WO2005087654A1 - 量子ドット操作方法および量子ドット生成操作装置 - Google Patents

量子ドット操作方法および量子ドット生成操作装置 Download PDF

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WO2005087654A1
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quantum dot
quantum
quantum dots
dot
laser
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PCT/JP2005/004118
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French (fr)
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Tadashi Itoh
Masaaki Ashida
Hajime Ishihara
Takuya Iida
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Japan Science And Technology Agency
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
    • Y10S438/962—Quantum dots and lines

Definitions

  • the present invention relates to a quantum dot operation method and a quantum dot generation operation device, and more specifically,
  • the present invention relates to a method of operating quantum dots by generating quantum dots, which are preferably semiconductors in superfluid helium, and operating the quantum dots by light, and a quantum dot generation operation device capable of performing the operation method. Things.
  • quantum dots As a typical example of nanomaterials, quantum dots, especially semiconductor quantum dots composed of semiconductors, have been actively studied for their clarification and application (ultra-low threshold laser, quantum chain coupling, etc.). .
  • the MBE method is a method of growing a very thin crystal film corresponding to several atomic layers on a wafer of another semiconductor such as silicon.
  • Quantum dots are expected to be widely applied to computer-related fields such as biotechnology.
  • the particle size of the quantum dot is uniform. Therefore, as a challenge to this application, there is a technology for controlling the size and arrangement of quantum dots, and its development is required.
  • the particle size of a large amount of the generated quantum dots is reduced to the percent order required for optically applying the quantum dots. Less than It is difficult to control the size.
  • the MBE method and the probe microscope are combined, there is an advantage that nanometer-sized quantum dots can be directly generated by operating the probe.
  • this method can target only one dot per probe, and the number of probes that can be used simultaneously is several. Therefore, for example, one screen scan of a probe microscope usually takes about 0.1 second even at the fastest, and even if it is assumed that one dot can be processed in 0.1 second, it is assumed that 10 probes are used at the same time.
  • the amount of dots that can be handled at a time is about 100 dots per second. In other words, it takes an enormous amount of time to control the variation in the particle size of a large number of quantum dots by the method (3). Therefore, the processing efficiency is low.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to reduce the size of semiconductor quantum dots produced in large quantities to a size on the order of percent or less required for optical application. It is an object of the present invention to provide a controllable semiconductor quantum dot operation method and a generation operation device.
  • the inventors of the present application have conducted intensive studies in view of the above-mentioned problems, and as a result, it has been found that, when light resonates, the electronic transition energy of a nanomaterial is three orders of magnitude or four times larger than when light does not resonate.
  • the radiation power is also amplified, and that the individual quantum dots have different quantum mechanical personalities and receive different optical powers, the quantum dots with different quantum mechanical personalities are optically manipulated. Focusing on the fact that the present invention can be performed, the present invention has been completed.
  • the method of operating a quantum dot according to the present invention is characterized in that the quantum dot is operated by irradiating the quantum dot directly generated in superfluid helium with light.
  • the quantum dot is generated by a laser beam / air method in superfluid helium.
  • at least one kind of laser light is used as the light to be applied to the quantum dot.
  • the laser light is used to generate a plurality of peaks of radiation power generated in the quantum dot. Centered on the energy position and have twice the full width at half maximum of their peaks It is more preferable that the laser light has a frequency applied to one or some of the plurality of regions.
  • these laser beams have different frequencies and different Zs or different traveling directions and shapes in the region.
  • the generation of the quantum dots by the laser sputtering method can be repeatedly performed in the superfluid helium.
  • the quantum dot may be a quantum dot smaller in size than the quantum dot generated by repeatedly performing the laser sputtering method on the quantum dot generated by the laser sputtering method.
  • the quantum dots be integrated and / or fixed on a substrate by light applied to the quantum dots.
  • the material of the quantum dot is any one of a metal, a semiconductor, and an organic compound.
  • a semiconductor of Group VII compound can be mentioned, and more specifically, copper halide can be mentioned.
  • a quantum dot generation and operation device that is effective in the present invention includes a housing having an internal space capable of generating and operating a quantum dot, and a quantum dot material material located in the housing.
  • a solid holding section for holding a solid solid; a laser light source for irradiating the solid held by the solid holding section with laser light to generate quantum dots by laser sputtering; and a laser light for generating the quantum dots.
  • a dot operation laser light source for irradiating the quantum dots and operating the quantum dots, and further, the housing is capable of holding lithium in a superfluid in the internal space, You.
  • the light emitted from the dot operation laser light source has a peak of radiant power due to electronic transition of the quantum dot or Mie scattering modulated by the electronic transition. It is preferable that the laser beam has a frequency centered on the energy position and a frequency that is applied to a region having a width twice as large as the full width at half maximum of the peak. Further, the light emitted from the laser light source for dot operation may further stop the sedimentation of the quantum dots that settle in the superfluid helicopter according to gravity due to the radiation force! preferable. In addition, the light emitted from the laser light source for dot operation is provided in the housing. It is preferred to have a substrate on which the manipulated quantum dots are integrated and / or fixed. Note that a helium cryostat can be suitably used as the housing.
  • FIG. 1 is a diagram showing a basic structure of a quantum dot generation and operation device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a quantum dot generation operation device used in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a scanning electron microscope image of a CuCl quantum dot generated and operated by the quantum dot generation and operation device shown in FIG. 2.
  • the method of operating a quantum dot according to the present invention is a method of operating the quantum dot by irradiating light to a quantum dot directly generated in superfluid helium.
  • the “quantum dot” according to the present invention is typically a size of several nanometers to several hundreds of nanometers, and is made of a structure made of a semiconductor, a metal, or an organic compound, and has a quantum mechanical effect. Is not particularly limited as long as it is a system in which is expressed. In an embodiment described later, a semiconductor is used. Semiconductors are suitable, for example, because there is a sharp electronic state in the resonant structure such as an exciter inside, and a large radiant power can be obtained by operating a laser beam with a frequency corresponding to them. Because it is possible.
  • Examples of the semiconductor include, but are not limited to, semiconductors of I-VII compounds; semiconductors of II-VI compounds; semiconductors of III-V compounds; silicon (Si); is not.
  • Examples of the semiconductor of the group I-VII compound include copper compounds (particularly copper halides) such as CuCl, CuBr, and Cul.
  • Examples of the semiconductor of the II-VI group compound include cadmium compounds such as CdS and CdSe, and zinc oxide compounds such as ZnO.
  • III-V compounds The conductor includes a gallium compound such as GaAs.
  • Group I-VII compounds and Group II-VI compounds are preferably used, and Group I-VII compounds can be expected to have a greater effect.
  • a force S that forms an exciton which is an example of a resonance level, by combining electrons and holes, the intrinsic energy of this exciton depends on the size of the quantum dot.
  • quantum dots are generated in superfluid helium.
  • "superfluid helium” is in a very low temperature state of 2K or less, has a very high thermal conductivity, is easy to dissipate heat, and has a very small viscosity.
  • Very small superfluid helium By generating the quantum dots in the superfluid helium, it is possible to avoid the blurring of the resonance caused by the temperature rise in the quantum dots due to the irradiation of light. The resonance is an important factor in the operation of the quantum dot described later, and it is preferable to avoid a temperature rise of the quantum dot in order to cause resonance efficiently.
  • the generated quantum dots can move with little resistance.
  • the quantum dots are generated in superfluid helium, and the method of generating the quantum dots at this time is not particularly limited, but is preferably generated by a laser sputtering method.
  • the laser sputtering method is a sputtering method using laser light, and is a method in which a sample near a solid surface is emitted outside the solid by irradiating a laser to the solid surface.
  • laser light (for convenience, laser light for generating dots) is irradiated on a solid material serving as a material for quantum dots.
  • the solid-state absorption of the irradiated laser light for dot generation causes melting and the like, and quantum dots having various particle diameters are emitted.
  • quantum dots are generated using such a laser sputtering method, a large number of quantum dots can be processed in a short time.
  • the shape and shape of the solid which is the material strength of the quantum dot
  • the size and the like are not particularly limited.
  • a crystalline solid or the like can be used.
  • a material of the quantum dot a semiconductor is preferable as described above. Therefore, as the crystal solid, the crystals of the above-described various conjugates can be mentioned.
  • the generation of the quantum dots by the laser sputtering method is repeatedly performed in the superfluid helium.
  • the solid force can generate a large amount of quantum dots, and the quantum dots that are clearly larger than the desired particle diameter can be irradiated with the snotter laser again.
  • the quantum dot can be further decomposed to generate a quantum dot with a smaller diameter. That is, the size of the quantum dot can be controlled efficiently.
  • the quantum dot having a large particle diameter is not particularly limited, but usually refers to one having an average particle diameter of 100 nm or more.
  • the laser sputtering method as described above is performed in superfluid helium. Since helium is a typical inert gas, even when quantum dots are generated by the above-described laser sputtering method, it is possible to avoid a situation where the surface of the quantum dots is oxidized. This makes it possible to suppress the deterioration of the surface of the quantum dot obtained.
  • the laser light for dot generation is not particularly limited as long as it has a wavelength in a region that can be absorbed by the solid to be irradiated, and depends on the type of solid (ie, the material of the quantum dot).
  • a known laser beam can be appropriately selected.
  • a Q-switch Nd: YAG laser is preferably used.
  • the intensity of the laser light may be high enough to dissolve and decompose the solid, and specifically, for example, an intensity in the range of several hundreds / z J—several hundreds mj. Is preferred. Within this range, solids can be dissolved and decomposed well, and quantum dots can be efficiently generated. For example, when a Q-switch Nd: YAG laser is selected as the laser light for dot generation, the wavelength is converted to a wavelength in a region that can be absorbed by the solid to be irradiated by using harmonic generation, etc. It is only necessary to use one adjusted to a higher harmonic so as to fall within the range.
  • the quantum dots generated as described above have a very wide size distribution. Therefore, If the quantum dots generated as described above are to be applied optically, it is necessary to make the particle diameters of the quantum dots uniform. Therefore, in the operation method according to the present invention, the quantum dots generated as described above are irradiated with light, so that the quantum dots are operated (light-operated) and their sizes are selected. At this time, laser light is used as light to be applied. In addition, for convenience of clarifying the difference from the laser light for dot generation, the laser light for operation is referred to as “dot operation laser light”.
  • the group of the present inventors (1) electronic transition energy of nanomaterials When light resonates with one, the radiant power is three or four orders of magnitude higher than when it does not resonate. (2) Utilizing the fact that individual quantum dots (especially semiconductor quantum dots) have different quantum-mechanical personalities, they take advantage of the different powers received by light, so that quantum dots with different quantum-mechanical personalities can be used. It was theorized that light manipulation was possible. The theory of the above (2) has already been applied for a patent (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-200399 (published on July 15, 2003)). The idea described in (2) above is a unique force that has never existed before. To realize this, ideally, a nanomaterial was placed in free space and a low-temperature environment where the resonance structure was not blurred was ideal.
  • quantum dots are generated directly in an environment of superfluid helium, which is in an extremely low temperature state of 2K or less and has a very high thermal conductivity, and the generated quantum dots are irradiated with light.
  • the quantum dot is operated.
  • the quantum dot can move with little diffusion or resistance. Therefore, according to the present invention, it is possible to perform a material manipulation (control of the size and arrangement of nanoparticles, etc.) on a nano-level by a method which has not existed before.
  • the operation of the quantum dot is performed in the same superfluid helium as the environment in which the quantum dot was generated.
  • the operation of the quantum dots in the superfluid helium it is possible to avoid the blurring of the resonance caused by the temperature rise of the quantum dots caused by light irradiation.
  • the above resonance is an important factor in the operation of the quantum dot by the operating laser light, and It is necessary to avoid the temperature rise of the quantum dot as much as possible in order to cause it significantly.
  • the generated quantum dots can move with little resistance.
  • the optical power can also give power to the quantum dots, and as a result, the quantum dots can be operated.
  • the force applied to the quantum dot by light irradiation is such that the polarization in the quantum dot is caused by the scattering of irradiation light at the quantum dot, the transfer of momentum to the quantum dot through absorption of the irradiation light, and the electric field gradient caused by the irradiation light.
  • the potential energy to be sensed is determined by the degree of one. In general, the greater the induced polarization of the quantum dot due to light irradiation, the greater the applied force. Therefore, in order to operate the quantum dot by light irradiation, it is necessary to increase the induced polarization by light irradiation and increase the force applied to the quantum dot.
  • the magnitude of the induced polarization of the quantum dot due to light irradiation depends on the size and the dielectric constant of the quantum dot. As the object size and the dielectric constant increase, the induced polarization also increases. , The electric field gradient becomes stronger, and the induced polarization also increases. As a result, the force applied to the quantum dot increases.
  • the electronic energy level unique to the substance is increased.
  • Light having energy corresponding to the energy difference is condensed and irradiated on the quantum dots.
  • the above-mentioned electronic energy level refers to a quantum mechanical energy level of electrons contained in the quantum dot as described above, and in the quantum dot, this energy level is discretized. That is, light that resonates with an electronic energy level (hereinafter referred to as “resonant light”) is centered on the energy position of the peak of the radiation force generated by the resonance effect and is within twice the full width at half maximum of the peak.
  • Laser light having a frequency that is applied to a region having a width of The peak of the radiant power is not particularly limited, but includes a peak of the radiant power due to the electronic transition, a peak of the radiant power due to the Mie scattering modulated by the electronic transition, and a peak due to the Mie scattering.
  • the resonance light When the resonance light is incident on the quantum dot, it resonates with the energy difference between the electronic energy levels of the quantum dot, and the induced polarization of the quantum dot increases.
  • the interaction between light and quantum dots increases as the induced polarization of the quantum dots increases.Therefore, the induced polarization of the quantum dots increases due to the incidence of resonance light, and the interaction between the light and the quantum dots increases. The mechanical interaction increases. Therefore, strong light scattering and strong light absorption at the quantum dot occur, whereby a force is efficiently applied to the quantum dot from the resonance light.
  • the interaction between the quantum dot and the light becomes stronger.
  • the force acting on the quantum dots can be increased.
  • the quantum dots can be operated using the optical operation technology based on resonance light.
  • the wavelength of the radiated resonance light may be determined according to the literature (if the material of the quantum dots is known).
  • the transition energy also changes, so If the material, size, shape, internal structure, etc. of the quantum dot to be manipulated are unknown, the energy difference between the electronic energy levels of the quantum dot, Preferably, the internal structure and the like are determined, and the wavelength of the resonance light is determined based on the measurement results.
  • the irradiated resonance light is narrowed down to about the wavelength size and then introduced into the quantum dot, and the line width of the spectral line of the resonance light is adjusted so as to resonate with the electronic energy level of the operated quantum dot.
  • the line width of the spectral line of the resonance light is adjusted so as to resonate with the electronic energy level of the operated quantum dot.
  • a blue-violet semiconductor laser device with a wavelength of 385 ⁇ lnm, an output of 3 mW, and a line width of 0.05 nm, or twice as large as a Ti Sapphire laser with a wavelength of 360-420 nm, an output of 110 mW, and a line width of 110 nm, Harmonics can be used.
  • the above-mentioned resonance phenomenon of light is a resonance phenomenon with respect to an electronic energy level inherent to the quantum dot
  • the electron of the quantum dot (Resonant light) having energy corresponding to the energy difference between the physical energy levels may be applied.
  • the interaction between the quantum dot and light is weak, and if the resonance phenomenon is not used, the optical power and the force exerted on the quantum dot can be reduced even if the nano-sized quantum dot has a very small force. Operation of quantum dots by irradiation becomes possible.
  • the size of such a quantum dot is not particularly limited as long as it has an electronic energy level, but the power of the resonance due to the resonance of light with respect to the electronic energy level is not limited. It is preferable that the enhancing effect is remarkably exhibited. More specifically, the particle size of the quantum dots is preferably on the order of nanometers, more preferably 100 nm or less. The reason is that for a quantum dot with a radius of less than 100 nm, the magnitude of the force acting on the quantum dot when there is a light resonance phenomenon is determined by the magnitude of the force acting on the quantum dot when there is no light resonance phenomenon. This is because it can be increased to about 2 to 10 5 .
  • a quantum dot having no energy difference between electronic energy levels corresponding to the energy of irradiated light (referred to as a non-resonant quantum dot for convenience) is a light resonance phenomenon caused by light irradiation. In this case, the force acting on the non-resonant quantum dots is not increased.
  • the resonance phenomenon of light with respect to the electronic energy level specific to the quantum dot to be operated is used, it is possible to selectively operate only the resonance quantum dot.
  • the electronic energy level of the quantum dot shifts due to the quantum effect, and the frequency of the resonance light changes very sensitively. That is, even if the quantum dots are of the same material, at least one of the quantum dots differs in size, shape, and internal structure, so that the frequency of the resonance light differs. By using this property, it is possible to select quantum dots of the same material, different in at least one of size, shape, and internal structure, on the order of lnm by changing the frequency of the resonance light. .
  • quantum dots are integrated on a substrate.
  • the generated and manipulated quantum dots can be taken out of the operating environment (specifically, in superfluid helium) together with the substrate.
  • By fixing the quantum dots on the substrate it is possible to take out the operating environment power together with the substrate, similarly to the case where the quantum dots are integrated.
  • the quantum dots can be arranged on the substrate. Therefore, it is possible to manufacture an optical element such as a photonic crystal having quantum dots having a nano-size and having substantially the same size, shape, and internal structure. In addition, it becomes possible to efficiently operate quantum dots, which are composed of biomolecules and organic compounds.
  • the “substantially the same” means that the size, shape, and internal structure are the same to such an extent that the quantum dots can be operated by the irradiated light.
  • the size, shape, and internal structure of quantum dots having an electronic energy level at which irradiated light resonates are considered to be substantially the same.
  • the force acting on the quantum dots by light irradiation is amplified as the interaction with light becomes stronger. Therefore, if the crystal of the resonance quantum dot is not clean, the resonance effect is weakened and the force acting on the resonance quantum dot is weakened, so that only the high-quality resonance quantum dot whose crystal is clean is selectively operated. It becomes possible.
  • the line width of the electronic energy level of the quantum dot can be made very narrow.
  • the line width of the electronic energy level of the quantum dot is the width of one energy state itself of the quantum dot.
  • the line width of the electronic state is affected by the quantum dot and the ambient temperature. In other words, when the temperature is high, the atoms in the quantum dot and the surrounding atoms are moving intensely, and the electrons in the quantum dot are affected by the movement, and the energy level of the quantum dot is broadened. And the peak value decreases because the integrated intensity is constant.
  • the energy level of the quantum dot can be narrowed and the peak value can be enhanced by keeping the quantum dot in a cryogenic state (about 2K) even under laser light irradiation. Therefore, by making the line width of the electron energy level very narrow, it becomes possible to clarify the presence or absence of resonance.
  • the quantum dot is irradiated with light corresponding to the energy difference between the electronic energy levels, so that the irradiated light resonates with the electronic energy level of the quantum dot.
  • the quantum dot resonates with the electronic energy level of the quantum dot by being irradiated with the above light, Mechanical interaction between the particles and quantum dots can be enhanced.
  • the force exerted on the quantum dots by the laser light is enhanced, and the quantum dots can be easily manipulated by the resonance light irradiation.
  • the force acting on the quantum dot can be amplified and operated by utilizing the resonance phenomenon of a laser beam in a wavelength region which is generally used, by irradiating light with low intensity, Quantum dots can be manipulated. Therefore, the quantum dots can be manipulated by the wavelength of the laser light that is usually used, and the nano-sized quantum dots, which have been considered difficult, can be manipulated by light irradiation.
  • the intensity of the laser light for dot operation is set to a value that does not cause the quantum dots to be destroyed by irradiation.
  • the quantum dot generation operation device includes a housing having an internal space capable of generating and operating a quantum dot, and a material located in the housing and made of a quantum dot material.
  • the solid holding part that holds the solid, the laser light source for irradiating the solid held by the solid holding part with laser light to generate quantum dots by laser sputtering, and the generated quantum dots A laser light source for irradiating a laser beam and operating the quantum dots; and a laser light source for operating the quantum dots, wherein the housing is capable of holding superfluid helium in the internal space. ! /
  • the quantum dot generation operation device having the above-described configuration, the generation and operation of quantum dots are performed in superfluid helium that is in a very low temperature state of 2K or less and has a very high thermal conductivity. It becomes possible. That is, the quantum dot generation operation device can avoid blurring of resonance due to a temperature rise of the quantum dot. In addition, since it is in a superfluid state, quantum dots can be operated with little resistance.
  • the light emitted from the dot operation laser light source is a laser beam that resonates with the electronic energy level of the quantum dot.
  • the emitted light resonates with the electronic energy level of the quantum dot, so that the above-described light is emitted even if the quantum dot has a weak mechanical interaction with the light if the resonance phenomenon is not used.
  • the irradiation resonates with the electronic energy level of the quantum dot, and enhances the mechanical interaction between light and the quantum dot.
  • the laser light power is also increased to the power exerted on the quantum dots, and the quantum dots can be easily manipulated by irradiating the resonance light.
  • quantum dots can be manipulated by irradiating light with low intensity. Therefore, the quantum dots can be operated by the wavelength of the laser light that is generally used, and the quantum dot generation operation device that can operate the nano-sized quantum dots by light irradiation, which has been difficult in the past, can be operated. Can be provided.
  • the light emitted from the laser light source for dot operation further controls the movement of the quantum dots by its radiant power so that sedimentation can be stopped, speed can be reduced, and “capture and transport” can be performed. Become! / /.
  • the quantum dot generation operation device can select only the quantum dots that resonate with the radiation power of the dot operation laser light.
  • the material of the quantum dot is the same, at least one of the size, the shape, and the internal structure is different, so that the quantum dot changes by the electronic energy level force quantum effect. Therefore, the energy difference between the electronic energy levels of the quantum dots changes, and by irradiating light that resonates with the electronic energy level of a specific quantum dot, at least one of the size, shape, and internal structure is changed. From among a plurality of different types of quantum dots, it is possible to select and operate only specific quantum dots having substantially the same size, shape, and internal structure. In addition, by using the quantum dot generation operation device, it is possible to select and operate quantum dots having different sizes and shapes in Im order.
  • a substrate for accumulating and / or fixing quantum dots operated by light emitted from the dot operating laser light source be provided in the housing.
  • the quantum dots selected using the laser light for dot operation can be taken out of the housing together with the substrate.
  • the material (material) of the substrate can be selected according to the binding force of the quantum dot. In other words, when the quantum dots are separated from the substrate after they are taken out from the housing, it is sufficient to select a substrate material with a low binding force.
  • the quantum dots are integrated on the substrate and Z or fixed.
  • a substrate material having a strong bonding force may be selected.
  • semiconductors such as Si and GaAs
  • metals, organic compounds, and insulators such as glass and sapphire can be used.
  • FIG. 1 shows an outline of a quantum dot generation operation device 1 according to the present embodiment.
  • the quantum dot generation operation device 1 includes a housing 2, a solid holding unit (not shown) that holds a solid 3, a laser light source 4 for generating dots, a laser light source 5 for operating dots, and a substrate 8, Further, the housing 2 holds the superfluid helium 7 in the internal space.
  • the laser light 4a for dot generation emitted from the laser light source 4 for dot generation enters the housing 2 and illuminates the solid 3 held by the solid holding part in the superfluid helium 7. Fired.
  • the solid 3 is formed into particles by the laser sputtering method using the above-described laser light 4a for generating dots, and quantum dots 6 are generated.
  • the dot operation laser light 5a emitted from the dot operation laser light source 5 has a wavelength at which the quantum dots 6 generated by the laser sputtering method resonate as described above.
  • the quantum dot 6 is optically operated by irradiating the quantum dot 6 with the laser light 5a for dot operation.
  • the dot operating laser beam 5a stops the sedimentation of the quantum dots 6 that settle in the superfluid helium 7 by gravity due to the radiation force. That is, from the plurality of quantum dots 6 generated by the laser sputtering method and settling according to the gravity, only the quantum dots 6 that resonate with the dot operating laser beam 5a can stop the settling.
  • the dot operation laser beam 5a can accumulate and Z or fix the quantum dots 6 whose sedimentation has stopped on the substrate 8 provided in the housing 2.
  • the substrate 8 is configured to be able to be taken out of the case 2, whereby only specific quantum dots 6 that resonate with the dot operating laser beam 5 a can be taken out of the case 2.
  • the quantum dot generation operation device 1 in the present embodiment generates the quantum dots 6 by the laser sputtering method, and the generated quantum dots 6 are released into the superfluid helium. Sediment in flowing helium 7 according to gravity. Further, in order to select a specific quantum dot 6 from among the plurality of quantum dots 6 that settle, the specific quantum dot 6 is irradiated with a laser beam 4a for generating dots that resonates with the specific quantum dot 6, and the specific quantum dot 6 that settles is settled. Is stopped by the radiation force of the laser light 5a for dot operation.
  • the laser light source 4 for generating dots is used to generate the quantum dots generated by the laser light 4a for generating dots so that the quantum dots can settle in the housing 2 according to gravity. It is preferable that the laser beam 4a is arranged at a position in the housing 2 where the laser beam 4a can be incident on the upper part in the direction of gravity.
  • the laser light source 5 for dot operation is provided with the housing 2 so that the laser light 5a for dot operation can stop the sedimentation of a specific quantum dot among the quantum dots that sediment according to gravity. However, it is preferable to be configured so as to be able to enter the lower part against the direction of gravity.
  • the laser light source 5 for dot operation is provided on the same surface as the surface on which the laser light source 4 for dot generation is provided in the housing 2, and the laser light source 5a for dot operation is provided.
  • the light is incident on the housing 2 to stop the sedimentation of specific quantum dots from below against the direction of gravity.
  • a laser light source for dot operation may be provided as in dot generation operation device 1 '(Fig. 2).
  • the dot operating laser beam 5a is centered on the energy position of the radiant power peak due to electronic transition of the quantum dot or Mie scattering modulated by the electronic transition as described above.
  • Resonant light having a frequency that is strong in a region having twice the full width at half maximum of the peak.
  • the above-mentioned dot operating laser beam 5a it resonates with the electronic energy level of the quantum dot 6, and the mechanical interaction between the light and the quantum dot 6 can be enhanced.
  • the force exerted on the quantum dots 6 from the dot operating laser beam 5a is enhanced, and the quantum dots 6 can be easily operated by irradiation.
  • the quantum dots generated and optically operated using the above-mentioned quantum dot generation and operation device are in the intensity shading (optical lattice) created by interfering the laser light for dot operation into two light beams and causing interference.
  • the quantum dots By arranging the quantum dots, combining multiple different light sources, and moving the arranged quantum dots while maintaining the array, and combining multiple light sources with different frequencies and polarizations, the multiple It is also possible to sort quantum dots using attributes (such as multiple resonance energies / chirality) simultaneously
  • the quantum dots 6, whose sedimentation has been stopped by the dot operation laser light 5 a are collected on the substrate 8 provided in the housing 2 by the dot operation laser light 5 a and Z Or fix it. Therefore, the substrate 8 is arranged on the optical path of the dot operating laser beam 5a that enters the lower portion against the direction of gravity.
  • the present invention is not limited to this, and the quantum dots 6 whose sedimentation has been stopped by the dot operating laser beam 5a may be integrated on the substrate 8 using another light source and Z or fixed.
  • the arrangement position of the substrate 8 is not limited to the above arrangement, and the degree of freedom of installation is increased.
  • quantum dots on the order of nanometers can be generated, and the size and arrangement of the quantum dots can be well controlled. Therefore, the present invention can be widely applied to nanotechnology.
  • the present invention can be used for a quantum computer.
  • a quantum computer In order to realize a quantum computer, it is necessary to produce quantum dots of less than 100 nm and to precisely control the arrangement and size.
  • the size and arrangement of quantum dots can be controlled well, so that the use of the present invention is expected to advance the technology for practical use of quantum computers.
  • a complex organic compound or biomolecule solid is used as a material for quantum dots, It can be used for their separation analysis.
  • the development of materials for micromachines and nanomachines and the radiant power of resonant light can be supplied as driving force for micromachines and nanomachines.
  • the size obtained by the present invention as a material for a quantum dot laser which had not been able to achieve constriction because of a large non-uniform distribution of the particle size, and the effect was not as improved as theoretical prediction.
  • quantum dots having the same characteristics a laser having a very narrow line width and high oscillation efficiency can be realized.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the quantum dot generation operation device 1 ′ used in the present embodiment, and the quantum dot generation operation device 1 ′ has the dot operation laser beam 5 a ′ shown in FIG.
  • the dot operation laser light source 5 is arranged on the side surface of the housing 2 so as to be able to be incident perpendicularly to the dot generation laser light 4a.
  • the substrate 8 is provided on the optical path of a dot operation laser beam 5a 'provided to be perpendicular to the dot generation laser beam 4a.
  • a helium cryostat (4 ⁇ 4 ⁇ 4 cm 3 ) filled with superfluid helium was used.
  • CuCl was used.
  • a Q-switch Nd: YAG laser Quantanta Ray GCR, manufactured by Spectra 'Physics
  • the intensity was adjusted to lOnJ.
  • the laser light source 5 for dot operation the second harmonic (wavelength 360-430 nm, output 30 mW, line width 0.3 eV) of Ti Sapphire laser (Spectra's Physics Co., Ltd., femtosecond titanium sapphire laser Tunami 3941—P5LC) is used.
  • FIG. 3 shows a scanning electron microscope image of a CuCl quantum dot generated and operated by using the quantum dot generation operation device 1 ′.
  • Fig. 3 shows dot manipulation in superfluid helium.
  • the CuCl quantum dots fixed to the substrate 8 were observed by a scanning electron microscope, operated by the working laser beam 5a '.
  • the quantum dots are manipulated by directly generating the quantum dots with superfluid helium and irradiating the generated quantum dots with light.
  • the operation is performed in a low-temperature environment such as in superfluid helium, it is possible to avoid blurring of resonance due to a temperature rise of the quantum dots.
  • the quantum dots of interest can move with little diffusion or resistance.
  • the quantum dot generation and operation device generates quantum dots with a generation laser beam in a housing capable of holding superfluid helium in the internal space,
  • the quantum dots are operated by laser light. This makes it possible to produce and manipulate quantum dots in superfluid helium, which is in a cryogenic state below 2K and has very high thermal conductivity.

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Abstract

　多量に生成した量子ドットを、光学的に応用する場合に要求されるパーセントオーダー以下のサイズで制御できる量子ドットの操作方法および生成操作装置を提供する。 　内部に超流動ヘリウム（７）を備えた量子ドット生成操作装置（１）内にて、固体（３）にドット生成用レーザー光（４ａ）を照射して量子ドットを生成し、生成された上記量子ドットにドット操作用レーザー光（５ａ）を照射して当該量子ドットを操作する。

Description

明 細 書
量子ドット操作方法および量子ドット生成操作装置
技術分野
[0001] 本発明は、量子ドット操作方法および量子ドット生成操作装置に関し、より詳細には
、超流動ヘリウム中にて好ましくは半導体力 なる量子ドットを生成させ、光による量 子ドットの操作を行う量子ドット操作方法と、この操作方法を行うことが可能な量子ドッ ト生成操作装置とに関するものである。
背景技術
[0002] ナノ物質の典型例として、量子ドット、特に半導体からなる半導体量子ドットが示す 特異な物性について、その解明および応用（超低閾値レーザー、量子鏈れ合いなど )が盛んに研究されている。
[0003] 量子ドットの代表的な生成方法としては、（1)化学反応時に自然に粒子を形成する 方法や、（2) MBE法が用いられている。 MBE法とは、シリコンなど別の半導体のゥ ェハに原子数層分に相当するごく薄い結晶膜として成長させる方法である。
[0004] 量子ドットは、コンピュータ関連力 バイオテクノロジー分野まで幅広くその応用が 期待できるものである。量子ドットを上述したような分野に応用しょうとする場合、量子 ドットの粒子径は均一であることが好ましい。そこで、この応用化への課題となるものと して、量子ドットのサイズや配列を制御する技術が挙げられ、その開発が求められて いる。
[0005] ところで、生成した量子ドットのサイズや配列を制御する技術としては、上述した方 法によって作製された量子ドットを、 (3) MBE法とプローブ顕微鏡とを組み合わせる ことによって制御する方法が知られている（Fujitsu corp.: Proceeding of International し onference on the Physics of Semiconductors 200 参照)。
[0006] し力しながら、上記従来の技術では、生成した多量の量子ドットを効率的に操作す ることが困難となっている。
[0007] 具体的には、まず、上述した（1)や（2)の方法では、生成された多量の量子ドットの 粒子径を、量子ドットを光学的に応用する場合に要求されるパーセントオーダー以下 のサイズに制御することが困難である。
[0008] また、上記（3)の方法では、上記 MBE法とプローブ顕微鏡とを組み合わせて 、る ので、プローブの操作で、ナノメートルサイズの量子ドットを直接生成できるという利 点がある。ところが、この方法ではプローブ 1個当たりに 1個のドットしか対象とすること が出来ず、また、同時に使用することができるプローブの数は数個である。そのため、 例えば、通常プローブ顕微鏡の一画面走査は最速のものでも 0. 1秒程度かかり、 0. 1秒で 1個のドットを処理できるとして、 10個のプローブを同時に使用したと仮定して も、一度に扱えるドットの量は、 1秒間に 100個程度となる。すなわち、上記（3)の方 法によって多量の量子ドットの粒子径のばらつきを制御しょうとすると、膨大な時間を 必要とする。したがって、その処理効率は低いものとなる。
[0009] 本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多量に生成し た半導体量子ドットを、光学的に応用する場合に要求されるパーセントオーダー以下 のサイズで制御できる半導体量子ドットの操作方法および生成操作装置を提供する ことにある。
発明の開示
[0010] 本願発明者らは、上記の問題点に鑑みて鋭意検討した結果、ナノ物質の電子的遷 移エネルギーに、光が共鳴した場合には、共鳴しない場合に比して 3桁または 4桁も 輻射力が増幅されるということ、さらに、個々の量子ドットが異なる量子力学的な個性 を有するために光力 受ける力が異なることを利用し、量子力学的個性の異なる量子 ドットを光操作することが可能であることに着目し、本発明を完成させるに至った。
[0011] すなわち、本発明にかかる量子ドット操作方法は、超流動ヘリウム中にて直接生成 した量子ドットに光を照射することにより、当該量子ドットを操作することを特徴として いる。
[0012] 上記量子ドット操作方法においては、上記量子ドットが、超流動ヘリウム中にて、レ 一ザースノ ¾ /タ法によって生成したものであることが好ましい。また、上記量子ドットに 照射される光として、少なくとも 1種類のレーザー光が用いられることが好ましぐさら に、当該レーザー光は、量子ドットに生じる輻射力の複数あるピークの、それぞれの ピークのエネルギー位置を中心とし、それらのピークの半値全幅の 2倍の幅を有する 複数の領域の 1つ、あるいはいくつかにかかる周波数を有するレーザー光であること 力 り好ましい。また、複数の種類のレーザー光を用いる場合、これらのレーザー光 は、上記領域にかかる、互いに異なる周波数および Zまたは互いに異なる進行方向 や形状を有することが好ましい。なお、レーザースパッタ法による量子ドットの生成が 上記超流動ヘリウム中にて繰り返し行うことができることが好ましい。また、上記量子ド ットは、レーザースパッタ法によって生成した量子ドットに対してレーザースパッタ法を 繰り返し行うことによって生成された、当該量子ドットよりも小さいサイズの量子ドットで あってもよい。
[0013] 上記量子ドット操作方法においては、上記量子ドットに照射される光によって、当該 量子ドットを基板上に集積および/または固着させることが好ましい。
[0014] 上記量子ドット操作方法にお!ヽては、上記量子ドットの材料が、金属、半導体、有 機化合物の何れかであることが好ましい。具体的には、例えば、上記半導体としては 、ト VII族化合物の半導体を挙げることができ、より具体的には、ハロゲン化銅を挙げ ることがでさる。
[0015] 本発明に力かる量子ドット生成操作装置は、量子ドットを生成させ、かつ、操作する ことを可能とする内部空間を有する筐体と、当該筐体内に位置し、量子ドットの材料 カゝらなる固体を保持する固体保持部と、固体保持部に保持される固体にレーザー光 を照射し、レーザースパッタ法によって量子ドットを生成させるドット生成用レーザー 光源と、生成した量子ドットにレーザー光を照射し、当該量子ドットを操作するドット操 作用レーザー光源とを備えており、さらに、上記筐体は、内部空間内で超流動へリウ ムを保持可能となって 、ることを特徴として 、る。
[0016] 上記量子ドット生成操作装置においては、上記ドット操作用レーザー光源が発する 光は、量子ドットの電子的遷移や、電子的遷移により変調を受けた Mie散乱などによ る輻射力のピークのエネルギー位置を中心とし、そのピークの半値全幅の 2倍の幅を 有する領域に力かる周波数を有するレーザー光であることが好ましい。また、上記ドッ ト操作用レーザー光源が発する光は、さらに、その輻射力によって、上記超流動ヘリ ゥム中を重力に従って沈降する量子ドットの沈降を停止させるようになって!/、ることが 好ましい。また、上記筐体内に、上記ドット操作用レーザー光源が発する光によって 操作された量子ドットを集積および/または固着させる基板を備えていることが好ま しい。なお、上記筐体としては、ヘリウムクライオスタツトを好適に用いることができる。
[0017] 本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十 分わ力るであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白にな るであろう。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]本発明に係る量子ドットの生成操作装置の基本構造を示した図である。
[図 2]本実施例で用いた量子ドット生成操作装置の構成を示す透視図である。
[図 3]図 2に示した量子ドットの生成操作装置によって生成され、操作された CuCl量 子ドットの走査型電子顕微鏡像である。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 本発明の一実施形態について図 1に基づいて説明する。なお、本発明はこれに限 定されるものではない。
[0020] (I)本発明にかかる量子ドット操作方法
本発明にかかる量子ドット操作方法は、超流動ヘリウム中にて直接生成した量子ド ットに光を照射することにより、当該量子ドットを操作する方法である。
[0021] <量子ドット >
本発明に係る「量子ドット」とは、典型的には数ナノメートルカゝら数百ナノメートルの サイズで、材質としては、半導体、金属、有機化合物から成る構造体で、量子力学的 な効果が発現する系であれば特に限定されるものではない。後述する実施の形態で は、半導体を用いている。半導体が好適である理由としては、例えば、その内部に励 起子などの共鳴構造の鋭い電子状態が存在し、それらに対応する周波数のレーザ 一光を操作することで、大きな輻射力が得られると考えられるからである。
[0022] 上記半導体としては、例えば、 I-VII族化合物の半導体; II-VI族化合物の半導体； III-V族化合物の半導体;ケィ素（Si)；等が挙げられるが特に限定されるものではな い。 I-VII族化合物の半導体としては、例えば、 CuCl、 CuBr、 Cul等の銅化合物（特 にハロゲン化銅）が挙げられる。 II-VI族化合物の半導体としては、例えば、 CdS、 Cd Se等のカドミウム化合物、 ZnO等の亜鉛ィ匕合物が挙げられる。 III-V族化合物の半 導体としては、 GaAs等のガリウム化合物が挙げられる。
[0023] これら化合物の中でも、 I-VII族化合物および II-VI族化合物が好ましく用いられ、 I -VII族化合物がより大きな効果が期待できる。一般に、半導体は、電子と正孔が結合 して共鳴準位の一例である励起子を構成する力 S、この励起子の固有エネルギーは量 子ドットのサイズに依存する。この効果を利用して、あるサイズの量子ドットに共鳴する 波長のレーザー光を選択すれば、当該サイズの量子ドットのみを選択することができ る。
[0024] <量子ドットの生成 >
本発明にかかる操作方法では、量子ドットを超流動ヘリウム中で生成させる。このと き、「超流動ヘリウム」とは、 2K以下の極低温状態にあると共に熱伝導率も非常に高 く熱が散逸しやすいだけでなぐ粘性が非常に小さいため拡散の効果や粘性抵抗が 非常に小さい超流動状態のへリウムを指す。上記超流動ヘリウム中にて量子ドットの 生成を行うことにより、光が照射されることによって量子ドットに生じる温度上昇に伴う 共鳴のぼけを回避することができる。上記共鳴は、後述する量子ドット操作における 重要な因子であり、共鳴を効率よく引き起こすために量子ドットの温度上昇は避ける ことが好ましい。さらに、「超流動ヘリウム」は超流動状態であるため、生成された量子 ドットはほとんど抵抗を受けることなく運動することができる。
[0025] 上記量子ドットは、超流動ヘリウム中にて生成されるものであり、このときの量子ドッ トの生成方法は特に限定されるものではないが、レーザースパッタ法によって生成す ることが好ましい。レーザースパッタ法とは、レーザー光を用いたスパッタリング法のこ とであり、レーザーを固体表面に照射することによって固体表面近傍の試料を固体 外に放出させる方法である。
[0026] 本発明では、量子ドットの材料となる固体に対してレーザー光 (便宜上、ドット生成 用レーザー光)を照射する。これにより、照射されるドット生成用レーザー光を固体が 吸収することによって融解などを引き起こして様々な粒子径の量子ドットが放出される 。このようなレーザースパッタ法を用いて量子ドットを生成すると、短時間で多量の量 子ドットを処理することが可能となる。
[0027] ここで、上記固体としては、量子ドットの材料力 なる固体であればよぐその形状や サイズ等は特に限定されるものではない。好ましくは、結晶固体等を挙げることができ る。上記量子ドットの材料としては、前述したように半導体が好ましいため、この結晶 固体としても、上述した各種ィ匕合物の結晶が挙げられる。
[0028] また、本発明では、レーザースパッタ法による量子ドットの生成が上記超流動へリウ ム中にて繰り返し行われることが好ましい。これにより、固体力も量子ドットを多量に生 成できることに加え、所望の粒子径よりも明らかに大きな量子ドットに対して、再度ス ノ ッタレーザーを照射することができる。その結果、当該量子ドットをさらに分解して、 径のより小さな量子ドットを生成することができる。すなわち、量子ドットのサイズを効 率的に制御することが可能となる。ここで粒子径の大きい量子ドットとは、特に限定さ れるものではないが、通常は、平均粒子径が lOOnm以上のものを指す。
[0029] また本発明では、上述したようなレーザースパッタ法を、超流動ヘリウム中にて行つ ている。ヘリウムは典型的な不活性ガスであるため、上記レーザースパッタ法により量 子ドットが生成した直後であっても、当該量子ドット表面が酸ィ匕するなどの状況を回 避することができる。これにより得られる量子ドットの表面の劣化を抑制することが可 能となる。
[0030] 上記ドット生成用レーザー光としては、照射対象となる固体が吸収可能な領域の波 長を有するレーザーであれば特に限定されるものではなぐ固体の種類 (すなわち量 子ドットの材料）により公知のレーザー光を適宜選択することができる。例えば、 Qスィ ツチ Nd:YAGレーザー等が好適に用いられる。
[0031] また、レーザー光の強度としては、固体が溶解し、分解する程度に高い強度であれ ばよいが、具体的には、例えば、数百/ z J—数百 mjの範囲内の強度が好ましい。この 範囲内であれば、固体を良好に溶解 '分解させることができ、量子ドットを効率的に生 成させることができる。例えば、ドット生成用レーザー光として、 Qスィッチ Nd:YAGレ 一ザ一を選択した場合には、照射対象の固体が吸収可能な領域の波長に高調波発 生等を用いて変換し、上記強度の範囲内となるように高調波に調整したものを用い ればよい。
[0032] <量子ドットの操作 >
上記のようにして生成した量子ドットは、サイズ分布が非常に広い。そのため、上述 したように生成された量子ドットを光学的に応用しょうとする場合は、量子ドットの粒子 径を揃える必要がある。そこで、本発明にかかる操作方法では、上記のように生成し た量子ドットに光を照射することにより、当該量子ドットを操作し (光操作し)、サイズを 選別する。このとき照射される光としては、レーザー光が用いられる。なお、上記ドット 生成用レーザー光との違いを明確にする便宜上、操作用のレーザー光を「ドット操作 用レーザー光」と称する。
[0033] これまで、量子ドットを光操作する場合には、十分な力を得ることが極めて困難と考 えられていた。そのため、このような光操作によるナノレベルでの物質操作に関して は、実験はおろか理論的な提案もほとんど行われてこな力つた。
[0034] し力しながら、本発明者らのグループによって（1)ナノ物質の電子的遷移エネルギ 一に光が共鳴した場合には、共鳴しない場合と比して輻射力が 3, 4桁の増強される こと（2)個々の量子ドット (特に半導体量子ドット）が異なる量子力学的な個性を有す るために光力 受ける力が異なることを利用し、量子力学的個性の異なる量子ドットを 光操作することが可能であること、が理論的に提案された。上記（2)の理論は、既に 特許出願されている（特開 2003— 200399 (2003年 7月 15日公開））。上記（2)のァ イデア自体、これまでに存在しない独創的なものである力 その実現にはナノ物質を 自由空間に置くと共に、共鳴構造がぼけない低温の環境が理想的であった。
[0035] そこで、本発明では、超流動ヘリウムという、 2K以下の極低温状態にあると共に熱 伝導率も非常に高い環境中で直接量子ドットの生成し、生成した量子ドットに光を照 射することにより、当該量子ドットを操作する。これにより、量子ドットの温度上昇に伴う 共鳴のぼけを回避することができる。さらに、周囲は超流動状態にあるため、量子ドッ トはほとんど拡散や抵抗を受けずに運動することができる。したがって、本発明によれ ば、従来までには全く存在しない方法により、ナノレベルでの物質操作 (ナノ粒子の サイズや配列の制御等）を行うことが可能となる。
[0036] 本発明では、量子ドットの操作は、量子ドットを生成した環境と同じ超流動へリウム 中にて行う。上記超流動ヘリウム中にて量子ドットの操作を行うにより、光が照射され ることによって生じる量子ドットの温度上昇に伴う共鳴のぼけを回避することができる。 上記共鳴は、操作レーザー光による量子ドットの操作の重要な因子であり、共鳴を顕 著に引き起こすために量子ドットの温度上昇は極力避ける必要がある。さらに、超流 動状態であるため、生成された量子ドットはほとんど抵抗を受けずに運動することが できる。
[0037] 量子ドットに光を照射することによって、光力も量子ドットに力を与えることができ、そ の結果、量子ドットを操作することができる。光照射によって量子ドットに印加される力 は、量子ドットでの照射光の散乱、照射光の吸収を通した量子ドットへの運動量の移 動、照射光によって生じる電場勾配により量子ドット内の分極が感じる位置エネルギ 一の程度によって決まる。一般に、光照射による量子ドットの誘起分極が大きいほど 、印加される力も大きくなる。したがって、光照射により量子ドットの操作を行うために は、光照射による誘起分極を増大させ、量子ドットに印加される力を増加させる必要 がある。
[0038] 光照射による量子ドットの誘起分極の大きさは、量子ドットの大きさや誘電率に依存 し、物体サイズや誘電率が大きくなれば誘起分極も増大し、量子ドットにおける光の 散乱及び吸収の効果、電場勾配が強くなり、誘起分極も増大する。その結果、量子ド ットに印加される力が大きくなる。
[0039] 逆に、物体サイズや誘電率が非常に小さ!/、場合、光の散乱及び吸収の効果ゃ電 場勾配は弱ぐ光照射による量子ドットの誘起分極も小さくなつて量子ドットに与えら れる力が小さくなる。特に、ナノサイズの量子ドットは、光操作にて通常用いられるレ 一ザ一光の波長よりも小さ 、大きさであるために、光と量子ドットとの相互作用が弱!、 。そのため、光から量子ドットに及ぼされる力が非常に小さくなり、量子ドットの捕捉や 配列を行うことが困難になる。
[0040] そこで、本実施の形態では、一般的に使用されているレーザー光を用いて、量子ド ットの光照射による誘起分極を増大するために、物質に固有の電子的エネルギー準 位間のエネルギー差に相当するエネルギーを有している光を量子ドットに集光照射 する。
[0041] なお、上記電子的エネルギー準位とは、上述したように量子ドットが有する電子の 量子力学的なエネルギー準位をいい、量子ドットでは、このエネルギー準位が離散 化されている。 [0042] すなわち、電子的エネルギー準位に共鳴する光 (以下、共鳴光とする）とは、共鳴 効果により生じる輻射力のピークのエネルギー位置を中心とし、そのピークの半値全 幅の 2倍以内の幅を有する領域に力かる周波数を持つレーザー光とする。輻射力の ピークとしては特に限定されるものではないが、電子的遷移による輻射力のピーク、 電子的遷移により変調を受けた Mie散乱による輻射力のピーク、 Mie散乱によるピー クがある。
[0043] 共鳴光が量子ドットに入射すると、量子ドットの電子的エネルギー準位間のエネル ギー差に共鳴して、量子ドットの誘起分極が増大する。一般に、光と量子ドットとの相 互作用は、量子ドットの誘起分極が大きくなるほど強くなるため、共鳴光の入射によつ て量子ドットの誘起分極が増大することにより、光と量子ドットとの力学的な相互作用 が大きくなる。従って、量子ドットでの強い光散乱及び強い光吸収が起こることにより 、共鳴光から量子ドットに、効率よく力が与えられる。
[0044] このように、量子ドットに固有の電子的エネルギー準位間のエネルギー差に相当す るエネルギーを有する共鳴光を量子ドットに照射することによって、量子ドットと光との 相互作用が強くなり、量子ドットに働く力を増大させることができる。これにより、従来 全く認識されていなかった電子的エネルギー準位を利用した力の増強効果を得るこ とができる。また、光と量子ドットとの相互作用が非常に弱いナノサイズの量子ドットで あっても、共鳴光による光操作技術を利用して量子ドットを操作することができる。さら に、光の共鳴現象を利用することにより、光操作にて、通常用いられるレーザー周波 数を含む 1. 0-4. OeVの周波数領域で、かつ 50 /z WZlOO /z m2程度の低パワー のレーザーによって、量子ドットの操作を行うことが可能になる。
[0045] なお、照射する共鳴光の波長は、量子ドットの材質が既知である場合には、文献（
[列 ば、 H.Ajiki and K.Cno, Longitudinal and Transverse components of Excitons in a Spherical Quantum Dot",Phys.Rev.B,Vol.62,p.7402- 7412(2000)、 H.Ajiki, T.Tsuji, K.Kawano, K.Cho, Phys. Rev. B, Vol.66, 245322— p.1—12 (2002)、 T.Iida, H.Ishihara, Phys. Rev. Lett. Vol.90, 057403- p.l- 4 (2003))の電子的エネルギー準 位に基づいて決定すればよい。また、後述するように、量子ドットの電子的エネルギ 一準位は、量子ドットの大きさによっても変化し、遷移エネルギーも変化する。従って 、操作すべき量子ドットの材質、大きさ、形状、内部構造等が未知である場合は、分 光分析等により量子ドットが有する電子的エネルギー準位間のエネルギー差や量子 ドットの大きさ、形状、内部構造等を決定し、これらの測定結果に基づいて、共鳴光 の波長を決定することが好まし 、。
[0046] さらに、照射する共鳴光は、波長サイズ程度に絞り込んでから量子ドットに導入し、 該共鳴光のスペクトル線の線幅は、操作する量子ドットの電子的エネルギー準位に 共鳴するように設定すればよい。例えば、 CuClの量子ドットを上述した方法によって 光操作する場合、 CuClの電子励起共鳴が存在する近紫外領域の光を用いる。具体 的には、波長 385± lnm、出力 3mW、線幅 0. 05nmの青紫色半導体レーザー素 子や、波長 360— 420nm、出力 1一 30mW、線幅 1一 lOOnmである Ti Sapphire レーザーの 2倍高調波を用いることができる。
[0047] ここで、上記光の共鳴現象は、量子ドットに固有の電子的エネルギー準位に対する 共鳴現象であるため、共鳴現象を利用して量子ドットを操作するためには、量子ドット が有する電子的エネルギー準位間のエネルギー差に相当するエネルギーを有する 光 (共鳴光)を照射すればよい。上記の共鳴現象を利用することによって、量子ドット と光との相互作用が弱ぐ共鳴現象を利用しない場合には光力も量子ドットに及ぼさ れる力が非常に小さいナノサイズの量子ドットにおいても、光照射による量子ドットの 操作が可能になる。
[0048] このような量子ドットとしては、電子的エネルギー準位を有するものであればよぐそ の大きさも特に限定されるものではないが、電子的エネルギー準位に対する光の共 鳴現象による力の増強効果が顕著に表れるものであることが好ましい。具体的には、 量子ドットの粒子径はナノオーダーであることが好ましぐより好ましくは lOOnm以下 がよい。この理由は、半径が lOOnm以下の量子ドットでは、光の共鳴現象がある場 合の量子ドットに作用する力の大きさを、光の共鳴現象がない場合に量子ドットに作 用する力の 102— 105程度にまで増強することができるためである。
[0049] また、光の共鳴現象を利用して操作される量子ドットは、量子ドットの電子的ェネル ギー準位間のエネルギー差が、照射された光の有して 、るエネルギーに合致して ヽ る量子ドット（以下、共鳴量子ドットと記載する）に限られる。 [0050] すなわち、照射された光が有するエネルギーに相当する電子的エネルギー準位間 のエネルギー差を有していない量子ドット (便宜上、非共鳴量子ドットと称する）は、光 照射によって光の共鳴現象が生じることはなぐこの場合、非共鳴量子ドットに働く力 は増強されない。このように、操作する量子ドットに固有の電子的エネルギー準位に 対する光の共鳴現象を利用して 、るので、共鳴量子ドットだけを選択的に操作するこ とが可能になる。
[0051] さらに、量子ドットの半径が lnmオーダーにて変化した場合、量子ドットの電子的ェ ネルギー準位が量子効果によりシフトし、共鳴光の周波数も非常に敏感に変化する 。つまり、同じ材質の量子ドットであっても、量子ドットの大きさ、形状、内部構造の少 なくとも一つが異なることにより共鳴光の周波数が異なる。この性質を利用すれば、共 鳴光の周波数を変化させることにより、同一の材質であって、大きさ、形状、内部構造 の少なくとも一つが異なる量子ドットを lnmオーダーで選別することが可能になる。
[0052] さらに、特定の材質にて形成され、大きさ、形状、内部構造のうち少なくとも一つが 異なる複数種類の量子ドットを有する量子ドット群から、特定の量子ドットだけを基板 上に集積させることも可能となる。量子ドットを基板上に集積させることによって、多量 に生成および操作した当該量子ドットを基板とともに操作環境 (具体的には、超流動 ヘリウム中）から取り出すことができる。また、基板上に量子ドットを固着させることも可 能となる。量子ドットを基板上に固着させることによって、量子ドットを集積させた場合 と同様、当該量子ドットを基板とともに操作環境力も取り出すことができる。また、基板 上に予め穴や溝を形成し、操作と併用することによって、量子ドットを当該基板上に 配列させることも可能となる。従って、ナノサイズの大きさであり、その大きさ、形状、内 部構造が実質的に同一である量子ドットを有するフォトニック結晶等の光学素子を作 製することが可能になる。また、生体分子および有機化合物力も成る量子ドットを効 率良く操作することが可能になる。
[0053] なお、上記「実質的に同じ」とは、照射した光によって、量子ドットの操作が可能な程 度に、大きさ、形状、内部構造が同じであることを意味するものとする。つまり、照射し た光が共鳴する電子的エネルギー準位を有する量子ドットの大きさ、形状、内部構造 を実質的に同じとみなす。 [0054] また、光照射により量子ドットに働く力は、光との相互作用が強いほど増幅される。 従って、共鳴量子ドットの結晶が清浄でない場合には、共鳴効果が弱くなり、共鳴量 子ドットに働く力が弱くなるので、結晶が清浄である品質の良い共鳴量子ドットだけを 選択的に操作することも可能になる。
[0055] このような量子ドットの操作を、超流動ヘリウム中にて行うことにより、上記量子ドット の電子的エネルギー準位の線幅を非常に狭くすることができる。ここで上記量子ドット の電子的エネルギー準位の線幅とは、上記量子ドットの一つのエネルギー状態自身 の幅のことである。一般に、電子状態の線幅は量子ドットおよび周囲の温度による影 響を受ける。すなわち、温度が高い状態では、量子ドットを構成する原子や周囲の原 子が激しく運動しているのに対応して、量子ドット内の電子はその影響を受け、量子 ドットのエネルギー準位に幅を持ち、積分強度一定のためピーク値が減少する。した がって、レーザー光照射下でも量子ドットを極低温状態 (約 2K)に保持できることで、 量子ドットのエネルギー準位を狭くし、ピーク値を増強することができる。したがって、 電子エネルギー準位の線幅を非常に狭くすることにより、共鳴の有無を明瞭にするこ とが可能となる。
[0056] したがって、量子ドットを極低温状態に保持し、電子エネルギー準位の線幅を非常 に狭くすることによって、なおかつ周波数スペクトル上のピークの線幅の細い操作用 レーザーを用いることによって共鳴エネルギーが一致する量子ドットのみを効果的に 選択することができる。
[0057] 上述した方法によれば、量子ドットに電子的エネルギー準位間のエネルギー差に 一致する光を照射して 、るので、照射した光が量子ドットの電子的エネルギー準位に 共鳴することができる。これにより、共鳴現象を利用しない場合には光との力学的相 互作用が弱い量子ドットであっても、上記の光が照射されることによって量子ドットの 電子的エネルギー準位に共鳴し、光と量子ドットとの力学的相互作用を高めることが できる。その結果、レーザー光から量子ドットに及ぼされる力が増強され、共鳴光照 射によって量子ドットを容易に操作することが可能になる。
[0058] また、通常用いられている波長領域のレーザー光による共鳴現象を利用して、量子 ドットに働く力を増幅して操作できるので、強度の小さい光を照射することによって、 量子ドットを操作することができる。従って、通常用いられているレーザー光の波長に よって、量子ドットを操作することが可能になり、従来困難とされていたナノサイズの量 子ドットを光照射によって操作することができる。
[0059] なお、ドット操作用のレーザー光の強度は、照射により量子ドットの破壊を引き起こ さない大きさとする。
[0060] (II)本発明にかかる量子ドット生成操作装置
さらに、本発明に係る量子ドット生成操作装置は、量子ドットを生成させ、かつ、操 作することを可能とする内部空間を有する筐体と、当該筐体内に位置し、量子ドット の材料からなる固体を保持する固体保持部と、固体保持部に保持される固体にレー ザ一光を照射し、レーザースパッタ法によって量子ドットを生成させるドット生成用レ 一ザ一光源と、生成した量子ドットにレーザー光を照射し、当該量子ドットを操作する ドット操作用レーザー光源とを備えており、さらに、上記筐体は、内部空間内で超流 動ヘリウムを保持可能となって 、ることを特徴として！/、る。
[0061] 上述した構成を備えた量子ドット生成操作装置を用いることにより、量子ドットの生 成および操作を、 2K以下の極低温状態にあると共に熱伝導率も非常に高い超流動 ヘリウム中で行うことが可能となる。すなわち、上記量子ドット生成操作装置は、量子 ドットの温度上昇に伴う共鳴のぼけを回避することができる。また、超流動状態にある ため、抵抗をほとんど受けずに量子ドットを操作することができる。
[0062] また本発明に係る量子ドット生成操作装置は、上記ドット操作用レーザー光源が発 する光が、量子ドットの電子的エネルギー準位に共鳴するレーザー光であることが好 ましい。
[0063] 照射した光が、量子ドットの電子的エネルギー準位に共鳴することにより、共鳴現象 を利用しない場合には光との力学的相互作用が弱い量子ドットであっても、上記の光 が照射されることによって量子ドットの電子的エネルギー準位に共鳴し、光と量子ドッ トとの力学的相互作用を高めることができる。その結果、レーザー光力も量子ドットに 及ぼされる力が増強され、共鳴光照射によって量子ドットを容易に操作することが可 會 になる。
[0064] また、レーザー光による共鳴現象を利用して、量子ドットに働く力を増幅して操作し ていることから、強度の小さい光を照射することによって、量子ドットを操作することが できる。従って、通常用いられているレーザー光の波長によって、量子ドットを操作す ることが可能になり、従来困難とされていたナノサイズの量子ドットを光照射によって 操作することができる量子ドット生成操作装置を提供することができる。
[0065] また、上記ドット操作用レーザー光源が発する光は、さらに、その輻射力によって、 量子ドットの運動を制御し、沈降の停止や速度低減 '捕捉.輸送などを行うことができ るようになって!/、ることが好まし！/、。
[0066] これにより、本発明に係る量子ドット生成操作装置は、上記ドット操作用レーザー光 の輻射力に共鳴した量子ドットのみを選別することが可能となる。
[0067] 量子ドットにおいては、材質が同じであっても、大きさ、形状、内部構造のうち少なく とも一つが異なることによって、量子ドットの電子的エネルギー準位力 量子効果によ り変化する。そのため、量子ドットの電子的エネルギー準位間のエネルギー差が変化 し、特定の量子ドットの電子的エネルギー準位に共鳴する光を照射することにより、 大きさ、形状、内部構造のうち少なくとも一つが異なる複数種類の量子ドットの中から 、大きさ、形状、内部構造が実質的に同じである特定の量子ドットのみを選択して操 作することが可能になる。また、上記量子ドット生成操作装置を用いることにより、 In mオーダーにて、大きさや形状が異なる量子ドットを選別して、操作することも可能で ある。
[0068] 上記筐体内に、上記ドット操作用レーザー光源が発する光によって操作された量 子ドットを集積および/または固着させる基板を備えていることが好ましい。
[0069] これにより、上記ドット操作用レーザー光を用いて選別した量子ドットを、上記基板と ともに、筐体内から取り出すことができる。上記基板の材料 (材質)としては、量子ドッ トの結合力に応じて選択することができる。すなわち、筐体内から取り出した後に、量 子ドットを基板から分離して使用する場合は当該結合力が弱い基板材料を選択すれ ばよぐこれに対し、量子ドットを基板に集積および Zまたは固着させたまま使用する 場合は当該結合力が強い基板材料を選択すればよい。具体的には、 Si、 GaAs等の 半導体の他、金属、有機化合物、およびガラス、サファイア等の絶縁体等を用いるこ とがでさる。 [0070] 上記筐体としてヘリウムクライオスタツトを用いることが好ま 、。
[0071] これにより、本発明に係る量子ドット生成操作装置を、既存のヘリウムクライオスタツ トを用いて構成することが可能であることから、既存のヘリウムクライオスタツト製造ライ ンに基づいて上記量子ドット生成操作装置を製造することができ、製造コストの低減 および、製造効率の向上が可能となる。
[0072] 図 1に、本実施の形態における量子ドット生成操作装置 1の概略を示す。上記量子 ドット生成操作装置 1は、筐体 2と、固体 3を保持する図示しない固体保持部と、ドット 生成用レーザー光源 4と、ドット操作用レーザー光源 5と、基板 8とを備えており、さら に、上記筐体 2は、内部空間内で超流動ヘリウム 7を保持している。
[0073] 上記ドット生成用レーザー光源 4から出射されたドット生成用レーザー光 4aは、上 記筐体 2に入射し、上記超流動へリウム 7中の固体保持部に保持された固体 3に照 射される。上記ドット生成用レーザー光 4aを用いて、レーザースパッタ法により固体 3 を粒子化して、量子ドット 6を生成する。
[0074] 上記ドット操作用レーザー光源 5から出射されたドット操作用レーザー光 5aは、上 述したようにレーザースパッタ法によって生成された量子ドット 6が共鳴する波長を有 する。ドット操作用レーザー光 5aを量子ドット 6に照射することにより、該量子ドット 6を 光操作する。
[0075] 具体的には、ドット操作用レーザー光 5aは、その輻射力によって上記超流動へリウ ム 7中を重力に従って沈降する量子ドット 6の沈降を停止させる。すなわち、レーザー スパッタ法によって生成され、重力に従って沈降する複数の量子ドット 6から、上記ド ット操作用レーザー光 5aに共鳴する量子ドット 6のみ、その沈降を停止させることがで きる。
[0076] さらに、上記ドット操作用レーザー光 5aは、沈降を停止させた上記量子ドット 6を、 筐体 2内に設けた基板 8に集積および Zまたは固着させることができる。基板 8は、筐 体 2から取り出すことができる構成になっており、これにより、ドット操作用レーザー光 5aに共鳴する特定の量子ドット 6のみを筐体 2から取り出すことができる。
[0077] なお、上記ドット生成用レーザー光源 4および上記ドット操作用レーザー光源 5の具 体的な構成位置について説明すると、以下の通りである。 [0078] 本実施の形態における上記量子ドット生成操作装置 1は、上述したように、レーザ ースパッタ法により量子ドット 6を生成し、生成されて超流動ヘリウム中に放出された 量子ドット 6は該超流動ヘリウム 7中を重力に従って沈降する。さらに沈降する複数の 量子ドット 6の中の特定の量子ドット 6を選択するために、該特定の量子ドット 6に共鳴 するドット生成用レーザー光 4aを照射し、沈降する特定の量子ドット 6の沈降を該ドッ ト操作用レーザー光 5aの輻射力によって停止させる。そのため、上記ドット生成用レ 一ザ一光源 4は、上記ドット生成用レーザー光 4aによって生成された量子ドットが上 記筐体 2内を重力に従って沈降することが可能なように、該ドット生成用レーザー光 4 aが上記筐体 2の、重力方向に対して上部に入射することが出来る位置に構成されて いることが好ましい。また、上記ドット操作用レーザー光源 5は、上記ドット操作用レー ザ一光 5aが、重力に従って沈降する量子ドットの中の特定の量子ドットの沈降を停止 させることが出来るように上記筐体 2の、重力方向に抗して下部に入射することが出 来るように構成されていることが好ましい。なお、本実施の形態では、ドット操作用レ 一ザ一光源 5は、筐体 2におけるドット生成用レーザー光源 4の配設面と同じ面に配 設しており、ドット操作用レーザー光 5aを筐体 2内に入射させて、重力方向に抗して 下部から特定の量子ドットの沈降を停止させているが、本発明はこれに限定されるも のではなぐ後述する実施例において使用した量子ドット生成操作装置 1 ' (図 2)のよ うにドット操作用レーザー光源を配設してもょ ヽ。
[0079] 上記ドット操作用レーザー光 5aとは、上述したように量子ドットの電子的遷移や、電 子的遷移により変調を受けた Mie散乱などによる輻射力のピークのエネルギー位置 を中心とし、そのピークの半値全幅の 2倍の幅を有する領域に力かる周波数を有する 共鳴光である。すなわち、上記ドット操作用レーザー光 5aを照射することによって量 子ドット 6の電子的エネルギー準位に共鳴し、光と量子ドット 6との力学的相互作用を 高めることができる。その結果、ドット操作用レーザー光 5aから量子ドット 6に及ぼされ る力が増強され、照射によって量子ドット 6を容易に操作することが可能になる。
[0080] 文献（例えば、 T.Iida, H.Ishihara, Phys.Rev丄 ett. Vol.90, 057403- p.l- 4 (2003))に よると、入射光の電場強度に勾配がある場合、量子ドットはその勾配を感じて位置ェ ネルギー的に安定な箇所に移動する。この電場強度勾配は、レーザー光を集光した り、複数の光源を干渉させたり、高屈折率の媒質から低屈折率の媒質へ臨界角以上 の入射角の光が入射した時に生じるエバネッセント波 (減衰波）などによって生じる。 このことにより、以上の量子ドット生成操作装置を用いて生成及び光操作された量子 ドットは、ドット操作用レーザー光を二光束に分け干渉させて作製された強度の濃淡 ( 光格子)の中に量子ドットを配列したり、別の光源を複数組み合わせることにより配列 された量子ドットを、配列を保ったまま移動させたり、周波数や偏光の異なる複数の 光源の組み合わせによって一種の量子ドットが持つ複数の属性 (複数の共鳴エネル ギーゃカイラリティーなど)を同時に利用した量子ドットの選別を行うことも可能である
[0081] 従って、本実施の形態では、ドット操作用レーザー光 5aによって沈降を停止させた 上記量子ドット 6を、ドット操作用レーザー光 5aによって筐体 2内に設けた基板 8に集 積および Zまたは固着させる。そのため、基板 8は、重力方向に抗して下部に入射す るドット操作用レーザー光 5aの光路上に配置されている。しかしながら、本発明はこ れに限定されるものではなぐドット操作用レーザー光 5aによって沈降を停止させた 上記量子ドット 6を、別の光源を用いて基板 8に集積および Zまたは固着させる構成 としてもよ 、。このように別の光源を用いて上記量子ドット 6を基板 8に集積および/ま たは固着させる場合、基板 8の配置位置は上記の配置に限定されないため、設置の 自由度が高くなる。
[0082] (III)本発明の利用
本発明では、ナノオーダーの量子ドットを生成することができるとともに、当該量子ド ットのサイズや配列を良好に制御することが可能となる。それゆえ、本発明は、広くナ ノテクノロジーに利用することができる。
[0083] 具体的には、例えば、本発明を量子コンピュータに利用することができる。量子コン ピュータを実現するには、 lOOnm以下の量子ドットを作製し、配置やサイズを精密に 制御することが必要になる。ここで、本発明によれば、量子ドットのサイズや配列を良 好に制御することができるので、本発明を用いることで量子コンピュータの実用化技 術の発展が期待される。
[0084] また、複雑な有機化合物、生体分子の固体を量子ドットの材料として用いれば、そ れらの分離分析に利用することができる。さらに、マイクロマシンやナノマシンの材料 開発および共鳴光による輻射力をマイクロマシンやナノマシンの駆動力として供給で きる。あるいは、これまでは粒径が大きな不均一分布を持っているために、狭窄化が 実現できず、効果も理論予測ほど向上していなかった量子ドットレーザー用材料とし て本発明によって得られたサイズ等の揃った量子ドットを用いて、非常に線幅が狭く 、発振効率の良いレーザーを実現する。
[0085] 以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する力 本発明はこれらにより何ら 限定されるものではない。
[0086] (実施例）
図 1に示す量子ドット生成操作装置 1に類似した構成として、図 2に示すような量子 ドット生成操作装置 1 'を用いた。すなわち、図 2は、本実施例で用いた量子ドット生 成操作装置 1 'の構成を示す透視図であり、量子ドット生成操作装置 1 'は、ドット操作 用レーザー光 5a'が、図 2に示すように、ドット生成用レーザー光 4aに垂直となるよう に入射できるようにドット操作用レーザー光源 5が筐体 2の側面に配置されている。基 板 8は、ドット生成用レーザー光 4aと垂直となるように設けられたドット操作用レーザ 一光 5a'の光路上に設けられている。筐体 2には、内部に超流動ヘリウムを充填した ヘリウムクライオスタツト (4 X 4 X 4cm3)を用いた。固体 3には、 CuClを用いた。ドット 生成用レーザー光源 4として、 Qスィッチ Nd:YAGレーザー（スぺクトラ'フィジックス 社製、 Quanta Ray GCR)を用い、その強度は、 lOnJとなるように調整した。ドット 操作用レーザー光源 5として、 Ti Sapphireレーザー（スぺクトラ'フィジックス社製、 フェムト秒チタンサファイアレーザー Tunami 3941— P5LC)の 2倍高調波（波長 36 0— 430nm、出力 30mW、線幅 0. 3eV)を用!ヽ、周波数を 3. 20eVとなるように調 整した。基板 8として、 Si基板を用いた。固体 3におけるドット生成用レーザー光 4aの 照射位置から、基板 8までの距離を約 2cmとした。また、固体 3の表面とドット操作用 レーザー光 5'までの距離を約 lmmとした。以上の構成を備えた上記量子ドット生成 操作装置 1 'を用いて、 CuCl量子ドットの生成および操作を行なった。
[0087] 図 3に、上記量子ドット生成操作装置 1 'を用いて生成および操作した CuCl量子ド ットの走査型電子顕微鏡像を示す。なお、図 3は、超流動ヘリウム中においてドット操 作用レーザー光 5a'によって操作し、基板 8に固着させた CuCl量子ドットを走査型電 子顕微鏡で観察している。
[0088] 図 3に示すように、約 lOOnmの CuCl量子ドットが確認できる。図 3では鮮明に現れ て！ヽな 、が、 lOOnmよりも小さ!/、サイズの CuCl量子ドットも基板上に固着されて!、た
[0089] 以上のことから、本発明により、所望の大きさの量子ドットのみを選別することができ 、かつ、基板に固着させることによって操作環境外に取り出すことができることが確認 できた。
[0090] 尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様また は実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような 具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなぐ本発明の精神と次に記 載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。 産業上の利用の可能性
[0091] 本発明は、超流動ヘリウムで直接量子ドットを生成し、生成した量子ドットに光を照 射することにより、当該量子ドットを操作している。このように、超流動ヘリウム中という 低温環境下で操作を行うため、量子ドットの温度上昇に伴う共鳴のぼけを回避するこ とができる。さらに、周囲は超流動状態にあるため、対象とする量子ドットはほとんど 拡散や抵抗を受けずに運動することができる。
[0092] また、本発明に係る量子ドット生成操作装置は、内部空間内で超流動ヘリウムを保 持可能となっている筐体内で、生成用レーザー光により量子ドットを生成させ、かつ、 操作用レーザー光により当該量子ドットを操作するようになっている。そのため、量子 ドットの生成および操作を、 2K以下の極低温状態にあると共に熱伝導率も非常に高 い超流動ヘリウム中で行うことが可能となる。
[0093] したがって、超流動ヘリウム中で量子ドットを直接生成し、光操作すること〖こよって、 従来までには全く存在しない方法により上記量子ドットのサイズや配列の制御を行う ことが可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 超流動ヘリウム中にて直接生成した量子ドットに光を照射することにより、当該量子 ドットを操作することを特徴とする量子ドット操作方法。
[2] 上記量子ドットが、超流動ヘリウム中にて、レーザースパッタ法によって生成したも のであることを特徴とする請求項 1に記載の量子ドット操作方法。
[3] 上記量子ドットに照射される光として、少なくとも 1種類のレーザー光が用いられるこ とを特徴とする請求項 1または 2に記載の量子ドット操作方法。
[4] 上記レーザー光は、量子ドットに生じる輻射力の複数あるピークの、それぞれのピ ークのエネルギー位置を中心とし、それらのピークの半値全幅の 2倍の幅を有する複 数の領域の 1つ、あるいはいくつかにかかる周波数を有するレーザー光であることを 特徴とする請求項 3に記載の量子ドット操作方法。
[5] 上記レーザー光は、上記領域にかかる、互いに異なる周波数および Zまたは互い に異なる進行方向や形状を有する複数のレーザー光であることを特徴とする請求項
4に記載の量子ドット操作方法。
[6] レーザースパッタ法による量子ドットの生成が上記超流動ヘリウム中にて繰り返し行 うことができることを特徴とする請求項 1ないし 5の何れか 1項に記載の量子ドット操作 方法。
[7] 上記量子ドットは、レーザースパッタ法によって生成した量子ドットに対してレーザ 一スパッタ法を繰り返し行うことによって生成した、当該量子ドットよりも小さいサイズ の量子ドットであることを特徴とする請求項 1から 6の何れか 1項に記載の量子ドット操 作方法。
[8] 上記量子ドットに照射される光によって、当該量子ドットを基板上に集積および Zま たは固着させることを特徴とする請求項 1から 7の何れか 1項に記載の量子ドット操作 方法。
[9] 上記量子ドットの材料が、金属、半導体、有機化合物の何れかであることを特徴と する請求項 1ないし 8の何れ力 1項に記載の量子ドット操作方法。
[10] 上記半導体が、 I-VII族化合物の半導体であることを特徴とする請求項 9に記載の 量子ドット操作方法。
[11] 上記 I VII族化合物の半導体が、ハロゲン化銅であることを特徴とする請求項 10に 記載の量子ドット操作方法。
[12] 量子ドットを生成させ、かつ、操作することを可能とする内部空間を有する筐体と、 当該筐体内に位置し、量子ドットの材料力もなる固体を保持する固体保持部と、 固体保持部に保持される固体にレーザー光を照射し、レーザースパッタ法によって 量子ドットを生成させるドット生成用レーザー光源と、
生成した量子ドットにレーザー光を照射し、当該量子ドットを操作するドット操作用レ 一ザ一光源とを備えており、
さらに、上記筐体は、内部空間内で超流動ヘリウムを保持可能となっていることを特 徴とする量子ドット生成操作装置。
[13] 上記ドット操作用レーザー光源が発する光は、量子ドットの電子的遷移や、電子的 遷移により変調を受けた Mie散乱などによる輻射力のピークのエネルギー位置を中 心とし、そのピークの半値全幅の 2倍の幅を有する領域に力かる周波数を有するレー ザ一光であることを特徴とする請求項 12に記載の量子ドット生成操作装置。
[14] 上記ドット操作用レーザー光源が発する光は、さらに、その輻射力によって、量子ド ットの運動を制御し、沈降の停止や速度低減'捕捉 ·輸送などを行うことができるよう になっていることを特徴とする請求項 12または 13に記載の量子ドット生成操作装置。
[15] 上記筐体内に、上記ドット操作用レーザー光源が発する光によって操作された量 子ドットを集積および Zまたは固着させる基板を備えていることを特徴とする請求項 1
2から 14の何れか 1項に記載の量子ドット生成操作装置。
[16] 上記筐体としてヘリウムクライオスタツトを用いることを特徴とする請求項 12ないし 1
5の何れか 1項に記載の量子ドット生成操作装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9993982B2 (en) 2011-07-13 2018-06-12 Nuvotronics, Inc. Methods of fabricating electronic and mechanical structures
WO2021040021A1 (ja) * 2019-08-30 2021-03-04 公立大学法人大阪 被検出物質の検出方法および被検出物質の検出システム
JP2021138590A (ja) * 2020-03-09 2021-09-16 国立大学法人福井大学 半導体量子ドットの分離装置及び分離方法

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006166275A (ja) * 2004-12-10 2006-06-22 Seiko Epson Corp 水晶デバイスの製造方法
JPWO2009075359A1 (ja) * 2007-12-13 2011-04-28 公立大学法人大阪府立大学 キラル物質の異性体分離方法及びその装置
WO2009153669A2 (en) * 2008-06-17 2009-12-23 National Research Council Of Canada Atomistic quantum dots
US8877367B2 (en) * 2009-01-16 2014-11-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University High energy storage capacitor by embedding tunneling nano-structures
MX2011007202A (es) * 2009-01-16 2011-07-28 Univ The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junio R Ultracapacitor de punto cuantico y bateria de electrones.
CN102439694A (zh) * 2009-04-01 2012-05-02 利兰·斯坦福青年大学托管委员会 带有面积增加的电极的全电子电池
WO2012009010A2 (en) * 2010-07-13 2012-01-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Energy storage device with large charge separation
US9849512B2 (en) 2011-07-01 2017-12-26 Attostat, Inc. Method and apparatus for production of uniformly sized nanoparticles
CN102916343B (zh) * 2011-08-05 2015-07-15 苏州大学 一种量子点材料的制作装置及制作方法
EP2779222B1 (en) * 2013-03-12 2017-08-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Substrate treatment systems using supercritical fluid
US9883670B2 (en) 2014-09-23 2018-02-06 Attostat, Inc. Compositions and methods for treating plant diseases
US9919363B2 (en) 2014-09-23 2018-03-20 Attostat, Inc. System and method for making non-spherical nanoparticles and nanoparticle compositions made thereby
US9885001B2 (en) 2014-09-23 2018-02-06 Attostat, Inc. Fuel additive composition and related methods
US9434006B2 (en) 2014-09-23 2016-09-06 Attostat, Inc. Composition containing spherical and coral-shaped nanoparticles and method of making same
US10190253B2 (en) 2014-09-23 2019-01-29 Attostat, Inc Nanoparticle treated fabrics, fibers, filaments, and yarns and related methods
WO2016161348A1 (en) 2015-04-01 2016-10-06 Attostat, Inc. Nanoparticle compositions and methods for treating or preventing tissue infections and diseases
US11473202B2 (en) 2015-04-13 2022-10-18 Attostat, Inc. Anti-corrosion nanoparticle compositions
EP3283580A4 (en) 2015-04-13 2019-03-20 Attostat, Inc. ANTI-CORROSION NANOPARTICLE COMPOSITIONS
US10201571B2 (en) 2016-01-25 2019-02-12 Attostat, Inc. Nanoparticle compositions and methods for treating onychomychosis
US11018376B2 (en) 2017-11-28 2021-05-25 Attostat, Inc. Nanoparticle compositions and methods for enhancing lead-acid batteries
US11646453B2 (en) 2017-11-28 2023-05-09 Attostat, Inc. Nanoparticle compositions and methods for enhancing lead-acid batteries
DE102019201781A1 (de) * 2019-02-12 2020-08-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Partikeln

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6434439A (en) * 1987-07-30 1989-02-03 Japan Res Dev Corp Method and apparatus for controlling fine particle utilizing laser light pressure
JPH0671164A (ja) * 1992-08-31 1994-03-15 Hitachi Ltd 浮遊粒子の流動制御方法及び装置
JPH08189465A (ja) * 1995-01-09 1996-07-23 Hitachi Ltd 超流動ヘリウム冷却装置
JP2003200399A (ja) * 2001-12-26 2003-07-15 Japan Science & Technology Corp 微小物体の操作方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6434439U (ja) 1987-08-27 1989-03-02
US5348687A (en) * 1993-11-26 1994-09-20 Mobil Oil Corp. M41S materials having nonlinear optical properties
JPH09102596A (ja) 1995-10-04 1997-04-15 Fujitsu Ltd 量子ドットの製造方法及び量子ドット装置
JPH09148121A (ja) 1995-11-20 1997-06-06 Kobe Steel Ltd 加圧超流動クライオスタット
EP0853334B1 (en) * 1996-06-19 2006-07-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optoelectronic material, devices using the same, and method for manufacturing the same
JP3727449B2 (ja) 1997-09-30 2005-12-14 シャープ株式会社 半導体ナノ結晶の製造方法
JP3517698B2 (ja) * 2000-03-03 2004-04-12 独立行政法人産業技術総合研究所 ナノ粒子分散構造体及びその積層体
KR100393128B1 (ko) * 2000-03-29 2003-07-31 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 양자도트형 기능구조체 제작장치와 양자도트형 기능구조체제작방법 및 양자도트형 기능구조체 및 광기능소자
US6653653B2 (en) * 2001-07-13 2003-11-25 Quantum Logic Devices, Inc. Single-electron transistors and fabrication methods in which a projecting feature defines spacing between electrodes
JP2003160336A (ja) * 2001-11-22 2003-06-03 Mitsubishi Chemicals Corp 化合物半導体超微粒子の製造方法
JP2004048062A (ja) 2003-09-29 2004-02-12 Sharp Corp 半導体ナノ結晶の製造方法およびその半導体ナノ結晶を用いた半導体記憶素子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6434439A (en) * 1987-07-30 1989-02-03 Japan Res Dev Corp Method and apparatus for controlling fine particle utilizing laser light pressure
JPH0671164A (ja) * 1992-08-31 1994-03-15 Hitachi Ltd 浮遊粒子の流動制御方法及び装置
JPH08189465A (ja) * 1995-01-09 1996-07-23 Hitachi Ltd 超流動ヘリウム冷却装置
JP2003200399A (ja) * 2001-12-26 2003-07-15 Japan Science & Technology Corp 微小物体の操作方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IIDA T. ET AL.: "Ryoshi Rikigakuteki Kyomei Jokenka ni Okeru Nano Busshitsu Hikari Manipulation: Ekitai Helium-Chu deno Sosani Taisuru Kosatsu.", DAI 14 KAI KOBUTSUSEI KENKYUKAI RONBUNSHU KOBUTSUSEI KENKYUKAI, no. 12, 2003, pages 303 - 306, XP002998410 *
TAKAMI M. ET AL.: "Cho Ryudo Helium-chu de Genshi ya Bunshi no Furumai o Miru.", RIKEN NYUSU, THE INSTITUTE OF PHYSICAL AND CHEMICAL RESEARCH., no. 213, March 1999 (1999-03-01), pages 2 - 6, XP002998411 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9993982B2 (en) 2011-07-13 2018-06-12 Nuvotronics, Inc. Methods of fabricating electronic and mechanical structures
WO2021040021A1 (ja) * 2019-08-30 2021-03-04 公立大学法人大阪 被検出物質の検出方法および被検出物質の検出システム
JP2021138590A (ja) * 2020-03-09 2021-09-16 国立大学法人福井大学 半導体量子ドットの分離装置及び分離方法
JP7422393B2 (ja) 2020-03-09 2024-01-26 国立大学法人福井大学 半導体量子ドットの分離装置及び分離方法

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