsilyl) Sulfide(チオビス)の比率を変更すればよい。 Next, as reaction precursors, diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) encapsulated with an inert gas (eg Ar), octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) bubbled with oxygen, and Bis (trimethylsilyl) ) Prepare each syringe filled with Sulfide (thiobis). By bubbling with oxygen, oxygen is taken into octylamine (C 8 H 17 NH 2 ). For example, diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) is 4.0 mmol, oxygen-incorporated octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) is 2.4 mmol, and Bis (trimethylsilyl) Sulfide (thiobis) is 1.6 mmol. Adjust so that By this adjustment, ZnO 0.60 S 0.40 mixed crystal nanoparticles (O composition x = 0.60 is a target value) are synthesized in the first example. In order to synthesize ZnO x S 1-x mixed crystal nanoparticles having a different O composition x, the above-described diethyl zinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ), octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) and Bis (trimethylsilyl) Sulfide (thiobis) ratio may be changed.

反応溶媒が反応温度に達したら、反応前駆体をそれぞれのシリンジより素早くフラスコに投入する。反応前駆体の熱分解により、ZnO1−xの核結晶が生成する。このまま放置すると反応前駆体の多くが核形成に費やされてしまい、時間経過とともに様々なサイズの核が生成されるため、反応前駆体を注入した直後に、フラスコの温度を200℃まで急冷する。その後、反応溶媒を240℃まで再加熱し、40分間一定の温度に保ち、ZnO1−xの成長を行う。 When the reaction solvent reaches the reaction temperature, the reaction precursor is quickly put into the flask from each syringe. By the thermal decomposition of the reaction precursor, a core crystal of ZnO x S 1-x is generated. If left as it is, most of the reaction precursor is consumed for nucleation, and nuclei of various sizes are generated with time. Therefore, immediately after the reaction precursor is injected, the temperature of the flask is rapidly cooled to 200 ° C. . Thereafter, the reaction solvent is reheated to 240 ° C., kept at a constant temperature for 40 minutes, and ZnO x S 1-x is grown.

フラスコを100℃まで自然放冷で冷却後、1時間保持する。これによりナノ粒子の表面の安定化を行うことができる。これを安定化処理と呼ぶ。その後、室温まで冷却した反応液に、ナノ粒子の凝集防止のために、凝固防止剤としてブタノールを添加し、10時間保持する。これを凝集防止処理と呼ぶ。最後に溶媒(TOPO)が溶解する脱水メタノールと、ナノ粒子を分散させるトルエンを交互に用いる遠心分離(4000rpm、10分間)を繰り返して精製する。これにより、不要な原料や溶媒が除去される。これを精製処理と呼ぶ。   The flask is naturally cooled to 100 ° C. and then held for 1 hour. As a result, the surface of the nanoparticles can be stabilized. This is called stabilization processing. Thereafter, butanol is added as a coagulation inhibitor to the reaction solution cooled to room temperature in order to prevent aggregation of the nanoparticles, and is maintained for 10 hours. This is called aggregation prevention processing. Finally, it is purified by repeating centrifugation (4000 rpm, 10 minutes) using alternately dehydrated methanol in which the solvent (TOPO) is dissolved and toluene in which nanoparticles are dispersed. Thereby, unnecessary raw materials and solvents are removed. This is called a purification process.

このようにして、量子ドット母材の合成工程(ステップS101)において、ZnO0.600.40ナノ粒子(O組成x=0.60は目標値)が多数合成される。図3Bに、量子ドット母材の集合体(ZnO1−xナノ粒子集合体)の概略図を示した。 In this way, a large number of ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticles (O composition x = 0.60 is the target value) are synthesized in the quantum dot base material synthesis step (step S101). FIG. 3B shows a schematic diagram of an aggregate of quantum dot base materials (ZnO x S 1-x nanoparticle aggregate).

実施例においては、たとえばすべてのナノ粒子(母材)は、目標粒子のサイズよりも大きいサイズに合成される。最終的に製造される量子ドットのO組成xの目標値を0.60、サイズの目標値を4.0nmとする第1実施例においては、ナノ粒子(母材)は、4.0nmを超えるサイズ、たとえば10nmを超えるサイズ、または20nmを超えるサイズに合成される。   In an embodiment, for example, all nanoparticles (matrix) are synthesized to a size larger than the size of the target particle. In the first example in which the target value of the O composition x of the finally produced quantum dot is 0.60 and the target value of size is 4.0 nm, the nanoparticles (base material) exceed 4.0 nm. Synthesized to a size, for example, a size exceeding 10 nm, or a size exceeding 20 nm.

しかし、量子ドット母材(ナノ粒子)においては、混晶組成と粒径サイズにばらつきが存在する(たとえば目標サイズを超える範囲において、サイズのばらつきが存在する。母材合成の時点で、サイズ4.0nmを超えるナノ粒子を合成した場合は、サイズは4.0nmを超える範囲でばらつきが存在する。)ため、発光波長が広帯域化する(発光スペクトルの半値幅は、たとえば50nm以上である)。   However, in the quantum dot base material (nanoparticle), there is a variation in the mixed crystal composition and the particle size (for example, there is a size variation in a range exceeding the target size. When nanoparticles exceeding 0.0 nm are synthesized, the size varies within a range exceeding 4.0 nm.) Therefore, the emission wavelength becomes wider (the half-value width of the emission spectrum is, for example, 50 nm or more).

図4Aは、光エッチング装置の概略図である。本図を参照し、選択的光エッチング工程(ステップS102)について説明する。   FIG. 4A is a schematic view of a photoetching apparatus. The selective photoetching process (step S102) will be described with reference to FIG.

ステップS101で合成した量子ドット母材(ZnO0.600.40ナノ粒子)は、表面安定化処理、凝集防止処理、及び、精製処理を施しており、メタノールに分散した状態にある。そこで、メタノールを気化させナノ粒子を濃縮させる。この際、メタノールを完全に気化してしまうとナノ粒子が凝集してしまうため、わずかにメタノールを残すことが好ましい。このメタノールとナノ粒子の溶液に光エッチング液である超純水を加える。25℃に保ち、酸素で5分間のバブリングを行う。 The quantum dot base material (ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticles) synthesized in step S101 has been subjected to surface stabilization treatment, aggregation prevention treatment, and purification treatment, and is in a state of being dispersed in methanol. Therefore, methanol is evaporated and the nanoparticles are concentrated. At this time, if the methanol is completely vaporized, the nanoparticles are aggregated. Therefore, it is preferable to leave the methanol slightly. Ultrapure water, which is a photo-etching solution, is added to the methanol / nanoparticle solution. Maintain at 25 ° C. and bubble with oxygen for 5 minutes.

バブリング後、密閉容器(図4Aにおいてはフラスコ)に移し、ZnO0.600.40ナノ粒子の吸収端波長よりも十分短波長の光である、発光波長405nm(3.06eV)、半値幅6nmの光をエッチング液に照射する。光源には水銀ランプを用い、水銀ランプから出射された光をモノクロメーターで分光して使用する。 After bubbling, it is transferred to a closed container (flask in FIG. 4A), and has an emission wavelength of 405 nm (3.06 eV) and a half-value width that is light having a wavelength sufficiently shorter than the absorption edge wavelength of ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticles. The etching solution is irradiated with 6 nm light. A mercury lamp is used as the light source, and the light emitted from the mercury lamp is used after being separated by a monochromator.

混晶組成と粒径サイズのばらつきにより、バンドギャップの吸収端波長にばらつきがあるZnO0.600.40量子ドット集合体においては、光を吸収するサイズの粒子は、光を吸収して光溶解反応を生じ、表面が光溶解液に溶解して徐々に径が小さくなる。このためエッチングが進行するにつれ、エッチングされる各粒子の吸収端波長が短波長側にシフトする。量子ドット集合体の吸収端波長が照射光の波長より短くなり、光溶解反応が停止するまで光を照射する。光照射は、たとえば20時間行う。 In a ZnO 0.60 S 0.40 quantum dot assembly in which the absorption edge wavelength of the band gap varies due to variations in the mixed crystal composition and particle size, particles having a size that absorbs light absorb light. A photolysis reaction occurs, the surface dissolves in the photolysis solution, and the diameter gradually decreases. For this reason, as the etching proceeds, the absorption edge wavelength of each particle to be etched shifts to the short wavelength side. Light is irradiated until the absorption edge wavelength of the quantum dot aggregate becomes shorter than the wavelength of the irradiation light and the photodissolution reaction stops. Light irradiation is performed for 20 hours, for example.

図4Bに、光照射後の量子ドット集合体(ZnO1−xナノ粒子集合体)の概略図を示す。光照射後の量子ドット集合体には、相互に混晶組成が異なる量子ドットが混在する。また、粒径サイズ分布が存在する。 FIG. 4B shows a schematic diagram of a quantum dot aggregate (ZnO x S 1-x nanoparticle aggregate) after light irradiation. In the quantum dot aggregate after the light irradiation, quantum dots having different mixed crystal compositions are mixed. There is also a particle size distribution.

図4Cに、光照射後の量子ドット集合体のO組成x及びサイズと、バンドギャップエネルギー(発光波長)の関係を示す。本図中の4本の曲線は、図1Aのそれらと同一である。光照射後においては、O組成x=0.60、サイズ4.0nmを中心に、O組成x=0.80、サイズ4.0nmからO組成0.40、サイズ6.0nmの量子ドット集合体となる。   FIG. 4C shows the relationship between the O composition x and size of the quantum dot aggregate after light irradiation and the band gap energy (emission wavelength). The four curves in this figure are the same as those in FIG. 1A. After the light irradiation, a quantum dot aggregate having an O composition x = 0.60 and a size of 4.0 nm, an O composition x = 0.80, a size 4.0 nm to an O composition 0.40, and a size 6.0 nm. It becomes.

しかし、光照射後の量子ドット集合体においては、量子ドットの発光波長が均一化される。たとえば、バンドギャップエネルギーが、照射光のエネルギーと等しい3.06eVのナノ粒子の集合体が形成される。   However, in the quantum dot aggregate after light irradiation, the emission wavelength of the quantum dots is made uniform. For example, an aggregate of nanoparticles having a band gap energy of 3.06 eV equal to the energy of the irradiation light is formed.

このようにステップS102の選択的光エッチングによる量子効果で、たとえばO組成xには0.40〜0.80の範囲でばらつきが存在するが、一定の発光波長をもつナノ半導体粒子のみを製造することができる。目標サイズを超えるサイズでばらついたナノ粒子(母材)に光エッチングを施して、組成が異なっていてもサイズを小さくしていき、目標波長の量子ドット集合体を得ることができる。   As described above, only the nano-semiconductor particles having a constant emission wavelength are produced by the quantum effect by the selective photoetching in Step S102, for example, the O composition x varies in the range of 0.40 to 0.80. be able to. Even if the composition is different, the size is reduced by photoetching the nanoparticles (base material) having a size exceeding the target size, and a quantum dot aggregate having a target wavelength can be obtained.

ステップS102の選択的光エッチング工程により、たとえば相互にバンドギャップの等しい、すなわち相互に発光波長の等しいZnO0.600.40混晶ナノ粒子(量子ドット)を製造可能である。 By the selective photoetching step in step S102, for example, ZnO 0.60 S 0.40 mixed crystal nanoparticles (quantum dots) having the same band gap, that is, the same emission wavelength can be manufactured.

なお、後述する実施例も含め、すべての実施例に共通して、光照射後(選択的光エッチング後)の量子ドット集合体は、量子効果により、バルク混晶のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する。   In addition, the quantum dot aggregate after light irradiation (after selective photoetching) has a band gap larger than the band gap energy of the bulk mixed crystal due to the quantum effect. Have energy.

第1実施例による製造方法で製造された量子ドット集合体(ZnO0.600.40ナノ粒子集合体)を分散した水溶液の発光スペクトルを、分光光度計を用いて評価した。励起波長365nmを使用して発光スペクトルを観測し、発光スペクトルの半値幅45nmを得た。 The emission spectrum of the aqueous solution in which the quantum dot aggregate (ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticle aggregate) manufactured by the manufacturing method according to the first example was dispersed was evaluated using a spectrophotometer. An emission spectrum was observed using an excitation wavelength of 365 nm, and a half width of 45 nm of the emission spectrum was obtained.

第1実施例では、量子ドットは、2元系よりバンドギャップが小さくなる3元系の半導体材料で形成される。また、第1実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体(ZnO0.600.40ナノ粒子集合体)には混晶組成が異なる量子ドットが混在している。しかし、各粒子のバンドギャップは均一化されており、量子ドット集合体としての発光スペクトルの半値幅は、50nm未満(45nm)である。このように、第1実施例による量子ドットの製造方法で製造される量子ドット(ナノ粒子蛍光体)の集合体においては、発光スペクトルの半値幅が小さい(発光波長の狭スペクトル化が実現される)。 In the first embodiment, the quantum dots are formed of a ternary semiconductor material having a band gap smaller than that of the binary system. In addition, quantum dots having different mixed crystal compositions are mixed in the quantum dot aggregate (ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticle aggregate) manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment. However, the band gap of each particle is made uniform, and the half-value width of the emission spectrum as the quantum dot aggregate is less than 50 nm (45 nm). Thus, in the aggregate | assembly of the quantum dot (nanoparticle fluorescent substance) manufactured with the manufacturing method of the quantum dot by 1st Example, the half value width of an emission spectrum is small (narrow spectrum narrowing of an emission wavelength is implement | achieved. ).

光エッチング工程(ステップS102)で量子ドット(母材)に照射される光は、たとえば最終的に得ようとするバンドギャップ(発光波長)に相当する波長の光である。均一にかつ短時間でエッチングを実施するために、波長幅が狭く、強度の強い光が望ましい。具体的には、レーザー(連続波)や、水銀ランプのような連続光光源から導出される光を、モノクロメーターやフィルターに通して得た単色光などが好適に利用可能である。光は、光ファイバーでナノ粒子の入った容器に導光され、量子ドットに照射される。   The light applied to the quantum dots (base material) in the photoetching step (step S102) is, for example, light having a wavelength corresponding to the band gap (emission wavelength) to be finally obtained. In order to perform etching uniformly and in a short time, light having a narrow wavelength width and strong intensity is desirable. Specifically, monochromatic light obtained by passing light derived from a continuous light source such as a laser (continuous wave) or a mercury lamp through a monochromator or a filter can be suitably used. Light is guided to a container containing nanoparticles by an optical fiber, and irradiated to the quantum dots.

実施例においては、エッチング液として水(超純水)を用いるが、光照射時と非照射時のエッチングレートの選択比が取れればよく、特に限定されるものではない。なお、エッチングレートを調整するために、pHやエッチング液の温度の調整を行ってもよい。   In the embodiment, water (ultra-pure water) is used as the etching solution, but it is not particularly limited as long as the selection ratio of the etching rate between light irradiation and non-irradiation can be taken. In order to adjust the etching rate, the pH and the temperature of the etching solution may be adjusted.

実施例による量子ドットの製造方法では、粒子サイズによってバンドギャップが変化するという量子効果を利用する。このため、ステップS102の選択的光エッチング工程を経て、最終的に得られる量子ドットのサイズは、その効果が敏感に得られるサイズ領域に納めることが望ましい。図1Bを参照すると、サイズが小さくなると、バンドギャップ(波長)の変化量が大きくなる、すなわち量子効果が敏感に得られることがわかる。最終的に得られる量子ドットのサイズ(平均粒子サイズ)は、20nm以下、一層好ましくは10nm以下とすればよいであろう。   The quantum dot manufacturing method according to the embodiment uses the quantum effect that the band gap changes depending on the particle size. For this reason, it is desirable that the size of the quantum dot finally obtained through the selective photoetching process in step S102 be within a size region where the effect can be obtained sensitively. Referring to FIG. 1B, it can be seen that as the size decreases, the amount of change in the band gap (wavelength) increases, that is, the quantum effect is obtained with sensitivity. The size (average particle size) of the finally obtained quantum dots may be 20 nm or less, more preferably 10 nm or less.

ステップS101の量子ドット母材の合成工程において、量子ドット母材であるZnO1−x粒子は、最終的に必要な量子ドットよりも大きなサイズに合成する。すなわちたとえば10nmまたは20nmを超えるサイズに合成する。量子ドット(母材粒子)間では、組成及びサイズのばらつきが存在する。たとえばO組成xには、0.40〜0.80の範囲でばらつきが存在する。 In the step of synthesizing the quantum dot base material in step S101, the ZnO x S 1-x particles that are the quantum dot base material are synthesized into a size larger than the finally required quantum dots. That is, for example, the size is synthesized to exceed 10 nm or 20 nm. There are variations in composition and size between quantum dots (base material particles). For example, the O composition x varies in the range of 0.40 to 0.80.

なお、第1実施例ではO組成0.60、S組成0.40としたが、これに限定されるものではない。   In the first embodiment, the O composition is 0.60 and the S composition is 0.40. However, the present invention is not limited to this.

続いて、第2実施例よる量子ドット集合体の製造方法について説明する。第2実施例による量子ドット集合体は、III−V族化合物半導体である3元InAl1−yN(0<y<1)結晶を用いて形成したコア層と、II−VI族化合物半導体である3元ZnO1−x(0<x<1)結晶を用いて形成したシェル層を有するタイプII型の発光ナノ粒子集合体である。シェル層を形成することで、たとえば信頼性の高い、化学的、熱的に安定な量子ドットとすることができる。タイプII型は、隣接する材料間でのバンド間遷移を利用し、電子と正孔が閉じ込められる空間的位置が異なる構造である。 Then, the manufacturing method of the quantum dot aggregate | assembly by 2nd Example is demonstrated. The quantum dot assembly according to the second embodiment includes a core layer formed using a ternary In y Al 1-y N (0 <y <1) crystal that is a III-V group compound semiconductor, and a II-VI group compound. It is a type II type light-emitting nanoparticle aggregate having a shell layer formed using a ternary ZnO x S 1-x (0 <x <1) crystal that is a semiconductor. By forming the shell layer, for example, a highly reliable, chemically and thermally stable quantum dot can be obtained. Type II is a structure that utilizes interband transitions between adjacent materials and has different spatial positions where electrons and holes are confined.

まず図5を参照して、InAl1−yN(0<y<1)とZnO1−x(0<x<1)のバンドラインアップについて簡単に説明する。 First, with reference to FIG. 5, the band lineup of In y Al 1-y N (0 <y <1) and ZnO x S 1-x (0 <x <1) will be briefly described.

たとえばコア層がInAl1−yN(一例としてy=0.67)で形成され、シェル層がZnO1−x(一例としてx=0.75)で形成される場合、理想的には本図に示されるようなバンドラインナップを伴うタイプII型接合となる。タイプI型接合とは異なり、発光遷移はZnO1−xの伝導帯とInAl1−yNの価電子帯間で起こる。そのため、特に赤外領域など発光エネルギーが小さい領域の発光に適する。 For example, it is ideal when the core layer is formed of In y Al 1-y N (for example, y = 0.67) and the shell layer is formed of ZnO x S 1-x (for example, x = 0.75). Type II junction with band lineup as shown in this figure. Unlike type I junctions, the luminescence transition occurs between the conduction band of ZnO x S 1-x and the valence band of In y Al 1-y N. Therefore, it is particularly suitable for light emission in a region having a small emission energy such as an infrared region.

しかし、三元混晶のZnO1−x(0<x<1)は混晶組成制御が難しい。たとえば目的O組成をx=0.75とした場合、±30%程度の組成ばらつきが発生すると仮定すると、O組成範囲xが0.5〜0.9程度の範囲のシェル層が形成されうる。その結果、InAl1−yNコア層とZnO1−xシェル層との価電子帯のエネルギー差ΔEcは、0<ΔEc<0.49eVとなる。また、伝導帯のエネルギー差ΔEvは、0.95eV<ΔEv<1.35eVと大きく変化してしまう。タイプII型の接合ではコアとシェルのエネルギー準位間で発光が生じるため、組成比のばらつきに伴うエネルギー準位の変化は大きな問題である。 However, ternary mixed crystal ZnO x S 1-x (0 <x <1) is difficult to control the mixed crystal composition. For example, assuming that the target O composition is x = 0.75, assuming that a composition variation of about ± 30% occurs, a shell layer having an O composition range x of about 0.5 to 0.9 can be formed. As a result, the energy difference ΔEc in the valence band between the In y Al 1-y N core layer and the ZnO x S 1-x shell layer is 0 <ΔEc <0.49 eV. Further, the energy difference ΔEv between the conduction bands greatly changes as 0.95 eV <ΔEv <1.35 eV. In type II junctions, light emission occurs between the energy levels of the core and the shell. Therefore, a change in energy levels due to variations in composition ratio is a serious problem.

図6Aは、第2実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。   FIG. 6A is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the second embodiment.

第2実施例においては、まず、InAl1−yNコア層を形成する(ステップS201a)。次に、ステップS201aで形成されたInAl1−yNコア層に積層するように、ZnO1−xシェル層を形成する(ステップS201b)。そして、選択的光エッチングにより、ZnO1−xシェル層をエッチングする(ステップS202)。 In the second embodiment, first, an In y Al 1-y N core layer is formed (step S201a). Next, a ZnO x S 1-x shell layer is formed so as to be stacked on the In y Al 1-y N core layer formed in step S201a (step S201b). Then, the ZnO x S 1-x shell layer is etched by selective photoetching (step S202).

第2実施例のステップS201a及びステップS201bは、第1実施例のステップS101に対応するステップである。また、第2実施例のステップS202は、第1実施例のステップS102に対応するステップである。   Step S201a and step S201b of the second embodiment are steps corresponding to step S101 of the first embodiment. Further, step S202 of the second embodiment is a step corresponding to step S102 of the first embodiment.

ステップS201aにおいては、ホットソープ法などの液相法を用いてInAl1−yNコア層を合成する。ステップS201bにおいては、InAl1−yNコア層を包むZnO1−xを、最終的な目的サイズ(厚さ)よりも大きなサイズに形成する。たとえば10nmまたは20nmを超えるサイズ(厚さ)に形成する。ステップS201bで形成されるZnO1−xには、たとえば目的組成に対し、概ね±30%の範囲で組成ばらつきが存在する。 In step S201a, an In y Al 1-y N core layer is synthesized using a liquid phase method such as a hot soap method. In step S201b, ZnO x S 1-x wrapping the In y Al 1-y N core layer is formed in a size larger than the final target size (thickness). For example, it is formed in a size (thickness) exceeding 10 nm or 20 nm. In ZnO x S 1-x formed in step S201b, for example, composition variation exists in a range of approximately ± 30% with respect to the target composition.

ステップS202においては、ステップS201a及びステップS201bで形成されたコア/シェル構造を含むエッチング液、たとえば水に、第1実施例と同様、発光波長405nm(3.06eV)、半値幅6nmの光を照射する。光照射により、たとえば10nmを超えるサイズ(厚さ)でばらつきが存在するZnO1−xシェル層においては、光を吸収するサイズではエッチングが進行し、サイズが小さくなる(薄くなる)。一方、エッチングが進行しサイズが小さくなる(薄くなる)と、量子効果によりエネルギーが大きくなり、光を透過するようになる。光が透過するようになるとエッチングは停止する。ステップS202の選択的光エッチング工程により、たとえば同じバンドギャップエネルギーをもつZnO1−xで構成されるZnO1−xシェル層を形成することが可能となる。 In step S202, the etching solution including the core / shell structure formed in steps S201a and S201b, for example, water, is irradiated with light having an emission wavelength of 405 nm (3.06 eV) and a half-value width of 6 nm, as in the first embodiment. To do. In a ZnO x S 1-x shell layer in which variation exists with a size (thickness) exceeding, for example, 10 nm by light irradiation, etching proceeds at a size that absorbs light, and the size becomes smaller (thinner). On the other hand, as the etching progresses and the size becomes smaller (thinner), the energy increases due to the quantum effect and light is transmitted. Etching stops when light is transmitted. By the selective photoetching step in step S202, a ZnO x S 1-x shell layer made of, for example, ZnO x S 1-x having the same band gap energy can be formed.

図6Bに、第2実施例による製造方法で製造される量子ドット(コア/シェル構造)集合体の概略断面図を示す。第2実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体には、たとえば径やシェル厚の異なる量子ドットが混在している。しかし、各量子ドットのシェル層のバンドギャップエネルギーは、たとえば一定である。   FIG. 6B shows a schematic cross-sectional view of a quantum dot (core / shell structure) assembly manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment. For example, quantum dots having different diameters and shell thicknesses are mixed in the quantum dot assembly manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment. However, the band gap energy of the shell layer of each quantum dot is constant, for example.

第2実施例による製造方法で製造されるコア/シェル構造(ZnO1−xシェル層)の集合体においては、第1実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体と同様の効果が奏される。更に、第2実施例による製造方法によれば、シェル層のバンドギャップエネルギーを一定にすることが可能であるため、様々な組成が混在するZnO1−xシェル層を用いたタイプII型発光ナノ粒子において、安定な発光遷移が可能となる。 In the assembly of the core / shell structure (ZnO x S 1-x shell layer) manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment, the same effects as the quantum dot assembly manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment Is played. Furthermore, according to the manufacturing method according to the second embodiment, since the band gap energy of the shell layer can be made constant, type II type using a ZnO x S 1-x shell layer in which various compositions are mixed. In the luminescent nanoparticle, a stable luminescence transition is possible.

図7は、第3実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。第3実施例で製造される量子ドットは、II−VI族半導体材料3元ZnO1−x(0<x<1)コアをAlNシェルで被覆した構造を有する、コアシェル型量子ドット(発光ナノ粒子)である。 FIG. 7 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the third embodiment. The quantum dots manufactured in the third example are core-shell type quantum dots (light emission) having a structure in which a II-VI group semiconductor material ternary ZnO x S 1-x (0 <x <1) core is covered with an AlN shell. Nanoparticles).

第3実施例においては、まず、量子ドット母材を形成し、合成された量子ドット母材を選択的光エッチングによりエッチングして、ZnO1−xコア層を形成する(ステップS301)。次に、ステップS301で形成されたZnO1−xコア層上に、AlNシェル層を形成する(ステップS302)。第3実施例のステップS301は、第1実施例のステップS101及びステップS102に対応するステップである。 In the third embodiment, first, a quantum dot base material is formed, and the synthesized quantum dot base material is etched by selective optical etching to form a ZnO x S 1-x core layer (step S301). Next, an AlN shell layer is formed on the ZnO x S 1-x core layer formed in step S301 (step S302). Step S301 of the third embodiment is a step corresponding to steps S101 and S102 of the first embodiment.

図8に、第3実施例による製造方法で製造する量子ドットの断面図、及び、バンド構造の目標値を示す。第3実施例では、直径2.0nmのZnO0.600.40コアが、厚さ3.0nmのAlNシェルで被覆された構造を目標とした。 FIG. 8 shows a cross-sectional view of a quantum dot manufactured by the manufacturing method according to the third embodiment and a target value of the band structure. In the third example, a structure in which a ZnO 0.60 S 0.40 core having a diameter of 2.0 nm was covered with an AlN shell having a thickness of 3.0 nm was targeted.

第3実施例においては、まず第1実施例と同様の手順で、ZnO1−xコア層を形成する。 In the third embodiment, first, a ZnO x S 1-x core layer is formed in the same procedure as in the first embodiment.

次に、ZnO1−xコア層上にAlNシェル層を析出させる。この際、たとえば第1実施例と同様の手順で作製したZnO0.600.40ナノ粒子(コア粒子)を分散したトルエン溶液を用いる。なお、第3実施例における以下の操作及び合成は、真空乾燥(140℃)したガラス製品及び装置を用いてグローブボックス内で実施する。 Next, an AlN shell layer is deposited on the ZnO x S 1-x core layer. At this time, for example, a toluene solution in which ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticles (core particles) prepared by the same procedure as in the first embodiment is dispersed is used. In addition, the following operation and synthesis | combination in 3rd Example are implemented in a glove box using the glass product and apparatus which were vacuum-dried (140 degreeC).

ZnO0.600.40ナノ粒子が分散したトルエン溶液6mlとともに、アルミニウムの供給源であるヨウ化アルミニウム(171mg、0.41mmol)、窒素の供給源であるナトリウムアミド(500mg、12.8mmol)、キャッピング剤であるヘキサデカンチオール(380μl、1.0mmol)とステアリン酸亜鉛(379mg、0.6mol)及びZnO0.600.40ナノ粒子を含む水溶液(20ml)を、溶媒であるジフェニルエーテル(20ml)の入ったフラスコに投入する。不活性ガス雰囲気で100℃となるまで加熱し、水とその他溶媒との分離層がなくなるまで保温する。分離層がなくなったら反応溶液を225℃まで加熱し、225℃のまま60分間保持する。反応容器を、100℃まで自然放冷で冷却した後、1時間保持する。これによりナノ粒子の表面の安定化を行うことができる。その後、室温まで冷却した反応液に、ナノ粒子の凝集防止のために、凝固防止剤としてブタノールを添加し、10時間攪拌する。最後に溶媒(TOPO)が溶解する脱水メタノールと、ナノ粒子を分散させるトルエンを交互に用いた遠心分離(4000rpm、10分間)を繰り返して精製する。これにより、不要な原料や溶媒を除去する。 Together with 6 ml of a toluene solution in which ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticles are dispersed, aluminum iodide (171 mg, 0.41 mmol) as a source of aluminum, sodium amide (500 mg, 12.8 mmol) as a source of nitrogen An aqueous solution (20 ml) containing hexadecanethiol (380 μl, 1.0 mmol) as a capping agent, zinc stearate (379 mg, 0.6 mol) and ZnO 0.60 S 0.40 nanoparticles was added to diphenyl ether (20 ml) as a solvent. ) Into the flask containing. Heat to 100 ° C. in an inert gas atmosphere and keep warm until there is no separate layer of water and other solvents. When the separated layer disappears, the reaction solution is heated to 225 ° C. and kept at 225 ° C. for 60 minutes. The reaction vessel is naturally cooled to 100 ° C., and then held for 1 hour. As a result, the surface of the nanoparticles can be stabilized. Thereafter, butanol is added as a coagulation inhibitor to the reaction solution cooled to room temperature in order to prevent aggregation of the nanoparticles, and stirred for 10 hours. Finally, it is purified by repeated centrifugation (4000 rpm, 10 minutes) using alternately dehydrated methanol in which the solvent (TOPO) is dissolved and toluene in which nanoparticles are dispersed. Thereby, unnecessary raw materials and solvents are removed.

このような手順を経ることで、ZnO0.600.40コア層上にAlNからなるシェル層が成長したナノ粒子を得ることができる。 Through such a procedure, nanoparticles in which a shell layer made of AlN is grown on a ZnO 0.60 S 0.40 core layer can be obtained.

第3実施例による製造方法で製造されたZnO0.600.40/AlNナノ粒子を分散したトルエン溶液の発光スペクトルを、分光光度計を用いて評価した。励起波長365nmを使用して発光スペクトルを観測し、発光スペクトルの半値幅45nmを得た。 The emission spectrum of the toluene solution in which ZnO 0.60 S 0.40 / AlN nanoparticles produced by the production method according to the third example was dispersed was evaluated using a spectrophotometer. An emission spectrum was observed using an excitation wavelength of 365 nm, and a half width of 45 nm of the emission spectrum was obtained.

第3実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体(ZnO0.600.40/AlNナノ粒子集合体)においても、たとえば第2実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体と同様の効果が奏される。 Also in the quantum dot assembly (ZnO 0.60 S 0.40 / AlN nanoparticle assembly) manufactured by the manufacturing method according to the third embodiment, for example, the quantum dot assembly manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment The same effect is produced.

なお、第3実施例ではシェル層をAlNで構成したが、これに限定されるものでない。たとえば、InAl1−wN(0<w<1)シェルとしてもよい。これについては、第5実施例で説明する。 In the third embodiment, the shell layer is made of AlN, but is not limited to this. For example, an In w Al 1-w N (0 <w <1) shell may be used. This will be described in the fifth embodiment.

図9は、第4実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。第4実施例で製造される量子ドットは、III−V族半導体材料3元InGa1−zN(0<z<1)コアを3元ZnO1−x(0<x<1)シェルで被覆した構造を有する、タイプI型のコアシェル型量子ドット(発光ナノ粒子)である。タイプI型は、大きいバンドギャップ材料が小さいバンドギャップ材料を挟むように構成され、電子、正孔ともにバンドギャップの小さい半導体材料内に閉じ込められる構造である。 FIG. 9 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the fourth embodiment. The quantum dots manufactured in the fourth example are formed of a ternary ZnO x S 1-x (0 <x <1) with a III-V group semiconductor material ternary In z Ga 1-z N (0 <z <1) core. ) Type I core-shell quantum dots (light emitting nanoparticles) having a shell-coated structure. Type I is a structure in which a large band gap material is sandwiched between small band gap materials, and both electrons and holes are confined in a semiconductor material having a small band gap.

第4実施例においては、まず、InGa1−zNナノ粒子母材を合成する(ステップS401)。次に、ステップS401で合成されたInGa1−zNナノ粒子母材を、選択的光エッチングによりエッチングし(ステップS402)、InGa1−zNコア層を形成する。更に、ステップS402で形成されたInGa1−zNコア層上に、ZnO1−x層を析出させる(ステップS403)。そして、ステップS403で析出したZnO1−x層を、選択的光エッチングによりエッチングし(ステップS404)、InGa1−zNコア層上に、ZnO1−xシェル層を形成する。第4実施例のステップS401及びステップS403は、第1実施例のステップS101に対応するステップであり、ステップS402及びステップS404は、第1実施例のステップS102に対応するステップである。 In the fourth example, first, an In z Ga 1-z N nanoparticle base material is synthesized (step S401). Next, the In z Ga 1-z N nanoparticle base material synthesized in step S401 is etched by selective photoetching (step S402) to form an In z Ga 1-z N core layer. Further, a ZnO x S 1-x layer is deposited on the In z Ga 1-z N core layer formed in step S402 (step S403). Then, the ZnO x S 1-x layer deposited in step S403 is etched by selective photoetching (step S404), and a ZnO x S 1-x shell layer is formed on the In z Ga 1-z N core layer. To do. Steps S401 and S403 of the fourth embodiment are steps corresponding to step S101 of the first embodiment, and steps S402 and S404 are steps corresponding to step S102 of the first embodiment.

図10に、第4実施例による製造方法で製造する量子ドットの断面図、及び、バンド構造の目標値を示す。第4実施例では、直径1.5nmのIn0.80Ga0.20Nコアが、厚さ3.0nmのZnO0.050.95シェルで被覆された構造を目標とした。 FIG. 10 shows a cross-sectional view of a quantum dot manufactured by the manufacturing method according to the fourth embodiment and a target value of the band structure. In the fourth example, a structure in which an In 0.80 Ga 0.20 N core having a diameter of 1.5 nm was covered with a ZnO 0.05 S 0.95 shell having a thickness of 3.0 nm was targeted.

まずIn0.80Ga0.20Nナノ粒子母材の作製工程(ステップS401)について説明する。なお、第4実施例における以下の操作及び合成は、真空乾燥(140℃)したガラス製品及び装置を用いてグローブボックス内で実施する。 First, a manufacturing process (step S401) of the In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticle base material will be described. In addition, the following operation and synthesis | combination in 4th Example are implemented in a glove box using the glass product and apparatus which were vacuum-dried (140 degreeC).

ガリウムの供給源であるヨウ化ガリウム(54mg、0.12mmol)、インジウムの供給源であるヨウ化インジウム(220mg、0.48mmol)、窒素の供給源であるナトリウムアミド(500mg、12.8mmol)、キャッピング剤であるヘキサデカンチオール(380μl、1.0mmol)とステアリン酸亜鉛(379mg、0.6mol)を、溶媒であるジフェニルエーテル(20ml)の入ったフラスコに投入する。この混合液を225℃まで急速に加熱し、225℃で60分間保持する。その後反応容器を100℃まで自然放冷で冷却した後、1時間保持する。これによりナノ粒子の表面の安定化を行うことができる。その後、室温まで冷却した反応液にナノ粒子の凝集防止のために、凝固防止剤としてブタノールを添加し、10時間攪拌する。最後に溶媒(TOPO)が溶解する脱水メタノールと、ナノ粒子を分散させるトルエンを交互に用いた遠心分離(4000rpm、10分間)を繰り返して精製する。これにより、不要な原料や溶媒を除去する。このような手順を経て、In0.80Ga0.20Nナノ粒子母材を得る。 Gallium iodide (54 mg, 0.12 mmol) as a source of gallium, Indium iodide (220 mg, 0.48 mmol) as a source of indium, Sodium amide (500 mg, 12.8 mmol) as a source of nitrogen, Hexadecanethiol (380 μl, 1.0 mmol) as a capping agent and zinc stearate (379 mg, 0.6 mol) are charged into a flask containing diphenyl ether (20 ml) as a solvent. The mixture is rapidly heated to 225 ° C and held at 225 ° C for 60 minutes. Thereafter, the reaction vessel is naturally cooled to 100 ° C. and then held for 1 hour. As a result, the surface of the nanoparticles can be stabilized. Thereafter, butanol is added as an anticoagulant to the reaction liquid cooled to room temperature to prevent aggregation of the nanoparticles and stirred for 10 hours. Finally, it is purified by repeated centrifugation (4000 rpm, 10 minutes) using alternately dehydrated methanol in which the solvent (TOPO) is dissolved and toluene in which nanoparticles are dispersed. Thereby, unnecessary raw materials and solvents are removed. Through such a procedure, an In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticle base material is obtained.

ステップS401で合成したIn0.80Ga0.20Nナノ粒子母材はメタノールに分散した状態にある。そこで、メタノールを気化させナノ粒子を濃縮させる。この際、メタノールを完全に気化してしまうとナノ粒子が凝集してしまうため、わずかにメタノールを残すことが好ましい。このメタノールとナノ粒子の溶液に光エッチング液である超純水を加える。25℃に保ち、酸素で5分間のバブリングを行う。 The In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticle base material synthesized in step S401 is in a state of being dispersed in methanol. Therefore, methanol is evaporated and the nanoparticles are concentrated. At this time, if the methanol is completely vaporized, the nanoparticles are aggregated. Therefore, it is preferable to leave the methanol slightly. Ultrapure water, which is a photo-etching solution, is added to the methanol / nanoparticle solution. Maintain at 25 ° C. and bubble with oxygen for 5 minutes.

バブリング後、密閉容器に移しIn0.80Ga0.20Nナノ粒子母材の吸収端波長よりも十分短波長の光である、発光波長405nm(3.06eV)、半値幅6nmの光を照射する(ステップS402)。光源には水銀ランプを用い、水銀ランプから出射された光をモノクロメーターで分光して使用する。混晶組成及びサイズのばらつきにより、バンドギャップの吸収端波長にばらつきがあるIn0.80Ga0.20Nナノ粒子母材は、光を吸収して光溶解反応を生じ、表面が光溶解液に溶解して徐々に径が小さくなる。このため、エッチングが進行するにつれ吸収端波長が短波長側にシフトする。In0.80Ga0.20Nナノ粒子母材の吸収端波長が照射光の波長より短くなり、光溶解反応が停止するまで光を照射する。光照射は、たとえば20時間行う。 After bubbling, the light is transferred to a sealed container and irradiated with light having an emission wavelength of 405 nm (3.06 eV) and a half-value width of 6 nm, which is light sufficiently shorter than the absorption edge wavelength of the In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticle matrix. (Step S402). A mercury lamp is used as the light source, and the light emitted from the mercury lamp is used after being separated by a monochromator. The In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticle base material, which has variations in the absorption edge wavelength of the band gap due to the mixed crystal composition and size variation, absorbs light and causes a photodissolution reaction, and the surface is a photodissolved solution. Dissolves in the solution and gradually decreases in diameter. For this reason, as the etching proceeds, the absorption edge wavelength shifts to the short wavelength side. Light is irradiated until the absorption edge wavelength of the In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticle matrix becomes shorter than the wavelength of the irradiation light and the photodissolution reaction stops. Light irradiation is performed for 20 hours, for example.

ステップS402で形成される多数のInGa1−zNナノ粒子(コア層)は、たとえば混晶組成やサイズの分布は存在するが、相互に等しい発光波長をもつナノ粒子(量子ドット)である。 A number of In z Ga 1-z N nanoparticles (core layer) formed in step S402 are nanoparticles (quantum dots) having an emission wavelength equal to each other, for example, although there are mixed crystal compositions and size distributions. is there.

その後、量子ドットが分散した水溶液を凍結乾燥させて、量子ドットのみの粉末とし、超音波分散機を用いてオクチルアミン中に分散させる。   Thereafter, the aqueous solution in which the quantum dots are dispersed is freeze-dried to obtain a powder containing only the quantum dots, and is dispersed in octylamine using an ultrasonic disperser.

続いて、In0.80Ga0.20Nコア層上にZnO0.050.95シェル層を析出させる工程(ステップS403)について説明する。 Subsequently, the step of depositing a ZnO 0.05 S 0.95 shell layer on the In 0.80 Ga 0.20 N core layer (step S403) will be described.

反応容器として石英製のフラスコ(300cc)を準備する。フラスコには取り出し口の他、不活性ガスで置換できるポートと反応前駆体を注入できる専用ポートを取り付ける。フラスコに反応溶媒であるTOPOとHDAを入れ、不活性ガス雰囲気で300℃に加熱、溶解する。たとえば8gのTOPO、4gのHDA、及び、不活性ガスとしてアルゴン(Ar)を用いる。加熱むらが生じないようスターラーで攪拌する。   A quartz flask (300 cc) is prepared as a reaction vessel. In addition to the outlet, the flask is equipped with a port that can be replaced with an inert gas and a dedicated port that can inject the reaction precursor. TOPO and HDA, which are reaction solvents, are placed in a flask and heated to 300 ° C. and dissolved in an inert gas atmosphere. For example, 8 g of TOPO, 4 g of HDA, and argon (Ar) as an inert gas are used. Stir with a stirrer to prevent uneven heating.

次に、反応前駆体として、不活性ガス(たとえばAr)で封入したジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)、酸素を取り込んだオクチルアミン(C8H17NH2)、及びBis(trimethylsilyl) Sulfide(ビス(トリメチルシリル)スルフィド)及びIn0.80Ga0.20Nナノ粒子を含む溶液が充填されたシリンジをそれぞれ準備する。オクチルアミン(C8H17NH2)への酸素の取り込みは、酸素を2分間バブリングすることで行う。ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)が4.0mmol、酸素をバブリングしたオクチルアミン(C8H17NH2)が0.2mmol、Bis(trimethylsilyl) Sulfide(ビス(トリメチルシリル)スルフィド)が3.8mmolとなるように調整する。また、In0.80Ga0.20Nナノ粒子を含む溶液2.0mlを調合する。 Next, as reaction precursors, diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) encapsulated with an inert gas (eg Ar), octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) incorporating oxygen, and Bis (trimethylsilyl ) Prepare syringes filled with a solution containing Sulfide (bis (trimethylsilyl) sulfide) and In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticles. Incorporation of oxygen into octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) is performed by bubbling oxygen for 2 minutes. 4.0 mmol of diethyl zinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ), 0.2 mmol of octylamine bubbling oxygen (C 8 H 17 NH 2 ), 3 of Bis (trimethylsilyl) Sulfide (bis (trimethylsilyl) sulfide) Adjust to 8 mmol. Also, 2.0 ml of a solution containing In 0.80 Ga 0.20 N nanoparticles is prepared.

反応溶媒が反応温度である225℃に達したら、反応前駆体をそれぞれのシリンジより滴下する。滴下速度は30秒毎に一滴とする。全ての反応前駆体の滴下が終わった後、フラスコを100℃まで冷却し、アニーリングのために1時間保温する。これによりナノ粒子の表面の安定化を行うことができる。その後室温まで冷却し、ナノ粒子の凝集防止のための凝固防止剤としてブタノールを添加し、10時間攪拌する。最後に、溶媒(TOPO)が溶解する脱水メタノールとナノ粒子を分散させるトルエンを交互に用いた遠心分離(4000rpm、10分間)を繰り返して精製する。これにより、不要な原料や溶媒を除去する。こうして、In0.80Ga0.20N/ZnO0.050.95ナノ粒子が形成される。 When the reaction solvent reaches the reaction temperature of 225 ° C., the reaction precursor is dropped from each syringe. The dropping speed is one drop every 30 seconds. After all of the reaction precursor has been added, the flask is cooled to 100 ° C. and incubated for 1 hour for annealing. As a result, the surface of the nanoparticles can be stabilized. Thereafter, the mixture is cooled to room temperature, butanol is added as an anticoagulation agent for preventing aggregation of nanoparticles, and the mixture is stirred for 10 hours. Finally, purification is repeated by repeated centrifugation (4000 rpm, 10 minutes) using dehydrated methanol in which the solvent (TOPO) is dissolved and toluene in which nanoparticles are dispersed. Thereby, unnecessary raw materials and solvents are removed. Thus, In 0.80 Ga 0.20 N / ZnO 0.05 S 0.95 nanoparticles are formed.

In0.80Ga0.20N/ZnO0.050.95ナノ粒子はメタノールに分散した状態にある。そこで、メタノールを気化させナノ粒子を濃縮させる。この際、メタノールを完全に気化してしまうとナノ粒子が凝集してしまうため、わずかにメタノールを残すことが好ましい。このメタノールとナノ粒子の溶液に光エッチング液である超純水を加える。25℃に保ち、酸素で5分間のバブリングを行う。 In 0.80 Ga 0.20 N / ZnO 0.05 S 0.95 nanoparticles are in a state of being dispersed in methanol. Therefore, methanol is evaporated and the nanoparticles are concentrated. At this time, if the methanol is completely vaporized, the nanoparticles are aggregated. Therefore, it is preferable to leave the methanol slightly. Ultrapure water, which is a photo-etching solution, is added to the methanol / nanoparticle solution. Maintain at 25 ° C. and bubble with oxygen for 5 minutes.

バブリング後、密閉容器に移しZnO0.050.95層の吸収端波長よりも十分短波長の光である、発光波長405nm(3.06eV)、半値幅6nmの光を照射する(ステップS404)。光源には水銀ランプを用い、水銀ランプから出射された光をモノクロメーターで分光して使用する。混晶組成及びサイズのばらつきにより、バンドギャップの吸収端波長にばらつきがあるZnO0.050.95層は光を吸収して光溶解反応を生じ、表面が光溶解液に溶解して徐々に薄くなる。このため、エッチングが進行するにつれ吸収端波長が短波長側にシフトする。ZnO0.050.95層の吸収端波長が照射光の波長より短くなり、光溶解反応が停止するまで光を照射する。光照射は、たとえば20時間行う。 After bubbling, it is transferred to a sealed container and irradiated with light having an emission wavelength of 405 nm (3.06 eV) and a half-value width of 6 nm, which is light having a wavelength sufficiently shorter than the absorption edge wavelength of the ZnO 0.05 S 0.95 layer (step S404). ). A mercury lamp is used as the light source, and the light emitted from the mercury lamp is used after being separated by a monochromator. The ZnO 0.05 S 0.95 layer, which has variations in the absorption edge wavelength of the band gap due to the mixed crystal composition and size variation, absorbs light and causes a photodissolution reaction, and the surface gradually dissolves in the photodissolving solution. It becomes thinner. For this reason, as the etching proceeds, the absorption edge wavelength shifts to the short wavelength side. Light is irradiated until the absorption edge wavelength of the ZnO 0.05 S 0.95 layer becomes shorter than the wavelength of the irradiation light and the photodissolution reaction stops. Light irradiation is performed for 20 hours, for example.

第4実施例による方法で製造されるIn0.80Ga0.20N/ZnO0.050.95ナノ粒子は、たとえば混晶組成やサイズの分布は存在するが、相互に等しい発光波長をもつナノ粒子である。 In 0.80 Ga 0.20 N / ZnO 0.05 S 0.95 nanoparticles produced by the method according to the fourth embodiment have, for example, mixed crystal composition and size distribution, but have mutually equal emission wavelengths. Nanoparticles with

第4実施例による製造方法で製造されたIn0.80Ga0.20N/ZnO0.050.95ナノ粒子を分散したトルエン溶液の発光スペクトルを、分光光度計を用いて評価した。励起波長365nmを使用して発光スペクトルを観測し、発光スペクトルの半値幅45nmを得た。 The emission spectrum of the toluene solution in which In 0.80 Ga 0.20 N / ZnO 0.05 S 0.95 nanoparticles produced by the production method according to the fourth example was dispersed was evaluated using a spectrophotometer. An emission spectrum was observed using an excitation wavelength of 365 nm, and a half width of 45 nm of the emission spectrum was obtained.

第4実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体(In0.80Ga0.20N/ZnO0.050.95ナノ粒子集合体)においても、第2実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体と同様の効果が奏される。 The quantum dot aggregate (In 0.80 Ga 0.20 N / ZnO 0.05 S 0.95 nanoparticle aggregate) manufactured by the manufacturing method according to the fourth embodiment is also manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment. The same effect as that of the manufactured quantum dot aggregate is exhibited.

図11は、第5実施例による量子ドット集合体の製造方法を示す概略的なフローチャートである。第5実施例で製造される量子ドットは、II−VI族半導体材料3元ZnO1−x(0<x<1)コアをIII−V族半導体材料3元InAl1−wN(0<w<1)シェルで被覆した構造を有する、タイプII型のコアシェル型量子ドット(発光ナノ粒子)である。 FIG. 11 is a schematic flowchart showing a method for manufacturing a quantum dot assembly according to the fifth embodiment. The quantum dots manufactured in the fifth example are II-VI group semiconductor material ternary ZnO x S 1-x (0 <x <1) core with III-V group semiconductor material ternary In w Al 1-w N. (0 <w <1) Type II type core-shell type quantum dots (light emitting nanoparticles) having a structure covered with a shell.

第5実施例においては、まず、ZnO1−xナノ粒子母材を合成する(ステップS501)。次に、ステップS501で合成されたZnO1−xナノ粒子母材に対して、選択的光エッチングを行い(ステップS502)、ZnO1−xコア層を形成する。更に、ステップS502で形成されたZnO1−xコア層上に、InAl1−wN層を析出させる(ステップS503)。そして、ステップS503で析出したInAl1−wN層に対して、選択的光エッチングを行い(ステップS504)、ZnO1−xコア層上に、InAl1−wNシェル層を形成する。第5実施例のステップS501及びステップS503は、第1実施例のステップS101に対応するステップであり、ステップS502及びステップS504は、第1実施例のステップS102に対応するステップである。 In the fifth example, first, a ZnO x S 1-x nanoparticle base material is synthesized (step S501). Next, selective optical etching is performed on the ZnO x S 1-x nanoparticle base material synthesized in step S501 (step S502) to form a ZnO x S 1-x core layer. Further, an In w Al 1-w N layer is deposited on the ZnO x S 1-x core layer formed in step S502 (step S503). Then, selective photo-etching is performed on the In w Al 1-w N layer deposited in step S503 (step S504), and the In w Al 1-w N shell layer is formed on the ZnO x S 1-x core layer. Form. Steps S501 and S503 of the fifth embodiment are steps corresponding to step S101 of the first embodiment, and steps S502 and S504 are steps corresponding to step S102 of the first embodiment.

図12に、第5実施例による製造方法で製造する量子ドットの断面図、及び、バンド構造の目標値を示す。第5実施例では、直径1.0nmのZnO0.750.25コアが、厚さ3.0nmのIn0.67Al0.33Nシェルで被覆された構造を目標とした。 FIG. 12 shows a cross-sectional view of a quantum dot manufactured by the manufacturing method according to the fifth embodiment and a target value of the band structure. In the fifth example, a structure in which a ZnO 0.75 S 0.25 core having a diameter of 1.0 nm was covered with an In 0.67 Al 0.33 N shell having a thickness of 3.0 nm was targeted.

まずZnO0.750.25ナノ粒子母材の合成工程(ステップS501)について説明する。 First, a synthesis step (step S501) of the ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticle base material will be described.

反応容器として石英製のフラスコ(300cc)を準備する。フラスコには取り出し口の他、不活性ガスで置換できるポートと反応前駆体を注入できる専用ポートを取り付ける。フラスコに反応溶媒であるTOPOとHDAを入れ、不活性ガス雰囲気で300℃に加熱、溶解する。たとえば8gのTOPO、4gのHDA、及び、不活性ガスとしてアルゴン(Ar)を用いる。加熱むらが生じないようスターラーで攪拌する。   A quartz flask (300 cc) is prepared as a reaction vessel. In addition to the outlet, the flask is equipped with a port that can be replaced with an inert gas and a dedicated port that can inject the reaction precursor. TOPO and HDA, which are reaction solvents, are placed in a flask and heated to 300 ° C. and dissolved in an inert gas atmosphere. For example, 8 g of TOPO, 4 g of HDA, and argon (Ar) as an inert gas are used. Stir with a stirrer to prevent uneven heating.

次に、反応前駆体として、不活性ガス(たとえばAr)で封入したジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)、酸素でバブリングしたオクチルアミン(C8H17NH2)、及びBis(trimethylsilyl) Sulfide(チオビス)が充填されたシリンジをそれぞれ準備する。ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)が4.0mmol、酸素結合したオクチルアミン(C8H17NH2)が3.0mmol、Bis(trimethylsilyl) Sulfide(チオビス)が1.0mmolとなるように調整する。このような調整により、第5実施例においては、ZnO0.750.25混晶ナノ粒子が合成される。なお、これとはO組成xの異なるZnO1−x混晶ナノ粒子を合成するためには、上記の反応前駆体を構成する材料の比率を適宜変更すればよい。 Next, as reaction precursors, diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) encapsulated with an inert gas (eg Ar), octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) bubbled with oxygen, and Bis (trimethylsilyl) ) Prepare each syringe filled with Sulfide (thiobis). Diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) is 4.0 mmol, oxygen-bonded octylamine (C 8 H 17 NH 2 ) is 3.0 mmol, and Bis (trimethylsilyl) Sulfide (thiobis) is 1.0 mmol. Adjust to. By such adjustment, ZnO 0.75 S 0.25 mixed crystal nanoparticles are synthesized in the fifth example. In addition, in order to synthesize ZnO x S 1-x mixed crystal nanoparticles having a different O composition x, the ratio of the materials constituting the reaction precursor may be appropriately changed.

反応溶媒が反応温度に達したら、反応前駆体をそれぞれのシリンジより素早くフラスコに投入する。反応前駆体の熱分解により、ZnO1−xの核結晶が生成する。このまま放置すると反応前駆体の多くが核形成に費やされてしまい、時間経過とともに様々なサイズの核が生成されるため、反応前駆体を注入した直後に、フラスコの温度を200℃まで急冷する。その後、反応溶媒を240℃まで再加熱し、20分間一定の温度に保ち、ZnO1−xの成長を行う。 When the reaction solvent reaches the reaction temperature, the reaction precursor is quickly put into the flask from each syringe. By the thermal decomposition of the reaction precursor, a core crystal of ZnO x S 1-x is generated. If left as it is, most of the reaction precursor is consumed for nucleation, and nuclei of various sizes are generated with time. Therefore, immediately after the reaction precursor is injected, the temperature of the flask is rapidly cooled to 200 ° C. . Thereafter, the reaction solvent is reheated to 240 ° C., kept at a constant temperature for 20 minutes, and ZnO x S 1-x is grown.

フラスコを100℃まで自然放冷で冷却後、1時間保持する。これによりナノ粒子の表面の安定化を行うことができる。その後、室温まで冷却した反応液に、ナノ粒子の凝集防止のために、凝固防止剤としてブタノールを添加し、10時間保持する。最後に溶媒(TOPO)が溶解する脱水メタノールと、ナノ粒子を分散させるトルエンを交互に用いる遠心分離(4000rpm、10分間)を繰り返して精製する。これにより、不要な原料や溶媒が除去される。   The flask is naturally cooled to 100 ° C. and then held for 1 hour. As a result, the surface of the nanoparticles can be stabilized. Thereafter, butanol is added as a coagulation inhibitor to the reaction solution cooled to room temperature in order to prevent aggregation of the nanoparticles, and is maintained for 10 hours. Finally, it is purified by repeating centrifugation (4000 rpm, 10 minutes) using alternately dehydrated methanol in which the solvent (TOPO) is dissolved and toluene in which nanoparticles are dispersed. Thereby, unnecessary raw materials and solvents are removed.

このようにして、ZnO0.750.25ナノ粒子母材が合成される。しかし、ステップS501で合成されるナノ粒子母材の集合体においては、混晶組成と粒径サイズが粒子ごとにばらつく。 In this way, a ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticle matrix is synthesized. However, in the aggregate of nanoparticle base materials synthesized in step S501, the mixed crystal composition and particle size vary from particle to particle.

このばらつきが存在したまま、InAl1−wNシェル層形成工程(ステップS503)に進むと、ZnO0.750.25ナノ粒子ごとに量子効果が変化してしまい、発光波長のばらつきの原因となる。そこでステップS502において、ZnO0.750.25ナノ粒子全体のバンドギャップを揃えるために選択的光エッチングを行う。 When the process proceeds to the In w Al 1-w N shell layer formation step (step S503) with this variation present, the quantum effect changes for each ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticle, resulting in variations in emission wavelength. Cause. Therefore, in step S502, selective photo-etching is performed in order to make the band gap of the entire ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticles uniform.

ステップS501で合成したZnO0.750.25ナノ粒子母材は、メタノールに分散した状態にある。そこで、メタノールを気化させナノ粒子を濃縮させる。この際、メタノールを完全に気化してしまうとナノ粒子が凝集してしまうため、わずかにメタノールを残すことが好ましい。このメタノールとナノ粒子の溶液に光エッチング液である超純水を加える。25℃に保ち、酸素で5分間のバブリングを行う。 The ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticle base material synthesized in step S501 is in a state of being dispersed in methanol. Therefore, methanol is evaporated and the nanoparticles are concentrated. At this time, if the methanol is completely vaporized, the nanoparticles are aggregated. Therefore, it is preferable to leave the methanol slightly. Ultrapure water, which is a photo-etching solution, is added to the methanol / nanoparticle solution. Maintain at 25 ° C. and bubble with oxygen for 5 minutes.

バブリング後、密閉容器に移し、ZnO0.750.25ナノ粒子の吸収端波長よりも十分短波長の光である、発光波長405nm(3.06eV)、半値幅6nmの光を照射する。光源には水銀ランプを用い、水銀ランプから出射された光をモノクロメーターで分光して使用する。 After bubbling, it is transferred to a closed container and irradiated with light having a light emission wavelength of 405 nm (3.06 eV) and a half-value width of 6 nm, which is light having a wavelength sufficiently shorter than the absorption edge wavelength of ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticles. A mercury lamp is used as the light source, and the light emitted from the mercury lamp is used after being separated by a monochromator.

混晶組成と粒径サイズのばらつきによりバンドギャップの吸収端波長にばらつきがあるZnO0.750.25ナノ粒子は、光を吸収して光溶解反応を生じ、表面が光溶解液に溶解して徐々に径が小さくなる。このため、エッチングが進行するにつれ、吸収端波長が短波長側にシフトする。吸収端波長が照射光の波長より短くなり、光溶解反応が停止するまで光を照射する。光照射は、たとえば20時間行う。 ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticles, which have variations in the absorption edge wavelength of the band gap due to variations in the mixed crystal composition and particle size, absorb light and cause a photodissolution reaction, and the surface dissolves in the photodissolution solution. The diameter gradually decreases. For this reason, as etching progresses, the absorption edge wavelength shifts to the short wavelength side. Light is irradiated until the absorption edge wavelength becomes shorter than the wavelength of irradiation light and the photodissolution reaction stops. Light irradiation is performed for 20 hours, for example.

ステップS502により、たとえば混晶組成やサイズの分布は存在するが、相互に等しい発光波長をもつZnO0.750.25ナノ粒子(ZnO0.750.25コア層)が多数形成される。 By step S502, for example, a large number of ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticles (ZnO 0.75 S 0.25 core layer) having the same emission wavelength are formed although there are mixed crystal composition and size distribution. The

続いて、ZnO0.750.25コア層上にIn0.67Al0.33N層を析出させる工程(ステップS503)について説明する。 Subsequently, the step of depositing an In 0.67 Al 0.33 N layer on the ZnO 0.75 S 0.25 core layer (step S503) will be described.

ステップS502で形成されたZnO0.750.25ナノ粒子(51.7mg、0.6mmol相当)が分散した有機溶媒とともに、アルミニウムの供給源であるヨウ化アルミニウム(80mg、0.20mmol)、インジウムの供給源であるヨウ化インジウム(185mg、0.40mmol)、キャッピング剤であるヘキサデカンチオール(380μl、1.0mmol)とステアリン酸亜鉛(379mg、0.6mol)を、溶媒であるジフェニルエーテル(20ml)の入ったフラスコに投入する。この混合液を225℃まで急速に加熱し、225℃のまま1時間保持する。その後、反応容器を100℃まで自然放冷で冷却し、1時間保持する。これによりナノ粒子の表面の安定化を行うことができる。その後、室温まで冷却した反応液にナノ粒子の凝集防止のために、凝固防止剤としてブタノールを添加し、10時間攪拌する。最後に溶媒(TOPO)が溶解する脱水メタノールと、ナノ粒子を分散させるトルエンを交互に用いた遠心分離(4000rpm、10分間)を繰り返して精製する。これにより、不要な原料や溶媒を除去する。このような手順を経て、ZnO0.750.25コア層上にIn0.67Al0.33Nからなるシェル層が成長したナノ粒子を得る。 Aluminum iodide (80 mg, 0.20 mmol), which is a source of aluminum, together with an organic solvent in which ZnO 0.75 S 0.25 nanoparticles (51.7 mg, corresponding to 0.6 mmol) formed in step S502 are dispersed, Indium iodide (185 mg, 0.40 mmol) as a supply source of indium, hexadecanethiol (380 μl, 1.0 mmol) as a capping agent and zinc stearate (379 mg, 0.6 mol), diphenyl ether (20 ml) as a solvent Into a flask containing. The mixture is rapidly heated to 225 ° C and held at 225 ° C for 1 hour. Thereafter, the reaction vessel is naturally cooled to 100 ° C. and held for 1 hour. As a result, the surface of the nanoparticles can be stabilized. Thereafter, butanol is added as an anticoagulant to the reaction liquid cooled to room temperature to prevent aggregation of the nanoparticles and stirred for 10 hours. Finally, it is purified by repeated centrifugation (4000 rpm, 10 minutes) using alternately dehydrated methanol in which the solvent (TOPO) is dissolved and toluene in which nanoparticles are dispersed. Thereby, unnecessary raw materials and solvents are removed. Through such a procedure, nanoparticles in which a shell layer made of In 0.67 Al 0.33 N is grown on a ZnO 0.75 S 0.25 core layer are obtained.

ステップS503までで、ZnO0.750.25/In0.67Al0.33Nナノ粒子(母材)が合成されるが、In0.67Al0.33N層の混晶組成及び膜厚が、ナノ粒子によってある程度ばらつく。このばらつきが存在するとシェル層のバンド構造がばらついてしまい、ナノ粒子からの発光波長がブロードになるという問題が生じる。そこでステップS504で、ZnO0.750.25/In0.67Al0.33Nナノ粒子のIn0.67Al0.33N層に対する光エッチングを行い、In0.67Al0.33N層の量子効果を均一化させる。 Up to step S503, ZnO 0.75 S 0.25 / In 0.67 Al 0.33 N nanoparticles (base material) are synthesized, and the mixed crystal composition of the In 0.67 Al 0.33 N layer and The film thickness varies to some extent depending on the nanoparticles. If this variation exists, the band structure of the shell layer varies, which causes a problem that the emission wavelength from the nanoparticles becomes broad. Therefore, in step S504, the In 0.67 Al 0.33 N layer of ZnO 0.75 S 0.25 / In 0.67 Al 0.33 N nanoparticles is photoetched to obtain In 0.67 Al 0.33. The quantum effect of the N layer is made uniform.

ステップS503で形成したZnO0.750.25/In0.67Al0.33Nナノ粒子(母材)は、メタノールに分散した状態にある。そこで、メタノールを気化させ、ナノ粒子を濃縮させる。この際、メタノールを完全に気化してしまうとナノ粒子が凝集してしまうため、わずかにメタノールを残し、このメタノールとナノ粒子の溶液に光エッチング液である超純水を加える。25℃に保ち、酸素で5分間のバブリングを行う。 The ZnO 0.75 S 0.25 / In 0.67 Al 0.33 N nanoparticles (base material) formed in step S503 are in a state of being dispersed in methanol. Therefore, methanol is vaporized and the nanoparticles are concentrated. At this time, if the methanol is completely vaporized, the nanoparticles are aggregated. Therefore, a slight amount of methanol is left, and ultrapure water that is a photo-etching solution is added to the methanol and nanoparticle solution. Maintain at 25 ° C. and bubble with oxygen for 5 minutes.

バブリング後、密閉容器に移し、In0.67Al0.33N層の吸収端波長よりも十分短波長の光である、発光波長405nm(3.06eV)、半値幅6nmの光を照射する。光源には水銀ランプを用い、水銀ランプから出射された光をモノクロメーターで分光して使用する。 After bubbling, it is transferred to a sealed container and irradiated with light having an emission wavelength of 405 nm (3.06 eV) and a half-value width of 6 nm, which is light having a wavelength sufficiently shorter than the absorption edge wavelength of the In 0.67 Al 0.33 N layer. A mercury lamp is used as the light source, and the light emitted from the mercury lamp is used after being separated by a monochromator.

混晶組成及び厚さのばらつきにより、バンドギャップの吸収端波長にばらつきがあるIn0.67Al0.33N層は、光を吸収して光溶解反応を生じ、表面が光溶解液に溶解して徐々に薄くなる。このため、エッチングが進行するにつれ、吸収端波長が短波長側にシフトする。吸収端波長が照射光の波長より短くなり、光溶解反応が停止するまで光を照射する。光照射は、たとえば20時間行う。 In 0.67 Al 0.33 N layer, which has a variation in absorption edge wavelength of the band gap due to variations in mixed crystal composition and thickness, absorbs light and causes a photodissolution reaction, and the surface dissolves in the photodissolution solution. And gradually thin. For this reason, as etching progresses, the absorption edge wavelength shifts to the short wavelength side. Light is irradiated until the absorption edge wavelength becomes shorter than the wavelength of irradiation light and the photodissolution reaction stops. Light irradiation is performed for 20 hours, for example.

第5実施例による方法で製造されるZnO0.750.25/In0.67Al0.33Nナノ粒子は、たとえば混晶組成やサイズの分布は存在するが、相互に等しい発光波長をもつナノ粒子である。 The ZnO 0.75 S 0.25 / In 0.67 Al 0.33 N nanoparticles produced by the method according to the fifth embodiment, for example, have a mixed crystal composition and a size distribution, but have the same emission wavelength. Nanoparticles with

第5実施例による製造方法で製造される量子ドット(ZnO0.750.25/In0.67Al0.33Nナノ粒子)の集合体においても、第2実施例による製造方法で製造される量子ドット集合体と同様の効果が奏される。 The assembly of quantum dots (ZnO 0.75 S 0.25 / In 0.67 Al 0.33 N nanoparticles) manufactured by the manufacturing method according to the fifth embodiment is also manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment. The same effect as that of the quantum dot assembly is produced.

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated along the Example, this invention is not restrict | limited to these.

たとえば実施例においては、II−VI族化合物半導体を用いる例として、3元ZnO1−xナノ粒子をあげたが、これに限られない。たとえば、3元素以上からなるA1−x1−y(0≦x≦1、0≦y≦1、A及びBは、Zn及びMgからなる群より選択される元素、C及びDは、O、S、Se、及びTeからなる群より選択される元素)を用いて形成される量子ドットとすることができる。 For example, in the examples, ternary ZnO x S 1-x nanoparticles are given as an example using a II-VI group compound semiconductor, but the present invention is not limited thereto. For example, A x B 1-x C y D 1-y consisting of three or more elements (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A and B are elements selected from the group consisting of Zn and Mg, C And D can be quantum dots formed using an element selected from the group consisting of O, S, Se, and Te.

この量子ドット集合体においては、混晶組成が異なる量子ドットが混在している。たとえば、xが0.05以上異なる量子ドット、またはyが0.05以上異なる量子ドットが混在している。3元素以上の元素で構成される上記A1−x1−y量子ドット集合体においては、組成のばらつきが大きく、x及びyのばらつきを0.05未満とするのは極めて困難であるためである。(仮に、xとyのばらつきが0.05未満であれば、量子ドット集合体の発光スペクトルの半値幅は、たとえば50nm未満となる。)
しかし本願に係るA1−x1−y量子ドット集合体は、量子ドットの混晶組成やサイズのばらつきに由来して幅の広い発光スペクトルをもつものではなく、各量子ドットのバンドギャップはたとえば一定に揃っており、発光スペクトルの半値幅は、たとえば50nm未満に狭帯域化されている。これはたとえば選択的光エッチングを用いて、量子ドット集合体を製造する効果である。
In this quantum dot aggregate, quantum dots having different mixed crystal compositions are mixed. For example, quantum dots having different x by 0.05 or more, or quantum dots having y different by 0.05 or more are mixed. In the above A x B 1-x C y D 1-y quantum dot aggregate composed of three or more elements, the composition variation is large, and the variation of x and y is extremely less than 0.05. This is because it is difficult. (If the variation between x and y is less than 0.05, the half-value width of the emission spectrum of the quantum dot aggregate is, for example, less than 50 nm.)
However, the A x B 1-x C y D 1-y quantum dot assembly according to the present application does not have a wide emission spectrum due to the mixed crystal composition and size variation of the quantum dots. For example, the band gap is uniform, and the half width of the emission spectrum is narrowed to, for example, less than 50 nm. This is an effect of manufacturing a quantum dot assembly using, for example, selective photoetching.

なお量子ドットは、コア/シェル構造をとってもよいし、とらなくてもよい。たとえばコア層とシェル層とが隣接層間バンド間遷移を利用したタイプII型接合となる材料(タイプII型の量子構造を有する材料)で形成されたコア/シェル構造をとり、シェル層が上記A1−x1−yで形成されている量子ドットとしてもよい。コア/シェル構造の場合、量子ドットの集合体には、たとえばシェル層の混晶組成が異なる(xが0.05以上異なる、またはyが0.05以上異なる)量子ドットが混在している。しかし、混晶組成やサイズのばらつきにより、シェル層のエネルギー準位がばらついているものではなく、たとえばシェル層に、選択的光エッチング処理を施して製造する結果、各量子ドットのシェル層のバンドギャップエネルギー(コア層を閉じ込めるシェル層のバンドギャップエネルギー)は、混晶組成の違いによらず均一化され、たとえば一定である。 The quantum dots may take a core / shell structure or may not take. For example, the core layer and the shell layer have a core / shell structure formed of a material (a material having a type II type quantum structure) that becomes a type II type junction using transition between adjacent interlayer bands, and the shell layer is the above A x B 1-x C y D 1-y may be quantum dots are formed of. In the case of the core / shell structure, for example, quantum dot aggregates are mixed with quantum dots having different mixed crystal compositions of the shell layer (x different by 0.05 or more, or y different by 0.05 or more). However, the energy level of the shell layer does not vary due to variations in the mixed crystal composition and size. For example, as a result of manufacturing the shell layer by selective photoetching, the band of the shell layer of each quantum dot The gap energy (band gap energy of the shell layer confining the core layer) is made uniform regardless of the difference in the mixed crystal composition, for example, constant.

また実施例においては、III−V族化合物半導体を用いる例として、3元InGa1−zNナノ粒子や、InAl1−wNナノ粒子をあげたが、これに限られない。たとえば、AlGaInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いて形成される量子ドットとすることができる。 In the examples, ternary In z Ga 1-z N nanoparticles and In w Al 1-w N nanoparticles are given as examples using III-V group compound semiconductors, but are not limited thereto. For example, the quantum dots can be formed using Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1).

この量子ドット集合体においても、混晶組成が異なる量子ドットが混在している。たとえば、少なくともx、y、zのうちの一つが0.05以上異なる量子ドットが混在している。3元素以上の元素で構成される上記AlGaInN量子ドット集合体においては、組成のばらつきが大きく、x、y、及びzのばらつきを0.05未満とするのは極めて困難であるためである。(仮に、x、y、zのばらつきが0.05未満であれば、量子ドット集合体の発光スペクトルの半値幅は、たとえば50nm未満となる。)
しかし本願に係るAlGaInN量子ドット集合体は、量子ドットの混晶組成やサイズのばらつきに由来して幅の広い発光スペクトルをもつものではなく、各量子ドットのバンドギャップはたとえば一定に揃っており、発光スペクトルの半値幅は、たとえば50nm未満に狭帯域化されている。これはたとえば選択的光エッチングを用いて、量子ドット集合体を製造する効果である。
Also in this quantum dot aggregate, quantum dots having different mixed crystal compositions are mixed. For example, at least one of x, y, and z is mixed with quantum dots different by 0.05 or more. In the above Al x Ga y In z N quantum dot assembly composed of three or more elements, the composition variation is large, and it is extremely difficult to make the x, y, and z variations less than 0.05. Because there is. (If the variation of x, y, z is less than 0.05, the half-value width of the emission spectrum of the quantum dot aggregate is, for example, less than 50 nm.)
However, the Al x Ga y In z N quantum dot assembly according to the present application does not have a broad emission spectrum due to the mixed crystal composition and size variation of the quantum dots, and the band gap of each quantum dot is, for example, The half width of the emission spectrum is narrowed to less than 50 nm, for example. This is an effect of manufacturing a quantum dot assembly using, for example, selective photoetching.

なお量子ドットは、コア/シェル構造をとってもよいし、とらなくてもよい。たとえばコア層とシェル層とが隣接層間バンド間遷移を利用したタイプII型接合となる材料(タイプII型の量子構造を有する材料)で形成されたコア/シェル構造をとり、シェル層が上記AlGaInNで形成されている量子ドットとしてもよい。コア/シェル構造の場合、量子ドットの集合体には、たとえばシェル層の混晶組成が異なる(少なくともx、y、zのうちの一つが0.05以上異なる)量子ドットが混在している。しかし、混晶組成やサイズのばらつきにより、シェル層のエネルギー準位がばらついているものではなく、たとえばシェル層に、選択的光エッチング処理を施して製造する結果、各量子ドットのシェル層のバンドギャップエネルギー(コア層を閉じ込めるシェル層のバンドギャップエネルギー)は、混晶組成の違いによらず均一化され、たとえば一定である。 The quantum dots may take a core / shell structure or may not take. For example, the core layer and the shell layer have a core / shell structure formed of a material (a material having a type II type quantum structure) that becomes a type II type junction utilizing transition between adjacent interlayer bands, and the shell layer is the Al layer. it may be x Ga y in z quantum dots are formed of N. In the case of the core / shell structure, for example, quantum dot aggregates are mixed with quantum dots having different mixed crystal compositions of the shell layer (at least one of x, y, and z is different by 0.05 or more). However, the energy level of the shell layer does not vary due to variations in the mixed crystal composition and size. For example, as a result of manufacturing the shell layer by selective photoetching, the band of the shell layer of each quantum dot The gap energy (band gap energy of the shell layer confining the core layer) is made uniform regardless of the difference in the mixed crystal composition, for example, constant.

なお、実施例においては、量子ドットの表面をII−VI族半導体材料、またはIII−V族半導体材料で覆ったコア/シェル構造の量子ドット等について説明したが、コア/シェル構造の量子ドットにおいては、コア層とシェル層とは必ずしも格子整合条件を満たしている必要はない。ただ、結晶性のよい量子ドットを得るためにはそれぞれ格子整合条件を満たすことが好ましい。その整合範囲は格子定数の差が±1.0%以内である。この範囲であればバンドギャップが関与する半導体としての特性にほぼ影響がないが、±1%を超えると、結晶性の低下による特性の低下が顕著になるためである。   In addition, in the Example, although the quantum dot of the core / shell structure etc. which covered the surface of the quantum dot with the II-VI group semiconductor material or the III-V group semiconductor material was demonstrated, in the quantum dot of a core / shell structure However, the core layer and the shell layer do not necessarily satisfy the lattice matching condition. However, in order to obtain quantum dots with good crystallinity, it is preferable that the lattice matching conditions are satisfied. The matching range has a difference in lattice constant within ± 1.0%. If it is within this range, there is almost no effect on the characteristics as a semiconductor in which the band gap is involved, but if it exceeds ± 1%, the characteristics are significantly deteriorated due to the decrease in crystallinity.

また、コア/シェル構造(積層構造)は2層に限らず、3層以上とすることもできる。   Further, the core / shell structure (laminated structure) is not limited to two layers, and may be three or more layers.

更に、量子ドットは、平均粒子サイズがたとえば20nm以下であれば、その形状は特に限定されず、球状、多面体状、平板状などの形状を取ることが可能である。   Further, the shape of the quantum dot is not particularly limited as long as the average particle size is, for example, 20 nm or less, and can take a spherical shape, a polyhedral shape, a flat plate shape, or the like.

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

たとえば狭帯域で発光波長の揃った蛍光体や、特性の揃った太陽電池などを製造することができる。   For example, it is possible to manufacture phosphors having a uniform emission wavelength in a narrow band, solar cells having uniform characteristics, and the like.

S101〜S504 ステップ Steps S101 to S504

Claims (1)

(a)ZnO 1−x から構成され、10nmを超えるサイズを有する、複数の量子ドットを準備する工程であって、組成比xの目標値を0.6とし、バラつきの範囲を0.4〜0.8として、複数の量子ドットを準備する工程と、
(b)前記工程(a)で準備された複数の量子ドットを光エッチングして、該複数の量子ドットの径を小さくすることにより、該複数の量子ドットのバンドギャップエネルギーを均一化する工程と、
を有する量子ドット集合体の製造方法。
(A) A step of preparing a plurality of quantum dots composed of ZnO x S 1-x and having a size exceeding 10 nm, wherein the target value of the composition ratio x is 0.6, and the variation range is 0. 4 to 0.8, a step of preparing a plurality of quantum dots;
(B) photoetching the plurality of quantum dots prepared in the step (a) to reduce the diameter of the plurality of quantum dots, thereby uniformizing the band gap energy of the plurality of quantum dots; ,
The manufacturing method of the quantum dot aggregate | assembly which has.
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