WO2016080435A1 - コアシェル粒子、コアシェル粒子の製造方法およびフィルム - Google Patents

コアシェル粒子、コアシェル粒子の製造方法およびフィルム Download PDF

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    • Y10S977/949Radiation emitter using nanostructure
    • Y10S977/95Electromagnetic energy

Definitions

  • the present invention relates to a core-shell particle, a method for producing the same, and a film containing the core-shell particle.
  • semiconductor fine particles expected to be applied to colloidal semiconductor nanoparticles As semiconductor fine particles expected to be applied to colloidal semiconductor nanoparticles (so-called quantum dots), II-VI group semiconductor fine particles, III-V group semiconductor fine particles and the like have been known so far.
  • the particle diameter of these semiconductor fine particles is about several nanometers to tens of nanometers.
  • such nanoscale particles generally have a band gap that increases as the particle size decreases due to a so-called quantum size effect, and emit light in a short wavelength region such as an ultraviolet region or a near ultraviolet region. Therefore, in order to make use of the optical characteristics peculiar to such semiconductor fine particles, application to various devices such as piezoelectric elements, electronic devices, light emitting elements, lasers and the like has been researched and developed.
  • Non-Patent Document 1 describes nanoparticles containing InP in the core and ZnS in the shell as quantum dots not containing Cd or Pd.
  • Patent Document 1 discloses that a core / shell comprising a core containing a group III element and a group V element and a shell containing a group II element and a group VI element and having a thickness of 0.2 nanometers or more and 4 nanometers or less. Nanoparticles having a diameter of 2.5 to 10 nanometers having a structure, a molar ratio of the group III element to the group V element of 1.25 to 3.0, and a fluorescence emission efficiency of 10% or more. Specifically, a nanoparticle containing InP in the core and ZnS in the shell is described ([Claim 6]).
  • Patent Document 2 discloses that “a first material containing an In component and a second material containing a Zn component are dissolved to produce a first solution, while a third material containing a P component is used.
  • a compound semiconductor particle in which a second solution in which a raw material and a fourth raw material containing an S component are dissolved is prepared and InP and ZnS are combined by bringing the first solution and the second solution into contact with each other In which the mixing ratio of the In component and the Zn component is 9/1 to 1/9 in terms of molar ratio. (Claim 7] [0053]) is described.
  • the present inventor examined the particles described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1, and the luminous efficiency may be inferior depending on the synthesis process (for example, raw materials, reaction temperature, reaction time, etc.). It was made clear.
  • an object of the present invention is to provide core-shell particles having high luminous efficiency and useful as quantum dots, a method for producing the same, and a film using the core-shell particles.
  • the present inventor has a core made of a group III-V semiconductor and a shell made of a group II-VI semiconductor, and is contained in the group III element and the shell contained in the core. It has been found that when the ratio of the peak intensity ratio to the group II element is a predetermined value, the luminous efficiency is improved, and the present invention has been completed. That is, it has been found that the above-described problem can be achieved by the following configuration.
  • Core-shell particles having a core containing a group III element and a group V element, and a shell containing a group II element and a group VI element covering at least a part of the surface of the core, Core-shell particles, wherein the ratio of the group II element peak intensity ratio to the group III element peak intensity ratio measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.25 or more.
  • [8] A method for producing core-shell particles for synthesizing the core-shell particles according to any one of [1] to [7], A first step of mixing a Group III material containing a Group III element and a Group II material containing a Group II element to prepare a dissolved mixed solution; A second step of adding a group V raw material containing a group V element to the mixed solution to form a core containing a group III element and a group V element; Adding a Group VI material containing a Group VI element to the mixed solution after forming the core, and forming a shell containing the Group II element and the Group VI element on at least a part of the surface of the core; Have A method for producing core-shell particles, wherein the third step is performed at a temperature of 230 ° C.
  • the present invention it is possible to provide a core-shell particle having high luminous efficiency and useful as a quantum dot, a method for producing the same, and a film using the core-shell particle.
  • a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
  • the core-shell particle of the present invention is a core-shell particle having a core containing a group III element and a group V element and a shell containing a group II element and a group VI element covering at least a part of the surface of the core.
  • the core-shell particles of the present invention have a group II element peak with respect to a group III element peak intensity ratio A measured by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter also referred to as “XPS”) analysis.
  • Ratio of intensity ratio B [hereinafter also referred to as “intensity ratio (B / A)”. ] Is 0.25 or more.
  • the peak intensity ratio by XPS analysis refers to the area intensity obtained by subtracting the background from the peak observed under the following measurement conditions and integrating the peak area with respect to energy.
  • the measurement of the peak intensity ratio by XPS analysis is performed under the following measurement conditions using a sample obtained by applying a dispersion liquid (solvent: toluene) containing core-shell particles on a non-doped Si substrate and drying.
  • the core-shell particles of the present invention have good luminous efficiency when the intensity ratio (B / A) is 0.25 or more.
  • the reason why the light emission efficiency is good in this way is not clear in detail, but is estimated as follows. First, when the intensity ratio (B / A) is less than 0.25, in other words, when the peak intensity ratio A of the group III element contained in the core is large, the formation of the shell becomes uneven or insufficient. Since the signal intensity becomes relatively strong, it is considered that the light emission efficiency is inferior. This can also be inferred from the results of comparative examples described later.
  • the core-shell particles of the present invention have a strength ratio (B / A) of 0.25 or more, so that the shell is uniformly or sufficiently covered with the core, and the signal intensity from the core is relatively suppressed. This is considered to improve the luminous efficiency.
  • the intensity ratio (B / A) is preferably 0.35 or more for the reason that the luminous efficiency becomes better.
  • the strength ratio (B / A) is preferably 10 or less.
  • the core of the core-shell particle of the present invention is a so-called III-V semiconductor containing a group III element and a group V element.
  • Group III elements Specific examples of the group III element include indium (In), aluminum (Al), and gallium (Ga). Among them, In is preferable.
  • Group V elements Specific examples of the group V element include P (phosphorus), N (nitrogen), As (arsenic) and the like. Among these, P is preferable.
  • a III-V semiconductor in which the above examples of the group III element and the group V element are appropriately combined can be used as the core.
  • InP, InN, and InAs are preferable, and the luminous efficiency is higher.
  • InP is more preferable because it becomes high and it becomes easy to obtain a full width at half maximum of light emission.
  • the shell of the core-shell particle of the present invention is a material that covers at least a part of the surface of the core, and is a so-called II-VI group semiconductor containing a Group II element and a Group VI element.
  • whether or not the shell covers at least part of the surface of the core is determined by, for example, composition distribution by energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX) using a transmission electron microscope.
  • TEM-EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • Group II elements Specific examples include zinc (Zn), cadmium (Cd), magnesium (Mg), and the like. Among these, Zn is preferable.
  • Group VI elements include sulfur (S), oxygen (O), selenium (Se), tellurium (Te), etc. Among them, S or Se is preferable. More preferably.
  • a II-VI group semiconductor in which the examples of the group II element and the group VI element described above are appropriately combined can be used as the shell, but it is preferably the same or similar crystal system as the core described above. .
  • ZnS and ZnSe are preferable, and ZnS is more preferable from the viewpoint of safety and the like.
  • the core-shell particles of the present invention desirably have coordinating molecules on the surface from the viewpoint of imparting dispersibility and reducing surface defects.
  • the coordinating molecule preferably contains an aliphatic hydrocarbon from the viewpoint of dispersibility in a nonpolar solvent. Further, from the viewpoint of improving dispersibility, the coordination molecule is preferably a ligand having at least 6 carbon atoms in the main chain, and is a ligand having 10 or more carbon atoms in the main chain. Is more preferable.
  • Such a coordination molecule may be a saturated compound or an unsaturated compound.
  • decanoic acid lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, behenic acid
  • examples include oleic acid, erucic acid, oleylamine, dodecylamine, dodecanethiol, 1,2-hexadecanethiol, trioctylphosphine oxide, cetrimonium bromide, and these may be used alone or in combination of two or more. You may use together.
  • III-V semiconductors are not inhibited, the formation of oxides is suppressed, and even when a low-reactivity group V material (for example, trisdialkylaminophosphine) is used, it is good.
  • a low-reactivity group V material for example, trisdialkylaminophosphine
  • the ratio (C / A) of the group VI element peak intensity ratio C to the group III element peak intensity ratio A measured by XPS analysis is 0. It is preferably 80 or more, more preferably 0.90 or more, and further preferably 1.2 or more.
  • the average particle diameter is preferably 2 nm or more, because it is easy to synthesize particles of uniform size and the emission wavelength can be easily controlled by the quantum size effect. Is more preferable.
  • the average particle diameter refers to the value of an arithmetic average obtained by directly observing at least 20 particles with a transmission electron microscope and calculating the diameter of a circle having the same area as the projected area of the particles.
  • the above-described method for producing core-shell particles for synthesizing the core-shell particles of the present invention includes a group III material containing a group III element, a group II material containing a group II element, A first step of preparing a dissolved mixed solution, a second step of adding a group V raw material containing a group V element to the mixed solution to form a core containing a group III element and a group V element, A third step of adding a Group VI material containing a Group VI element to the mixed solution after forming the core, and forming a shell containing the Group II element and the Group VI element on at least a part of the surface of the core.
  • the first step is a step of preparing a dissolved mixed solution by mixing a Group III material containing a Group III element and a Group II material containing a Group II element.
  • the group III raw material and II are added in the solution containing the above-mentioned coordination molecule.
  • An embodiment in which a group raw material is added and dissolved is preferred.
  • Group III raw material Specific examples of Group III materials containing Group III elements include, for example, indium chloride, indium oxide, indium nitrate, indium sulfate, indium acid; aluminum phosphate, acetylacetonatoaluminum, aluminum chloride, aluminum fluoride, and oxidation.
  • the chloride of In is used because a good semiconductor crystal (core) is obtained even when a low-reactivity group V raw material (for example, trisdialkylaminophosphine) is used and oxidation is unlikely to occur. It is preferable to use indium chloride.
  • Group II raw materials include, for example, dimethyl zinc, diethyl zinc, zinc carboxylate, acetylacetonato zinc, zinc iodide, zinc bromide, zinc chloride, zinc fluoride, and carbonic acid.
  • Examples include zinc, zinc cyanide, zinc nitrate, zinc oxide, zinc peroxide, zinc perchlorate, and zinc sulfate.
  • zinc chloride which is a chloride of Zn, is used because it is unlikely to oxidize and has a relatively high compatibility with any coordination molecule described later and a relatively high solubility in a nonpolar solvent. Is preferred.
  • Non-polar solvent In the production method of the present invention, in the first step, it is preferable to use a nonpolar solvent together with the above-mentioned group III raw material and group II raw material and any coordinating molecule.
  • the nonpolar solvent include aliphatic saturated hydrocarbons such as n-decane, n-dodecane, n-hexadecane, and n-octadecane; 1-undecene, 1-dodecene, 1-hexadecene, 1- Aliphatic unsaturated hydrocarbons such as octadecene; trioctylphosphine; and the like. Of these, aliphatic unsaturated hydrocarbons having 12 or more carbon atoms are preferable, and 1-octadecene is more preferable.
  • the method for dissolving the above-mentioned group III raw material and group II raw material, and any coordinating molecule is not particularly limited.
  • a method of heating to a temperature of 100 to 180 ° C. to dissolve is preferable.
  • the time required for the above-mentioned heat dissolution is 30 minutes or more.
  • the second step is a step of adding a group V material containing a group V element to a mixed solution in which a group III material and a group II material are dissolved to form a core containing the group III element and the group V element.
  • a group II raw material that is a raw material of the shell.
  • the Group II raw material is hardly consumed for the formation of the core, and most of it is present on the surface of the formed core.
  • the presence of the Group II raw material that is the shell material at the time of forming the core further increases the luminous efficiency of the obtained core-shell particles. This is because when a group VI raw material is added to form a shell in the third step, a more uniform coating is formed by the reaction between the group II raw material and the group VI raw material present on the surface of the core in advance. It is considered that the interface between the core and the shell is slightly delocalized (in a solid solution state).
  • Group V materials containing Group V elements include, for example, tristrialkylsilylphosphine, trisdialkylsilylphosphine, trisdialkylaminophosphine; arsenic oxide, arsenic chloride, arsenic sulfate, arsenic bromide, arsenic iodide Nitrogen monoxide, nitric acid, ammonium nitrate; and the like.
  • tristrialkylsilylphosphine and trisdialkylaminophosphine From the viewpoint of safety and cost, it is more preferable to use trisdialkylaminophosphine.
  • trisdimethylaminophosphine is used. More preferably it is used.
  • the second step is preferably performed under heating conditions from the viewpoint of dissolving the group V raw material described above and increasing the reactivity with the group III raw material.
  • the heating temperature is preferably less than 230 ° C. from the viewpoint of suppressing the influence of Ostwald ripening and making the core particle size uniform.
  • the heating temperature is not particularly limited because it can be appropriately adjusted depending on the Group V raw material to be added. For example, when trisdimethylaminophosphine is used, it is preferably 120 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or higher. It is still more preferable that it is 180 degrees C or less. By heating at a temperature of 120 ° C. or higher and 200 ° C.
  • the heating time is not particularly limited because it can be appropriately adjusted depending on the particle size of the core, but considering the general core size used for the quantum dots, the heating time is about 0.5 to 120 minutes. preferable.
  • a group VI raw material containing a group VI element is added to the mixed solution after forming the core, and a shell containing a group II element and a group VI element is formed on at least a part of the surface of the core. This is a process characterized by being performed at a temperature of 230 ° C. or higher.
  • Group VI raw materials include sulfur, alkylthiol, trialkylphosphine sulfide, trialkenylphosphine sulfide, alkylaminosulfide, alkenylaminosulfide, cyclohexyl isothiocyanate, diethyldithiocarbamic acid, and diethyl.
  • Dithiocarbamic acid Trithiocarbamic acid; trialkylphosphine selenium, trialkenylphosphine selenium, alkylaminoselenium, alkenylaminoselenium, trialkylphosphine telluride, trialkenylphosphine telluride, alkylamino telluride, alkenylamino telluride; and the like.
  • alkylthiol because the dispersibility of the obtained core-shell particles is good.
  • dodecanethiol or octanethiol it is more preferable to use dodecanethiol. preferable.
  • the heating temperature in the third step is 230 ° C. or higher, and preferably 240 ° C. or higher.
  • the heating temperature in the third step is 230 ° C. or higher, and preferably 240 ° C. or higher.
  • the heating temperature is preferably 250 ° C. or lower from the viewpoint of suppressing the formation of non-dispersible precipitates due to the above-described decomposition of the coordinating molecules.
  • the intensity ratio (B / A) described above is 0.35 or more, and the luminous efficiency is better, and therefore, heating is preferably performed at a temperature of 230 ° C. or more for 1 hour or more, and 7 hours or more It is more preferable to heat.
  • the group VI material but also the above-mentioned group II material may be further added for the reason that the luminous efficiency becomes better.
  • the film of the present invention is a film containing the core-shell particles of the present invention described above. Since the film of the present invention has high luminous efficiency and is useful as a quantum dot, it is applied to, for example, a wavelength conversion film for display use, a photoelectric conversion (or wavelength conversion) film for solar cells, a biomarker, a thin film transistor, and the like. can do.
  • the film material as a base material which comprises the film of this invention is not specifically limited, Resin may be sufficient and a thin glass film
  • membrane may be sufficient.
  • ionomer polyethylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polypropylene, polyester, polycarbonate, polystyrene, polyacrylonitrile, ethylene vinyl acetate copolymer, ethylene-vinyl alcohol copolymer, ethylene-methacrylic acid
  • ⁇ Second step> Next, under a nitrogen flow, the flask was heated to the temperature shown in Table 1 below and kept for 50 minutes. When the temperature of the solution was stabilized, 1.5 mL (8.27 mmol) of trisdimethylaminophosphine as a Group V raw material was added and heated for 25 minutes while maintaining the temperature shown in Table 1 below. After heating, it was confirmed that the solution was colored red and particles (core) were formed.
  • ⁇ Third step> in a state where the solution containing the core was heated to the temperature shown in Table 1 below, 17.96 mL of dodecanethiol as a Group VI raw material was added, and heating was performed for 7 hours while maintaining the temperature shown in Table 1 below. Subsequently, after cooling the obtained solution to room temperature, ethanol was added and centrifuged to precipitate particles. After discarding the supernatant, it was dispersed in a toluene solvent to prepare a solution in which nanoparticles (InP / ZnS) having In and P as cores and Zn and S as shells were dispersed.
  • nanoparticles InP / ZnS
  • Table 1 shows the ratio of the peak intensity ratio C of the group VI element (S) to the peak intensity ratio A of the group III element (In) as “intensity ratio (C / A)”.
  • Luminescence efficiency About each prepared nanoparticle dispersion liquid, the density
  • the half-value width of light emission was determined by measuring the fluorescence spectrum of each prepared nanoparticle dispersion using light having an excitation wavelength of 450 nm at room temperature. Specifically, the wavelength that is half of the peak intensity of the observed fluorescence spectrum was obtained, and calculated from the difference in wavelength.
  • the “strength ratio (B / A)” indicating the ratio of the peak intensity ratio B of the group II element (Zn) to the peak intensity ratio A of the group III element (In) is less than 0.25. It was found that the luminous efficiency was inferior (Comparative Examples 1 to 3). On the other hand, it was found that when the intensity ratio (B / A) was 0.25 or more, the luminous efficiency was high in all cases (Examples 1 to 7). Further, it was found from the comparison of Examples 1 to 7 that when the intensity ratio (B / A) was 0.35 or more, the luminous efficiency was higher in all cases (Examples 2 to 5 and 7).

Abstract

 本発明は、発光効率が高く、量子ドットとして有用なコアシェル粒子およびその製造方法、ならびに、コアシェル粒子を用いたフィルムを提供することを課題とする。本発明のコアシェル粒子は、III族元素およびV族元素を含有するコアと、コアの表面の少なくとも一部を覆うII族元素およびVI族元素を含有するシェルとを有するコアシェル粒子であって、X線光電子分光分析により測定される、III族元素のピーク強度比に対するII族元素のピーク強度比の割合が0.25以上である、コアシェル粒子である。

Description

コアシェル粒子、コアシェル粒子の製造方法およびフィルム
 本発明は、コアシェル粒子およびその製造方法ならびにコアシェル粒子を含有するフィルムに関する。
 コロイド状の半導体ナノ粒子(いわゆる量子ドット)への応用が期待される半導体微粒子として、これまでにII-VI族半導体微粒子や、III-V族半導体微粒子等が知られている。
 これらの半導体微粒子の粒径は、数ナノメートルから十数ナノメートル程度である。
 また、このようなナノスケールの粒子は、いわゆる量子サイズ効果により、一般に粒径が小さくなるほどバンドギャップが大きくなり、紫外領域や近紫外領域等の短波長領域における発光を示す。
 そのため、このような半導体微粒子特有の光学特性を活かすべく、圧電素子、電子デバイス、発光素子、レーザー等、さまざまなデバイスへの応用が研究開発されている。
 例えば、非特許文献1には、CdやPdを含まない量子ドットとして、コアにInP、シェルにZnSを含むナノ粒子が記載されている。
 また、特許文献1には、「III族元素およびV族元素を含有するコアとII族元素およびVI族元素を含有する厚さ0.2ナノメートル以上4ナノメートル以下のシェルからなるコア/シェル構造を有し、V族元素に対するIII族元素のモル比が1.25~3.0であり、かつ蛍光発光効率が10%以上である直径2.5~10ナノメートルのナノ粒子。」が記載されており([請求項1])、具体的には、コアにInP、シェルにZnSを含むナノ粒子が記載されている([請求項6])。
 また、特許文献2には、「In成分を含有した第1の原料とZn成分を含有した第2の原料とを溶解させて第1の溶液を作製する一方、P成分を含有した第3の原料とS成分を含有した第4の原料とを溶解させた第2の溶液を作製し、前記第1の溶液と前記第2の溶液とを接触させてInPとZnSとが複合した化合物半導体粒子を製造することを特徴とする化合物半導体粒子の製造方法。」が記載されており([請求項1])、In成分とZn成分との混合比率をモル比で9/1~1/9とする態様が記載されている([請求項7][0053])。
特開2010-138367号公報 特開2012-144587号公報
W. S. Song et al, 「Amine-derived synthetic approach to color-tunable InP/ZnS quantum dots with high fluorescent qualities」, J Nanopart Res (2013) 15:1750.
 本発明者は、特許文献1および2ならびに非特許文献1に記載された粒子について検討したところ、合成プロセス(例えば、原料、反応温度、反応時間など)によっては、発光効率が劣る場合があることを明らかとした。
 そこで、本発明は、発光効率が高く、量子ドットとして有用なコアシェル粒子およびその製造方法、ならびに、コアシェル粒子を用いたフィルムを提供することを課題とする。
 本発明者は、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、III-V族半導体からなるコアとII-VI族半導体からなるシェルとを有し、コアに含まれるIII族元素とシェルに含まれるII族元素とのピーク強度比の比率が所定の値となることにより、発光効率が良好となることを見出し、本発明を完成させた。
 すなわち、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。
 [1] III族元素およびV族元素を含有するコアと、コアの表面の少なくとも一部を覆うII族元素およびVI族元素を含有するシェルとを有するコアシェル粒子であって、
 X線光電子分光分析により測定される、III族元素のピーク強度比に対するII族元素のピーク強度比の割合が0.25以上である、コアシェル粒子。
 [2] X線光電子分光分析により測定される、III族元素のピーク強度比に対するVI族元素のピーク強度比の割合が0.80以上である、[1]に記載のコアシェル粒子。
 [3] III族元素がInであり、V族元素がP、NおよびAsのいずれかである、[1]または[2]に記載のコアシェル粒子。
 [4] III族元素がInであり、V族元素がPである、[3]に記載のコアシェル粒子。
 [5] II族元素がZnであり、VI族元素がSまたはSeである、[1]~[4]のいずれかに記載のコアシェル粒子。
 [6] II族元素がZnであり、VI族元素がSである、[5]に記載のコアシェル粒子。
 [7] X線光電子分光分析により測定される、III族元素のピーク強度比に対するII族元素のピーク強度比の割合が0.35以上である、[1]~[6]のいずれかに記載のコアシェル粒子。
 [8] [1]~[7]のいずれかに記載のコアシェル粒子を合成するコアシェル粒子の製造方法であって、
 III族元素を含むIII族原料と、II族元素を含むII族原料とを混合し、溶解した混合溶液を調製する第1工程と、
 混合溶液に、V族元素を含むV族原料を添加し、III族元素およびV族元素を含有するコアを形成する第2工程と、
 コアを形成した後の混合溶液に、VI族元素を含むVI族原料を添加し、コアの表面の少なくとも一部に、II族元素およびVI族元素を含有するシェルを形成する第3工程とを有し、
 第3工程が230℃以上の温度で行われる、コアシェル粒子の製造方法。
 [9] 第2工程が230℃未満の温度で行われる、[8]に記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [10] 第2工程が120℃以上200℃以下の温度で行なわれる、[9]に記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [11] 第3工程が240℃以上の温度で行われる、[8]~[10]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [12] III族元素がInであり、V族元素がP、NおよびAsのいずれかである、[8]~[11]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [13] III族元素がInであり、V族元素がPである、[12]に記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [14] II族元素がZnであり、VI族元素がSまたはSeである、[8]~[13]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [15] II族元素がZnであり、VI族元素がSである、[14]に記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [16] III族原料がInの塩化物である、[8]~[15]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [17] II族原料がZnの塩化物である、[8]~[16]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [18] V族原料が、トリスジアルキルアミノホスフィンである、[8]~[17]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [19] VI族原料が、アルキルチオールである、[8]~[18]のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
 [20] [1]~[7]のいずれかに記載のコアシェル粒子を含有するフィルム。
 本発明によれば、発光効率が高く、量子ドットとして有用なコアシェル粒子およびその製造方法、ならびに、コアシェル粒子を用いたフィルムを提供することができる。
 以下、本発明について詳細に説明する。
 以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
 なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
[コアシェル粒子]
 本発明のコアシェル粒子は、III族元素およびV族元素を含有するコアと、コアの表面の少なくとも一部を覆うII族元素およびVI族元素を含有するシェルとを有するコアシェル粒子である。
 また、本発明のコアシェル粒子は、X線光電子分光〔X-ray Photoelectron Spectroscopy(以下、「XPS」ともいう。)〕分析により測定される、III族元素のピーク強度比Aに対するII族元素のピーク強度比Bの割合〔以下、「強度比率(B/A)」ともいう。〕が0.25以上である。
 ここで、本発明においては、XPS分析によるピーク強度比とは、以下の測定条件により観測されたピークから、バックグラウンドを差し引き、ピークの面積をエネルギーに対して積分した面積強度をいう。
 また、XPS分析によるピーク強度比の測定は、コアシェル粒子を含む分散液(溶媒:トルエン)をノンドープのSi基板上に塗布し、乾燥させたサンプルを用いて、以下の測定条件で行う。
 <測定条件>
 ・測定装置:Ulvac-PHI社製Quantera SXM型ESCA
 ・X線源:Al-Kα線(分析径100μm、25W、15kV)
 ・光電子取出角度:45°
 ・測定範囲:300μm×300μm
 ・補正:電子銃・低速イオン銃併用による帯電補正
 ・測定元素(測定軌道):C(1s)、N(1s)、O(1s)、Si(2p)、P(2p、S(2p)、Cl(2p)、Zn(2p3/2)、Ga(2p3/2)、In(3d5/2)
 本発明のコアシェル粒子は、強度比率(B/A)が0.25以上となることにより、発光効率が良好となる。
 このように発光効率が良好となる理由は、詳細には明らかではないが、およそ以下のとおりと推測される。
 まず、強度比率(B/A)が0.25未満である、言い換えると、コアに含まれるIII族元素のピーク強度比Aが大きいと、シェルの形成が不均一ないし不十分となり、コアからの信号強度が相対的に強くなるため、発光効率が劣ると考えられる。これは、後述する比較例の結果からも推察することができる。
 そのため、本発明のコアシェル粒子は、強度比率(B/A)が0.25以上であることにより、コアに対するシェルの被覆が均一ないし十分となり、コアからの信号強度が相対的に抑制されることにより発光効率が向上すると考えられる。
 本発明においては、発光効率がより良好となる理由から、強度比率(B/A)が0.35以上であるのが好ましい。
 また、コアシェル粒子の分散性等の観点から、強度比率(B/A)が10以下であるのが好ましい。
 〔コア〕
 本発明のコアシェル粒子が有するコアは、III族元素およびV族元素を含有する、いわゆるIII-V族半導体である。
 <III族元素>
 III族元素としては、具体的には、例えば、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)等が挙げられ、なかでも、Inであるのが好ましい。
 <V族元素>
 V族元素としては、具体的には、例えば、P(リン)、N(窒素)、As(ヒ素)等が挙げられ、なかでも、Pであるのが好ましい。
 本発明においては、コアとして、上述したIII族元素およびV族元素の例示を適宜組み合わせたIII-V族半導体を用いることができるが、InP、InN、InAsであるのが好ましく、発光効率がより高くなり、良好な発光の半値幅を得やすくなる理由から、InPであるのがより好ましい。
 〔シェル〕
 本発明のコアシェル粒子が有するシェルは、コアの表面の少なくとも一部を覆う材料であって、II族元素およびVI族元素を含有する、いわゆるII-VI族半導体である。
 ここで、本発明においては、シェルがコアの表面の少なくとも一部を被覆しているか否かは、例えば、透過型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)による組成分布解析によっても確認することが可能であるが、後述する実施例および比較例の対比からも明らかな通り、上述した強度比率(B/A)が0.25以上であれば、必然的に満たすものである。
 <II族元素>
 II族元素としては、具体的には、例えば、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)等が挙げられ、なかでもZnであるのが好ましい。
 <VI族元素>
 VI族元素としては、具体的には、例えば、硫黄(S)、酸素(O)、セレン(Se)、テルル(Te)等が挙げられ、なかでもSまたはSeであるのが好ましく、Sであるのがより好ましい。
 本発明においては、シェルとして、上述したII族元素およびVI族元素の例示を適宜組み合わせたII-VI族半導体を用いることができるが、上述したコアと同一または類似の結晶系であるのが好ましい。
 具体的には、ZnS、ZnSeであるのが好ましく、安全性等の観点から、ZnSであるのがより好ましい。
 〔配位性分子〕
 本発明のコアシェル粒子は、分散性を付与し、表面欠陥を低減する観点から、表面に配位性分子を有していることが望ましい。
 配位性分子は、非極性溶媒への分散性等の観点から、脂肪族炭化水素を含むことが好ましい。
 また、配位性分子は、分散性を向上する観点から、主鎖の炭素数が少なくとも6以上の配位子であることが好ましく、主鎖の炭素数が10以上の配位子であることがより好ましい。
 このような配位性分子としては、飽和化合物であっても不飽和化合物であってもよく、具体的には、例えば、デカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘン酸、オレイン酸、エルカ酸、オレイルアミン、ドデシルアミン、ドデカンチオール、1,2-ヘキサデカンチオール、トリオクチルホスフィンオキシド、臭化セトリモニウム等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
 これらのうち、III-V族半導体の生成を阻害せず、また、酸化物の形成を抑制し、さらに、反応性の低いV族原料(例えば、トリスジアルキルアミノホスフィンなど)を用いた場合でも良好な半導体結晶が得られる理由から、酸素原子を含まないオレイルアミンやドデシルアミンなどのアミン系化合物を用いることが望ましい。
 〔他の強度比率〕
 本発明のコアシェル粒子は、発光効率がより良好となる理由から、XPS分析により測定されるIII族元素のピーク強度比Aに対するVI族元素のピーク強度比Cの割合(C/A)が0.80以上であるのが好ましく、0.90以上であるのがより好ましく、1.2以上であるのが更に好ましい。
 〔平均粒子径〕
 本発明のコアシェル粒子は、均一なサイズの粒子を合成しやすく、かつ、量子サイズ効果による発光波長の制御が容易となる理由から、平均粒子径は2nm以上であるのが好ましく、10nm以下であるのがより好ましい。
 ここで、平均粒子径は、透過電子顕微鏡で少なくとも20個の粒子を直接観察し、粒子の投影面積と同一面積を有する円の直径を算出し、それらの算術平均の値をいう。
[コアシェル粒子の製造方法]
 上述した本発明のコアシェル粒子を合成するコアシェル粒子の製造方法(以下、「本発明の製造方法」ともいう。)は、III族元素を含むIII族原料と、II族元素を含むII族原料とを混合し、溶解した混合溶液を調製する第1工程と、混合溶液にV族元素を含むV族原料を添加し、III族元素およびV族元素を含有するコアを形成する第2工程と、コアを形成した後の混合溶液にVI族元素を含むVI族原料を添加し、コアの表面の少なくとも一部に、II族元素およびVI族元素を含有するシェルを形成する第3工程とを有し、第3工程が230℃以上の温度で行われる、コアシェル粒子の製造方法である。
 ここで、II族元素、III族元素、V族元素およびVI族元素については、上述した本発明のコアシェル粒子において説明したものと同様である。
 以下に、各処理工程における原料や条件について詳述する。
 〔第1工程〕
 第1工程は、III族元素を含むIII族原料と、II族元素を含むII族原料とを混合し、溶解した混合溶液を調製する工程である。
 本発明の製造方法においては、得られるコアシェル粒子の表面に上述した配位性分子を形成させる観点から、第1工程において、上述した配位性分子を含有する溶液中に、III族原料およびII族原料を添加し、溶解させる態様が好ましい。
 <III族原料>
 III族元素を含むIII族原料としては、具体的には、例えば、塩化インジウム、酸化インジウム、硝酸インジウム、硫酸インジウム、インジウム酸;リン酸アルミニウム、アセチルアセトナトアルミニウム、塩化アルミニウム、フッ化アルミニウム、酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、アセチルアセトナトガリウム、塩化ガリウム;フッ化ガリウム、酸化ガリウム、硝酸ガリウム、硫酸ガリウム;等が挙げられる。
 これらのうち、反応性の低いV族原料(例えば、トリスジアルキルアミノホスフィンなど)を用いた場合でも良好な半導体結晶(コア)が得られ、かつ、酸化が起こりにくいという理由から、Inの塩化物である塩化インジウムを用いるのが好ましい。
 <II族原料>
 II族元素を含むII族原料としては、具体的には、例えば、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、亜鉛カルボキシル酸塩、アセチルアセトナト亜鉛、ヨウ化亜鉛、臭化亜鉛、塩化亜鉛、フッ化亜鉛、炭酸亜鉛、シアン化亜鉛、硝酸亜鉛、酸化亜鉛、過酸化亜鉛、亜鉛過塩素酸塩、硫酸亜鉛等が挙げられる。
 これらのうち、酸化が起こりにくく、かつ、後述する任意の配位性分子との相溶性や非極性溶媒への溶解性が比較的高いという理由から、Znの塩化物である塩化亜鉛を用いるのが好ましい。
 <配位性分子>
 第1工程において上述したIII族原料およびII族原料とともに、上述した配位性分子を用いる場合は、上述した通り、酸素原子を含まないオレイルアミンやドデシルアミンなどのアミン系化合物を用いることが望ましい。
 <非極性溶媒>
 本発明の製造方法においては、第1工程において、上述したIII族原料およびII族原料ならびに任意の配位性分子とともに、非極性溶媒を用いるのが好ましい。
 非極性溶媒としては、具体的には、例えば、n-デカン、n-ドデカン、n-ヘキサデカン、n-オクタデカンなどの脂肪族飽和炭化水素;1-ウンデセン、1-ドデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセンなどの脂肪族不飽和炭化水素;トリオクチルホスフィン;等が挙げられる。
 これらのうち、炭素数12以上の脂肪族不飽和炭化水素が好ましく、1-オクタデセンがより好ましい。
 <溶解条件>
 第1工程において、上述したIII族原料およびII族原料ならびに任意の配位性分子等を溶解する方法は特に限定されず、例えば、100~180℃の温度に加熱して溶解させる方法が好ましい。なお、この際に、減圧条件下で加熱することより、溶解させた混合溶液から溶存酸素や水分などを除去することが好ましい。
 また、上述した加熱溶解に要する時間は、30分以上であることが好ましい。
 〔第2工程〕
 第2工程は、III族原料およびII族原料を溶解した混合溶液に、V族元素を含むV族原料を添加し、III族元素およびV族元素を含有するコアを形成する工程である。
 ここで、本発明の製造方法においては、上述した第1工程においてII族原料を添加しているため、第2工程においてコアを形成する際に、シェルの原料であるII族原料が存在していることになるが、II族原料は、コアの形成には殆ど消費されず、その多くが形成されたコアの表面に存在していると考えられる。
 また、このように、コアの形成時にシェルの材料であるII族原料が存在することにより、得られるコアシェル粒子の発光効率がより高くなる。これは、第3工程においてVI族原料を添加してシェルを形成させる際に、予めコアの表面に存在しているII族原料とVI族原料とが反応することにより、より均一な被覆が形成されるともに、コアとシェルとの界面が僅かに非局在化している(固溶状態となっている)ためと考えられる。
 <V族原料>
 V族元素を含むV族原料としては、具体的には、例えば、トリストリアルキルシリルホスフィン、トリスジアルキルシリルホスフィン、トリスジアルキルアミノホスフィン;酸化砒素、塩化砒素、硫酸砒素、臭化砒素、ヨウ化砒素;一酸化窒素、硝酸、硝酸アンモニウム;等が挙げられる。
 これらのうち、トリストリアルキルシリルホスフィン、トリスジアルキルアミノホスフィンを用いるのが好ましく、安全性やコストなどの観点から、トリスジアルキルアミノホスフィンを用いるのがより好ましく、具体的には、トリスジメチルアミノホスフィンを用いるのが更に好ましい。
 <加熱条件>
 第2工程は、上述したV族原料を溶解させ、III族原料との反応性を高める観点から、加熱条件下で行うことが好ましい。
 ここで、加熱温度は、オストワルド熟成の影響を抑制し、コアの粒径を均一にする観点から、230℃未満であるのが好ましい。
 また、加熱温度は、添加するV族原料によって適宜調整できるため特に限定されないが、例えば、トリスジメチルアミノホスフィンを用いた場合には、120℃以上200℃以下であるのがより好ましく、150℃以上180℃以下であるのが更に好ましい。120℃以上200℃以下の温度で加熱することにより、形成されるコアの不均一性が低減し、発光の半値幅を小さい値に制御しやすくなる。
 一方、加熱時間は、コアの粒子サイズによって適宜調整できるため特に限定されないが、量子ドットに用いられる一般的なコアのサイズを考慮すると、0.5分から120分程度の時間を掛けて行うのが好ましい。
 〔第3工程〕
 第3工程は、コアを形成した後の混合溶液に、VI族元素を含むVI族原料を添加し、コアの表面の少なくとも一部に、II族元素およびVI族元素を含有するシェルを形成する工程であり、230℃以上の温度で行うことを特徴とする工程である。
 <VI族原料>
 VI族元素を含むVI族原料としては、具体的には、例えば、硫黄、アルキルチオール、トリアルキルホスフィンスルフィド、トリアルケニルホスフィンスルフィド、アルキルアミノスルフィド、アルケニルアミノスルフィド、イソチオシアン酸シクロヘキシル、ジエチルジチオカルバミン酸、ジエチルジチオカルバミン酸;トリアルキルホスフィンセレン、トリアルケニルホスフィンセレン、アルキルアミノセレン、アルケニルアミノセレン、トリアルキルホスフィンテルリド、トリアルケニルホスフィンテルリド、アルキルアミノテルリド、アルケニルアミノテルリド;等が挙げられる。
 これらのうち、得られるコアシェル粒子の分散性が良好となる理由から、アルキルチオールを用いるのが好ましく、具体的には、ドデカンチオール、オクタンチオールを用いるのがより好ましく、ドデカンチオールを用いるのが更に好ましい。
 <加熱条件>
 第3工程における加熱温度は、上述した通り、230℃以上であり、240℃以上であるのが好ましい。
 本発明の製造方法においては、第3工程における加熱温度を230℃以上とすることにより、シェル層の形成が促進され、上述した強度比率(B/A)が0.25以上となる。
 また、加熱温度は、上述した配位性分子の分解などによる非分散性沈殿物の生成を抑制する観点から、250℃以下であるのが好ましい。
 一方、加熱時間は、上述した強度比率(B/A)が0.35以上となり、発光効率がより良好となる理由から、230℃以上の温度で1時間以上加熱することが好ましく、7時間以上加熱することがより好ましい。
 本発明の製造方法の第3工程においては、発光効率がより良好となる理由から、VI族原料だけでなく、上述したII族原料を更に添加してもよい。
[フィルム]
 本発明のフィルムは、上述した本発明のコアシェル粒子を含有するフィルムである。
 このような本発明のフィルムは、発光効率が高く、量子ドットとして有用であるため、例えば、ディスプレイ用途の波長変換フィルム、太陽電池の光電変換(または波長変換)フィルム、生体標識、薄膜トランジスタ等に適用することができる。
 また、本発明のフィルムを構成する母材としてのフィルム材料は特に限定されず、樹脂であってもよく、薄いガラス膜であってもよい。
 具体的には、アイオノマー、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン-ビニルアルコール共重合体、エチレン-メタクリル酸共重合体フィルム、ナイロン等をベースとする樹脂材料が挙げられる。
 以下に実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。
 〔実施例1~7、比較例1~3〕
 <第1工程>
 フラスコ中に、配位性分子としてのオレイルアミン29.50mL、III族原料としての塩化インジウム1.20g(5.4mmol)、および、II族原料としての塩化亜鉛0.736g(5.4mmol)を添加し、減圧条件下、100℃で加熱撹拌を行い、原料を溶解させるとともに、50分間脱気を行った。
 <第2工程>
 次いで、窒素フロー下で、フラスコを下記表1に示す温度まで昇温し、50分間キープした。
 溶液の温度が安定したところで、V族原料としてのトリスジメチルアミノホスフィン1.5mL(8.27mmol)を加え、下記表1に示す温度を維持した状態で25分間加熱した。
 加熱した後、溶液が赤色に着色し、粒子(コア)が形成している様子が確認できた。
 <第3工程>
 次いで、コアを含む溶液を下記表1に示す温度に加熱した状態において、VI族原料としてのドデカンチオールを17.96mL加え、下記表1に示す温度を維持した状態で7時間加熱を行なった。
 次いで、得られた溶液を室温まで冷却した後、エタノールを加え、遠心分離を行い、粒子を沈殿させた。
 上澄みを廃棄した後、トルエン溶媒に分散させることにより、InおよびPをコアとし、ZnおよびSをシェルとするナノ粒子(InP/ZnS)が分散した溶液を調製した。
 〔強度比率〕
 調製した各ナノ粒子分散液をノンドープのシリコン基板上に滴下し、乾燥さることにより薄膜を形成したサンプルを用いて、XPS装置Quantera SXM型ESCA(Ulvac-PHI社製)により、In、P、ZnおよびSのピーク強度比を測定した。
 測定条件は以下に示す通りであり、III族元素(In)のピーク強度比Aに対するII族元素(Zn)のピーク強度比Bの割合を「強度比率(B/A)」として下記表1に示し、III族元素(In)のピーク強度比Aに対するVI族元素(S)のピーク強度比Cの割合を「強度比率(C/A)」として下記表1に示す。
 <測定条件>
 ・X線源:Al-Kα線(分析径100μm、25W、15kV)
 ・光電子取出角度:45°
 ・測定範囲:300μm×300μm
 ・補正:電子銃・低速イオン銃併用による帯電補正
 〔発光効率〕
 調製した各ナノ粒子分散液について、450nmの励起波長において吸光度が0.02程度となるように溶液の濃度を調製し、絶対PL量子収率測定装置C9920-02(浜松ホトニクス社製)を用いて発光効率を測定した。
 なお、下記表1中の発光効率は、吸収フォトン数に対する発光フォトン数の割合として算出したものである。
 〔発光の半値幅〕
 発光の半値幅は、室温において、励起波長450nmの光を用いて、調製した各ナノ粒子分散液の蛍光スペクトルを測定して求めた。具体的には、観測される蛍光スペクトルのピーク強度に対して、その強度の半分となる波長をそれぞれ求め、その波長の差から算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示す結果から、III族元素(In)のピーク強度比Aに対するII族元素(Zn)のピーク強度比Bの割合を示す「強度比率(B/A)」が0.25未満であると、発光効率が劣ることが分かった(比較例1~3)。
 これに対し、強度比率(B/A)が0.25以上であると、いずれも発光効率が高くなることが分かった(実施例1~7)。
 また、実施例1~7の対比から、強度比率(B/A)が0.35以上であると、いずれも発光効率がより高くなることが分かった(実施例2~5および7)。
 また、実施例1~7の対比から、第2工程が230℃未満の温度で行われると、発光の半値幅が小さくなることが分かった(実施例1~5)。特に、実施例1~5の対比から、第2工程が120℃以上200℃以下の温度で行われ、第3工程が240℃以上の温度で行われると、発光の半値幅がより小さくなることが分かった(実施例2~4)。

Claims (20)

  1.  III族元素およびV族元素を含有するコアと、前記コアの表面の少なくとも一部を覆うII族元素およびVI族元素を含有するシェルとを有するコアシェル粒子であって、
     X線光電子分光分析により測定される、前記III族元素のピーク強度比に対する前記II族元素のピーク強度比の割合が0.25以上である、コアシェル粒子。
  2.  X線光電子分光分析により測定される、前記III族元素のピーク強度比に対する前記VI族元素のピーク強度比の割合が0.80以上である、請求項1に記載のコアシェル粒子。
  3.  前記III族元素がInであり、前記V族元素がP、NおよびAsのいずれかである、請求項1または2に記載のコアシェル粒子。
  4.  前記III族元素がInであり、前記V族元素がPである、請求項3に記載のコアシェル粒子。
  5.  前記II族元素がZnであり、前記VI族元素がSまたはSeである、請求項1~4のいずれか1項に記載のコアシェル粒子。
  6.  前記II族元素がZnであり、前記VI族元素がSである、請求項5に記載のコアシェル粒子。
  7.  X線光電子分光分析により測定される、前記III族元素のピーク強度比に対する前記II族元素のピーク強度比の割合が0.35以上である、請求項1~6のいずれか1項に記載のコアシェル粒子。
  8.  請求項1~7のいずれか1項に記載のコアシェル粒子を合成するコアシェル粒子の製造方法であって、
     III族元素を含むIII族原料と、II族元素を含むII族原料とを混合し、溶解した混合溶液を調製する第1工程と、
     前記混合溶液に、V族元素を含むV族原料を添加し、前記III族元素および前記V族元素を含有するコアを形成する第2工程と、
     前記コアを形成した後の混合溶液に、VI族元素を含むVI族原料を添加し、前記コアの表面の少なくとも一部に、前記II族元素および前記VI族元素を含有するシェルを形成する第3工程とを有し、
     前記第3工程が230℃以上の温度で行われる、コアシェル粒子の製造方法。
  9.  前記第2工程が230℃未満の温度で行われる、請求項8に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  10.  前記第2工程が120℃以上200℃以下の温度で行なわれる、請求項9に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  11.  前記第3工程が240℃以上の温度で行われる、請求項8~10のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  12.  前記III族元素がInであり、前記V族元素がP、NおよびAsのいずれかである、請求項8~11のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  13.  前記III族元素がInであり、前記V族元素がPである、請求項12に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  14.  前記II族元素がZnであり、前記VI族元素がSまたはSeである、請求項8~13のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  15.  前記II族元素がZnであり、前記VI族元素がSである、請求項14に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  16.  前記III族原料がInの塩化物である、請求項8~15のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  17.  前記II族原料がZnの塩化物である、請求項8~16のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  18.  前記V族原料が、トリスジアルキルアミノホスフィンである、請求項8~17のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  19.  前記VI族原料が、アルキルチオールである、請求項8~18のいずれか1項に記載のコアシェル粒子の製造方法。
  20.  請求項1~7のいずれか1項に記載のコアシェル粒子を含有するフィルム。
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