WO2021065782A1 - 量子ドット、及び、その製造方法 - Google Patents

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俊明 島崎
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Definitions

  • the present invention relates to quantum dots that emit light in the near infrared region and a method for producing the same.
  • Quantum dots are nanoparticles with a particle size of several nm to several tens of nm, which are composed of hundreds to thousands of atoms. Quantum dots are also called fluorescent nanoparticles, semiconductor nanoparticles, or nanocrystals.
  • Quantum dots can have various emission wavelengths depending on the particle size and composition of the nanoparticles.
  • examples of the performance of the quantum dots include the quantum yield (Quantum Yield: QY) and the full width at half maximum (FWHM).
  • the present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a silver indium chalcogenide quantum dot exhibiting high-luminance near-infrared fluorescence, and a method for producing the same.
  • the quantum dot in the present invention is a nanocrystal represented by AgInE 2 (E is at least one of tellurium, selenium, or sulfur) containing silver, indium, and chalcogen, and has a fluorescence wavelength of , 700 to 1500 nm, the fluorescence half-value width is 150 nm or less, and the fluorescence quantum yield is higher than 20%.
  • the average particle size is preferably 1 nm or more and 15 nm or less.
  • the quantum dot in the present invention is a nanocrystal represented by AgInE 2 (E is at least one of tellurium, selenium, or sulfur) containing silver, indium, and chalcogen, and is fluorescent.
  • the wavelength is in the near infrared region of 700 to 1500 nm, and the average particle size is 1 nm or more and 15 nm or less.
  • it is preferable that the surface of the quantum dots is covered with a ligand.
  • the ligand is preferably selected from at least one or two of phosphine-based, aliphatic thiol-based, aliphatic amine-based, and aliphatic carboxylic acid-based.
  • the method for producing quantum dots in the present invention is to use AgInE 2 (E is tellurium or selenium) from a silver raw material, an indium raw material, and a chalcogenide raw material (the calcogenide is at least one of tellurium, selenium, or sulfur). Alternatively, it is characterized by synthesizing quantum dots represented as at least one of sulfur). In the present invention, it is preferable to synthesize the quantum dots in a solvent containing thiol.
  • the silver raw material, the indium raw material, the chalcogenide raw material, and the ligand are sequentially added to a high boiling point solvent having a boiling point of 150 ° C. or higher, and then the temperature is raised to synthesize the quantum dots. It is preferable to do so.
  • the reaction temperature it is preferable to synthesize the raw material solution by raising the reaction temperature from about 100 ° C. to about 260 ° C.
  • a step of dissolving the silver raw material, the indium raw material, the chalcogenide raw material, and one or two raw materials of the ligand in the high boiling point solvent heated to 60 ° C. to 120 ° C. It is preferable to have a step of sequentially adding other raw materials, and a step of synthesizing the quantum dots by raising the temperature to a reaction temperature of 180 ° C. or higher and 250 ° C. or lower after adding all the raw materials.
  • the half-value width of fluorescence in the near-infrared region can be narrowed, and high-infrared near-infrared fluorescence can be exhibited.
  • silver indium chalcogenide quantum dots can be directly and stably mass-produced by using a reactant that is easy to handle and without passing through an intermediate or the like.
  • FIG. 9 is an Absorption spectrum of AgInTe 2 in Example 1. It is a fluorescence (Photoluminescence: PL) spectrum of AgInTe 2 in Example 1.
  • FIG. 3 is a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph of AgInTe 2 in Example 1.
  • STEM scanning transmission electron microscope
  • FIG. 4A the left figure of FIG. 4B is a partial excerpt of the left figure of FIG. 4A.
  • XRD spectrum X ray diffraction
  • FIG. 1A is a schematic diagram of quantum dots in this embodiment.
  • the quantum dot 1 shown in FIG. 1A is a nanocrystal that is directly synthesized by using an easy-to-handle reactant and without passing through an intermediate or the like.
  • the quantum dots 1 are made of AgInE 2 (E is tellurium (Te), selenium (Se), or sulfur (S), which contains silver (Ag), indium (In), and chalcogen. It is a nanocrystal represented by at least one of them). Although not limited, it is preferably a nanocrystal containing AgInTe 2.
  • the quantum dots of the present embodiment have fluorescence characteristics due to band-end emission, and exhibit a quantum size effect from the size of the particles.
  • nanoclaystal refers to nanoparticles having a particle size of about 1 nm to several tens of nm.
  • a large number of quantum dots can be generated with a uniform particle size.
  • Uniform refers to a state in which 90% or more of particles are contained within ⁇ 30% of the average particle size.
  • the particle size of the quantum dots can be adjusted in the range of 1 nm or more and 15 nm or less.
  • the reactants when manufacturing quantum dots, the reactants must be easy to handle, do not pass through intermediates, etc., and the temperature should be raised from around 100 ° C to around 260 ° C in a high boiling point solvent after the raw materials are added in sequence. It is preferable that the condition that quantum dots can be synthesized is satisfied.
  • the quantum dot 1 of the present embodiment has a fluorescence wavelength in the near infrared region of 700 m to 1500 nm and a fluorescence half width of 150 nm or less.
  • the fluorescence half width is preferably 130 nm or less, and more preferably 120 nm or less. In the experiment described later, the fluorescence half width of the quantum dot 1 is set to about 100 nm.
  • the "full width at half maximum” refers to the full width at half maximum (Full Width at Half Maximum), which indicates the spread of the fluorescence wavelength at half the intensity of the peak value of the fluorescence intensity in the fluorescence spectrum.
  • reaction system for synthesizing quantum dots Ag raw materials, In raw materials, chalcogenide raw materials, and ligands, which are raw materials, are sequentially added to a high boiling point solvent to 100.
  • the temperature is raised from around ° C to around 260 ° C.
  • ligands 2 are coordinated on the surface of the quantum dots 1. As a result, the aggregation of the quantum dots 1 can be suppressed, and the desired optical characteristics can be exhibited.
  • the ligand that can be used in the reaction is not particularly limited, and for example, the following ligands are typical examples.
  • the fluorescence quantum yield (Quantum Yield) of the quantum dot 1 in this embodiment is 5% or more.
  • the fluorescence quantum yield is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, further preferably 25% or more, and even more preferably 30% or more.
  • the fluorescence quantum yield of the quantum dots can be increased. In the experiment described later, the fluorescence quantum yield of the quantum dot 1 is set to about 22%.
  • the fluorescence wavelength can be freely controlled to about 700 nm or more and 1500 nm or less.
  • the quantum dots in this embodiment are AgInE 2- based solid solutions using elemental chalcogen in addition to silver and indium.
  • the fluorescence wavelength can be controlled by adjusting the heating temperature, the heating time, the particle size of the quantum dots, and the composition of the quantum dots.
  • the fluorescence wavelength is preferably 800 nm or more, and more preferably 1100 nm or more.
  • the quantum dot 1 may have a core-shell structure including a core 1a and a shell 1b coated on the surface of the core 1a. As shown in FIG. 1B, it is preferable that a large number of organic ligands 2 are coordinated on the surface of the quantum dots 1.
  • the core 1a shown in FIG. 1B is AgInE 2 .
  • the shell 1b does not contain regulated heavy metals such as Cd, Hg, and Pd, and substances derived from highly reactive reactants such as metal amides and organolithium compounds.
  • the shell 1b may be in a state of being dissolved on the surface of the core 1a.
  • the boundary between the core 1a and the shell 1b is shown by a dotted line, which means that the boundary between the core 1a and the shell 1b may or may not be confirmed by analysis.
  • the fluorescence wavelength in the near infrared region of 700 to 1500 nmn and the fluorescence half width of 150 nm or less are set by the core 1a alone, that is, the quantum dot 1 of the core alone in FIG. 1A without using the shell 1b. Fluorescent characteristics can be obtained.
  • quantum dots of the present embodiment from a silver raw material, an indium raw material, and a chalcogenide raw material (carcogenide is at least one of tellurium, selenium, or sulfur), AgInE 2 (E is tellurium, selenium, or sulfur). Synthesize quantum dots represented as at least one of them).
  • silver chloride (I): AgCl, silver bromide (I): AgBr, silver iodide (I): AgI and the like can be used.
  • tellurium uses an organic tellurium compound (organotellurium compound) or an inorganic tellurium compound as a solid or dissolved in a high boiling solvent as a raw material.
  • organic tellurium compound organic tellurium compound
  • inorganic tellurium compound inorganic tellurium compound
  • tributyl dissolved tellurium tributylphosphine Phosphine terlide: (C 4 H 9 ) 3 P Te
  • a solution in which tellur is dissolved at a high temperature in a high boiling solvent which is a long-chain hydrocarbon such as octadecene can be used.
  • the selenium when selenium (Se) is dissolved as a solid, the selenium is a raw material obtained by dissolving an organic selenium compound (organoselenium compound) or an inorganic selenium compound in a solid state or in a high boiling point solvent. Use.
  • the sulfur when sulfur (Se) is dissolved as a solid solution, the sulfur is a raw material obtained by dissolving an organic sulfur compound (organic chalcogen compound) or an inorganic sulfur compound as a solid or in a high boiling point solvent. Used as.
  • an organic silver compound or an inorganic silver compound is added to a high boiling point solvent to dissolve it.
  • octadecene can be used as a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon having a boiling point of 150 ° C. or higher.
  • dodecylbenzene C 6 H 5 (CH 2 ) 11 CH 3
  • butyl butyrate C 4 H 9 COOC 4 H 9
  • Benzyl Butylate C 6 H 5 CH 2 COOC 4 H 9 and the like
  • an aliphatic thiol-based, an aliphatic amine-based, or an aliphatic compound or an aliphatic phosphorus-based compound is used as a solvent. It can also be used as.
  • the reaction temperature is set in the range of 100 ° C. or higher and 260 ° C. or lower to dissolve the silver compound.
  • the reaction temperature is preferably a lower temperature of 100 ° C. or higher and 240 ° C. or lower, more preferably a lower temperature of 100 ° C. or higher and 230 ° C. or lower, and even more preferably 80 ° C. or higher and 220 ° C. It is below ° C.
  • the reaction method is not particularly limited, but in order to obtain quantum dots having a high fluorescence quantum yield and a narrow full width at half maximum, the temperature is from a low temperature of about 100 ° C. to about 260 ° C. (preferably about 230 ° C.). Raising the temperature to a high temperature is important for synthesizing AgInTe 2 , AgInSe 2 , and AgInS 2. Therefore, one or two kinds of raw materials are dissolved in a high boiling point solvent heated to about 100 ° C., other raw materials are sequentially added to the solution, and then the temperature is raised to about 260 ° C. , It is preferable to synthesize quantum dots.
  • thiol is used as Te, Se or in the reaction of the precursor silver raw material, indium raw material, and chalcogen raw material. It is preferable to add 1 to 200 equivalents with respect to S, and in order to obtain quantum dots having high fluorescence intensity, it is more preferable to add 5 to 1000 equivalents, and even more preferably 50 to 10000 equivalents.
  • the thiol is not limited, but for example, octadecane thiol: C 18 H 37 SH, hexane decane thiol: C 16 H 33 SH, tetradecane thiol: C 14 H 29 SH, dodecane thiol: C 12 H 25 SH, decane.
  • Thiol: C 10 H 21 SH, octane thiol: C 8 H 17 SH and the like can be used.
  • Examples of the compound having the above-mentioned role include a ligand capable of forming a complex with silver.
  • a ligand capable of forming a complex with silver For example, phosphorus-based ligands, amine-based ligands, thiol-based ligands, and carboxylic acid-based ligands are preferable, and among them, thiol-based ligands are particularly preferable because of their high efficiency.
  • Luminescent quantum dots can be manufactured.
  • one or two of the above-mentioned silver raw material, indium raw material, chalcogenide raw material, and ligand are used in the high boiling point solvent heated from 60 ° C. to 120 ° C. It is preferable to have a step of melting, a step of sequentially adding other raw materials, and a step of adding all the raw materials and then raising the temperature to a reaction temperature of 180 ° C. or higher and 250 ° C. or lower to synthesize quantum dots.
  • ⁇ Raw materials> the following raw materials were used for synthesizing the silver chalcogenide compound (AgInE 2 system) quantum dots that emit light in the near infrared region.
  • chalcogen raw material) Tellurium (4N: 99.99%) Made by Shinko Kagaku Co., Ltd. or Aldrich (indium raw material) Indium acetate: manufactured by Shinko Kagaku Co., Ltd. (silver raw material) Silver acetate: manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.
  • Example 1 Silver acetate: Ag (OAc) 33.4 mg, dodecanethiol: DDT 5.0 mL, and octadecene: ODE 5.0 mL were placed in a 100 mL reaction vessel. Then, the raw material was dissolved by heating with stirring at 120 ° C. for 10 minutes in an atmosphere of an inert gas (N 2). Indium acetate: In (OAc) 3 116.8 mg was added to this solution, and the mixture was further heated for 10 minutes at the same temperature with stirring.
  • N 2 an inert gas
  • Ethanol was added to the obtained reaction solution to generate a precipitate, which was centrifuged to recover the precipitate. Then, toluene was added to the precipitate and dispersed to prepare a dispersion solution of AgInTe 2 particles.
  • the obtained dispersion solution was measured with an ultraviolet-visible and fluorescence spectrometer.
  • the absorption maximum was obtained at 962.0 nm.
  • the fluorescence maximum was obtained at 1038.0 nm.
  • the fluorescence half width was about 100 nm, and the fluorescence quantum yield was 22%.
  • Example 2 Silver acetate: Ag (OAc) 66.8 mg, dodecanethiol: DDT 15.0 mL, and octadecene: ODE 15.0 mL were placed in a 100 mL reaction vessel. Then, the raw material was dissolved by heating with stirring at 120 ° C. for 10 minutes in an atmosphere of an inert gas (N 2).
  • N 2 an inert gas
  • indium acetate: In (OAc) 3 233.6mg was added, further 10 minutes and then heated with stirring at the same temperature.
  • Ethanol was added to the obtained reaction solution to generate a precipitate, which was centrifuged to recover the precipitate. Then, toluene was added to the precipitate and dispersed to prepare a dispersion solution of AgInTe 2 particles.
  • the obtained dispersion solution was measured with an ultraviolet-visible and fluorescence spectrometer. As a result, an absorption maximum was obtained at 962.0 nm as in FIG. 2 of Example 1, and a fluorescence maximum was obtained at 1038.0 nm as in FIG. 3 of Example 1.
  • the fluorescence half width was about 100 nm, and the fluorescence quantum yield was 22%.
  • the average particle size of a large number of quantum dots was 6.4 to 6.9 nm, which was 1 nm or more and 15 nm or less. Further, each particle size of 90% or more of the quantum dots was included in the average particle size of ⁇ 1.7 nm. That is, it was found that each particle size of 90% or more of the quantum dots was included in the average particle size of ⁇ 27%, and the particle size of a large number of quantum dots could be uniformly generated.
  • Example 3 Silver acetate: Ag (OAc) 33.4 mg and dodecanethiol: DDT 10.0 mL were placed in a 100 mL reaction vessel. Then, the raw material was dissolved by heating with stirring at 120 ° C. for 10 minutes in an atmosphere of an inert gas (N 2).
  • N 2 an inert gas
  • Indium acetate In (OAc) 3 116.8 mg was added to this solution, and the mixture was further heated for 10 minutes at the same temperature with stirring.
  • Ethanol was added to the obtained reaction solution to generate a precipitate, which was centrifuged to recover the precipitate. Then, toluene was added to the precipitate and dispersed to prepare a dispersion solution of AgInTe 2 particles.
  • the obtained dispersion solution was measured with an ultraviolet-visible and fluorescence spectrometer. As a result, the absorption maximum was obtained at 962.0 nm as in FIG. 2 of Example 1, and the fluorescence maximum was obtained at 1038.0 nm as in FIG. 3 of Example 1.
  • the fluorescence half width was about 100 nm, and the fluorescence quantum yield was 22%.
  • the average particle size of many quantum dots was 2.4 to 2.7 nm, which was 1 nm or more and 15 nm or less. Further, each particle size of 90% or more of the quantum dots was included in the average particle size of ⁇ 0.7 nm. That is, it was found that each particle size of 90% or more of the quantum dots was included in the average particle size of ⁇ 30%, and the particle size of a large number of quantum dots could be uniformly generated.
  • the solution was heated at 180 ° C. for 20 minutes with stirring.
  • the obtained reaction solution (AgInTe 2 ) was cooled to room temperature.
  • the reaction solution turned into a black suspension, and no fluorescence was confirmed in the near infrared region from the obtained solution.
  • quantum dots having an emission wavelength in the near infrared region can be synthesized.
  • AgInE 2 quantum dots having fluorescence emission having a high fluorescence quantum yield and a narrow fluorescence half-value width in the near infrared region can be synthesized by a mass-produced method. Then, by applying the quantum dots of the present invention to an optical communication device or the like, excellent near-infrared absorption and near-infrared emission characteristics can be obtained in the device.
  • the quantum dots of the present invention can be applied as biomaterials such as chemotherapy and imaging of deep tissues in a living body.
  • AgInE 2 quantum dots are promising as alternative materials for Cd, Pb, and Hg quantum dots in biomedical imaging.

Abstract

高輝度の近赤外蛍光を示す銀インジウムカルコゲニド量子ドット、及び、その製造方法を提供することを目的とする。本発明の量子ドットは、銀と、インジウムと、カルコゲンとを含有するAgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)で表されるナノクリスタルであり、蛍光波長が、700~1500nmの近赤外領域の範囲内であり、蛍光半値幅が、150nm以下であり、蛍光量子収率が20%より高いことを特徴とする。本発明では、平均粒径が、1nm以上15nm以下であることが好ましい。また、本発明の量子ドットの製造方法は、銀原料と、インジウム原料と、カルコゲニド原料(カルコゲニドとは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)から、AgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)として表される量子ドットを合成することを特徴とする。

Description

量子ドット、及び、その製造方法
 本発明は、近赤外領域で発光する量子ドット、及び、その製造方法に関する。
 量子ドットは、数百~数千個程度の原子から構成された、粒径が数nm~数十nm程度のナノ粒子である。量子ドットは、蛍光ナノ粒子、半導体ナノ粒子、または、ナノクリスタルとも呼ばれる。
 量子ドットは、ナノ粒子の粒径や組成によって、発光波長を種々変更することができる。また、量子ドットの性能を表すものとして、蛍光量子収率(Quantum Yield:QY)や蛍光半値幅(Full Width at Half Maximum:FWHM)が挙げられる。
 下記の特許文献や、非特許文献には、AgInTe量子ドットやAgInSe量子ドットに関する記載がされている。
国際公開第2015-189636号パンフレット
J. Mater. Chem. B, 2018, 6,pp 349 NIR-I-to-NIR-II fluorescent nanomaterials forbiomedical imaging and cancer therapy J. Mater. Chem. C, 2014, 2, pp7077 Near-infrared broadly emissive AgInSe2/ZnS quantum dots forbiomedical optical imaging Nanoscale, 2016, 8, pp 5435 Crystal phase-controlled synthesis ofrod-shaped AgInTe2 nanocrystals for in vivo imaging in thenear-infrared wavelength region
 しかしながら、銀インジウムカルコゲニド量子ドットの実用化に即した研究開発は報告されておらず、銀インジウムカルコゲニド量子ドットの実用化に至っていないのが現状である。
 上記のような背景から、シンプルで、且つ、高輝度な、生体適合性の高い近赤外蛍光性を発揮する銀インジウムカルコゲニド量子ドットの合成法の開発、および、そのような方法により合成された銀インジウムカルコゲニド量子ドットの物性解明が強く求められている。
 本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高輝度の近赤外蛍光を示す銀インジウムカルコゲニド量子ドット、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
 本発明における量子ドットは、銀と、インジウムと、カルコゲンとを含有するAgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)で表されるナノクリスタルであり、蛍光波長が、700~1500nmの近赤外領域の範囲内であり、蛍光半値幅が、150nm以下であり、蛍光量子収率が20%よりも高いことを特徴とする。
 本発明では、平均粒径が、1nm以上15nm以下であることが好ましい。
 また、本発明における量子ドットは、銀と、インジウムと、カルコゲンとを含有するAgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)で表されるナノクリスタルであり、蛍光波長が、700~1500nmの近赤外領域の範囲内であり、平均粒径が、1nm以上15nm以下であることを特徴とする。
 本発明では、前記量子ドットの表面が、配位子で覆われていることが好ましい。
 本発明では、前記配位子は、ホスフィン系、脂肪族チオール系、脂肪族アミン系、及び、脂肪族カルボン酸系の少なくともいずれか1種または2種から選択されることが好ましい。
 本発明における量子ドットの製造方法は、銀原料と、インジウム原料と、カルコゲニド原料(カルコゲニドとは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)から、AgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)として表される量子ドットを合成することを特徴とする。
 本発明では、チオールを含む溶媒中で、前記量子ドットを合成することが好ましい。
 本発明では、前記銀原料、前記インジウム原料、前記カルコゲニド原料、及び、配位子を、沸点が150℃以上の高沸点溶媒に順次加えていき、その後、昇温することで前記量子ドットを合成することが好ましい。
 本発明では、前記原料溶液を、約100℃から約260℃まで反応温度を昇温することで合成することが好ましい。
 本発明では、前記銀原料、前記インジウム原料、前記カルコゲニド原料、及び、前記配位子のうち一種又は二種の原料を、60℃から120℃に加熱した前記高沸点溶媒に溶解する工程、その後、その他の原料を順次添加する工程、全ての原料を添加後に、180℃以上250℃以下の反応温度まで昇温して、前記量子ドットを合成する工程、を有することが好ましい。
 本発明の量子ドットによれば、近赤外領域における蛍光半値幅を狭くでき、高輝度の近赤外蛍光を示すことができる。
 また、本発明の量子ドット製造法によれば、取り扱いが容易な反応剤を用い、且つ、中間体等を経ずに、直接的に銀インジウムカルコゲニド量子ドットを安定して、量産可能である。
本発明の実施形態における量子ドットの模式図である。 本発明の実施形態における量子ドットの模式図である。 実施例1におけるAgInTeの吸収(Absorption)スペクトルである。 実施例1におけるAgInTeの蛍光(Photoluminescence:PL)スペクトルである。 実施例1におけるAgInTeの走査透過電子顕微鏡(Scanning transmission electron microscope:STEM)写真である。 図4Aの模式図である。ただし、図4Bの左図は、図4Aの左図の一部抜粋である。 実施例1におけるAgInTeのX線回折(Xray Diffraction:XRDスペクトルである。
 近年、CdやPbなどの有毒性規制対象重金属を含まない近赤外発光性量子ドットが注目を集めている。本発明者は、その中でも銀インジウムカルコゲニド(AgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種))三元系量子ドットに着目し、取り扱いが容易な反応剤を用い、且つ、中間体等を経せずに直接的な強蛍光性を示す銀インジウムカルコゲニドを開発するとともに、物性を解明するに至った。
 以下、本発明の一実施形態(以下、「実施形態」と略記する)について、詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
 図1Aは、本実施形態における量子ドットの模式図である。図1Aに示す量子ドット1は、取り扱いが容易な反応剤を用い、且つ、中間体等を経ずに直接的に合成したナノクリスタルである。
 本実施形態では、量子ドット1は、銀(Ag)と、インジウム(In)と、カルコゲンとを含有するAgInE(Eは、テルル(Te)、セレン(Se)、或いは、硫黄(S)の少なくともいずれか1種)で表されるナノクリスタルである。限定するものではないが、AgInTeを含有するナノクリスタルであることが好ましい。
 本実施形態の量子ドットは、バンド端発光による蛍光特性を有し、その粒子の大きさから量子サイズ効果を発現する。
 ここで「ナノクリスタル」とは、1nm~数十nm程度の粒径を有するナノ粒子を指す。本実施形態では、多数の量子ドットを、均一の粒径にて生成することができる。「均一」とは、平均粒径の±30%以内に、90%以上の粒子が含まれる状態を指す。このように、本実施形態では、微細で且つ均一な良質の量子ドットを量産することができる。本実施形態では、量子ドットの粒径を、1nm以上15nm以下の範囲で調整することができる。
 量子ドットに含まれる、AgとInとTe、AgとInとSe、或いは、AgとInとSは主成分であり、これら元素以外の元素が含まれていてもよい。ただし、量子ドットを製造するに際し、取り扱いが容易な反応剤であること、中間体等を経ないこと、原料を順次添加した後に高沸点溶媒中で100℃付近から260℃付近まで昇温することによって、量子ドットを合成可能であること、の条件を満たすことが好ましい。
 このような合成法を用いることで、製造コストの上昇、反応剤の取り扱いの制限、及び、製造工程の煩雑性を招かずに、安定的に量子ドットを量産することができる。
 本実施形態の量子ドット1は、蛍光波長が、700m~1500nmの近赤外領域の範囲であり、蛍光半値幅が、150nm以下である。蛍光半値幅は、130nm以下であることが好ましく、120nm以下であることがより好ましい。後述する実験では、量子ドット1の蛍光半値幅を、100nm程度にできている。「蛍光半値幅」とは、蛍光スペクトルにおける蛍光強度のピーク値の半分の強度での蛍光波長の広がりを示す半値全幅(Full Width at Half Maximum)を指す。
 本実施形態では、後述するように、量子ドットを合成する反応系として、高沸点溶媒に対して、原料であるAg原料、In原料、カルコゲニド原料、及び配位子を順次添加していき、100℃付近から260℃付近まで昇温する。このような、直接的かつシンプルな合成反応に基づいて量子ドットを製造することで、蛍光量子収率を増大することができる。また、蛍光半値幅を狭くすることもでき、具体的には、100nm以下の蛍光半値幅を得ることができる。
 図1Aに示すように、量子ドット1の表面には多数の有機配位子2が配位していることが好ましい。これにより、量子ドット1同士の凝集を抑制でき、目的とする光学特性を発現させることができる。反応に用いることのできる配位子は、特に限定はされないが、例えば、以下の配位子が、代表的なものとして挙げられる。
(1)脂肪族1級アミン系
 オレイルアミン:C1835NH,ステアリル(オクタデシル)アミン:C1837NH,ドデシル(ラウリル)アミン:C1225NH,デシルアミン:C1021NH,オクチルアミン:C17NH
(2)脂肪酸
 オレイン酸:C1733COOH,ステアリン酸:C1735COOH,パルミチン酸:C1531COOH,ミリスチン酸:C1327COOH,ラウリル酸:C1123COOH,デカン酸:C19COOH,オクタン酸:C15COOH
(3)チオール系
 オクタデカンチオール:C1837SH,ヘキサンデカンチオール:C1633SH,テトラデカンチオール:C1429SH,ドデカンチオール:C1225SH,デカンチオール:C1021SH,オクタンチオール:C17SH
(4)ホスフィン系
 トリオクチルホスフィン:(C17P,トリフェニルホスフィン:(CP,トリブチルホスフィン:(C
(5)ホスフィンオキシド系
 トリオクチルホスフィンオキシド:(C17P=O,トリフェニルホスフィンオキシド:(CP=O,トリブチルホスフィンオキシド:(CP=O
 本実施形態における量子ドット1の蛍光量子収率(Quantum Yield)は、5%以上である。また、蛍光量子収率は、10%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましく、25%以上であることが更に好ましく、30%以上であることが更により好ましい。このように、本実施形態では、量子ドットの蛍光量子収率を高めることができる。後述する実験では、量子ドット1の蛍光量子収率を、22%程度にできている。
 本実施形態では、蛍光波長を、700nm以上1500nm以下程度にまで自由に制御することができる。本実施形態における量子ドットは、銀、インジウム以外にカルコゲン元素を用いた、AgInEをベースとする固溶体である。本実施形態では、加熱温度や加熱時間、量子ドットの粒径及び、量子ドットの組成を調整することによって、蛍光波長を制御可能である。蛍光波長は、800nm以上であることが好ましく、1100nm以上であることがより好ましい。
 本実施形態では、図1Bに示すように、量子ドット1は、コア1aと、コア1aの表面に被覆されたシェル1bと、を有するコアシェル構造であってもよい。図1Bに示すように、量子ドット1の表面には多数の有機配位子2が配位していることが好ましい。
 図1Bに示すコア1aが、AgInEである。シェル1bは、コア1aと同様に、CdやHg、Pd等の規制対象重金属や、金属アミドや有機リチウム化合物に代表される高反応性反応剤由来の物質を含まない。
 なお、シェル1bは、コア1aの表面に固溶化した状態であってもよい。図1Bでは、コア1aとシェル1bとの境界を点線で示したが、これは、コア1aとシェル1bとの境界を分析により確認できてもできなくてもどちらでもよいことを指す。
 ただし、本実施形態では、シェル1bを用いずにコア1aのみ、すなわち図1Aのコア単体の量子ドット1にて、700~1500nmnの近赤外領域の蛍光波長、及び150nm以下の蛍光半値幅をもつ蛍光特性を得ることができる。
 次に、本実施形態の量子ドットの製造方法について説明する。本実施形態では、銀原料と、インジウム原料と、カルコゲニド原料(カルコゲニドとは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)から、AgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)として表される量子ドットを合成する。
 ここで、本実施形態では、AgInEのAg原料を、特に限定はしないが、例えば、下記の有機銀試薬や無機銀試薬を用いることができる。すなわち、酢酸塩として酢酸銀(I):Ag(OAc)、脂肪酸塩として、ステアリン酸銀:Ag(OC(=O)C1735)、オレイン酸銀:Ag(OC(=O)C1733)、ミリスチン酸銀:Ag(OC(=O)C1327)、ドデカン酸銀:Ag(OC(=O)C1123)、銀アセチルアセトネート:Ag(acac)、ハロゲン化物として1価の化合物が使用可能であり、塩化銀(I):AgCl、臭化銀(I):AgBr、ヨウ化銀(I):AgIなどを用いることができる。
 本実施形態では、テルル(Te)は、有機テルル化合物(有機カルコゲン化合物)、または無機テルル化合物を固体のまま、もしくは、高沸点溶媒に溶解したものを原料として用いる。特に、化合物の構造を限定するものではないが、例えば、トリオクチルホスフィンにテルルを溶解させたトリオクチルホスフィンテルリド:(C17P=Te、トリブチルホスフィンにテルルを溶解させたトリブチルホスフィンテルリド:(CP=Te、又は、オクタデセンのような長鎖の炭化水素である高沸点溶媒に、テルルを高温で溶解させた溶液等を用いることができる。
 また、本実施形態では、セレン(Se)を固溶させる場合、セレンは、有機セレン化合物(有機カルコゲン化合物)、または無機セレン化合物を固体のまま、もしくは、高沸点溶媒に溶解したものを原料として用いる。特に、構造を限定するものでないが、例えば、トリオクチルホスフィンにセレンを溶解させたトリオクチルホスフィンセレニド:(C17P=Se、トリブチルホスフィンにセレンを溶解させたトリブチルホスフィンセレニド:(CP=Se、又は、オクタデセンのような長鎖の炭化水素である高沸点溶媒にセレンを高温で溶解させた溶液等を用いることができる。
 また、本実施形態では、硫黄(Se)を固溶させる場合、硫黄は、有機硫黄化合物(有機カルコゲン化合物)、または、無機硫黄化合物を固体のまま、もしくは、高沸点溶媒に溶解したものを原料として用いる。特に、構造を限定するものでないが、例えば、トリオクチルホスフィンに硫黄を溶解させたトリオクチルホスフィンスルフィド:(C17P=S、或いは、トリブチルホスフィンに硫黄を溶解させたトリブチルホスフィンスルフィド:(CP=S、又は、オクタデセンのような長鎖の炭化水素である高沸点溶媒に硫黄を高温で溶解させた溶液等を用いることができる。
 本実施形態では、有機銀化合物、或いは、無機銀化合物を、高沸点溶媒に添加して、溶解させる。溶媒としては、150℃以上の高沸点の飽和炭化水素または不飽和炭化水素として、オクタデセンを用いることができる。これ以外にも、芳香族系の高沸点溶媒として、ドデシルベンゼン:C(CH11CH、高沸点のエステル系の溶媒として、ブチルブチレート:CCOOC、ベンジルブチレート:CCHCOOCなどを用いることが可能であるが、脂肪族チオール系、脂肪族アミン系、または、脂肪酸系の化合物や脂肪族リン系の化合物を溶媒として用いることも可能である。
 このとき、反応温度を100℃以上260℃以下の範囲に設定し、銀化合物を溶解する。なお、反応温度は、より低温の、100℃以上で240℃以下であることが好ましく、更に低温の、100℃以上で230℃以下であることがより好ましく、更により好ましくは、80℃以上220℃以下である。
 また、本実施形態では、反応法に特に限定はないが、蛍光量子収率が高く半値幅の狭い量子ドットを得るために、100℃程度の低温から260℃程度(好ましくは230℃程度)の高温へと昇温することが、AgInTe、AgInSe、及び、AgInSを合成するうえで重要である。このため、100℃程度に加熱した高沸点溶媒中に、一種類または二種類の原料を溶解し、その溶液に対して他原料を順次添加していき、その後、260度程度まで昇温して、量子ドットを合成するのが好ましい。
 また、本実施形態では、蛍光量子収率が高く、蛍光半値幅の狭いAgInEを得るために、前駆体である銀原料、インジウム原料、及び、カルコゲン原料の反応において、チオールをTe、Se或いはSに対して、1~200当量添加することが好ましく、蛍光強度の高い量子ドットを得るためには、5~1000当量添加することがより好ましく、50~10000当量添加することが更により好ましい。特に、チオールを限定するものでないが、例えば、オクタデカンチオール:C1837SH、ヘキサンデカンチオール:C1633SH、テトラデカンチオール:C1429SH、ドデカンチオール:C1225SH、デカンチオール:C1021SH、オクタンチオール:C17SH等を用いることができる。
 また、本実施形態では、反応を行う際に、前駆体の金属を配位またはキレートなどにより反応溶液中に遊離させる補助的な役割をもつ化合物が必要である。
 上述の役割を有する化合物としては、銀と錯形成可能なリガンドが挙げられる。例えば、リン系リガンド、アミン系リガンド、チオール系リガンド、カルボン酸系リガンドが好ましく、その中でも、その効率の高さからチオール系リガンドが特に好ましい。
 これにより、Agと、Inと、カルコゲンとの反応が適切に行われ、Agと、Inと、カルコゲンとをベースとし、近赤外領域に高い蛍光量子収率と、狭い蛍光半値幅を有する蛍光発光性量子ドットを製造することができる。
 本実施形態の量子ドットの製造方法では、上記した銀原料、インジウム原料、カルコゲニド原料、及び、配位子のうち一種又は二種の原料を、60℃から120℃に加熱した前記高沸点溶媒に溶解する工程、その後、その他の原料を順次添加する工程、全ての原料を添加後に、180℃以上250℃以下の反応温度まで昇温して、量子ドットを合成する工程、を有することが好ましい。
 これにより、取り扱いが容易な反応剤を用い、且つ、中間体等を経せずに直接的な強蛍光性を示す銀インジウムカルコゲニドを安全に量産することができる。
 以下、本発明の実施例及び比較例により本発明の効果を説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
<原料>
 本発明では、近赤外領域で発光する銀カルコゲニド化合物(AgInE系)量子ドットを合成するにあたり以下の原料を用いた。
(溶媒)
 オクタデセン: Aldrich株式会社製、出光興産株式会社製
(カルコゲン原料)
 テルル(4N:99.99%): 新興化学株式会社製、またはAldrich社製
(インジウム原料)
 酢酸インジウム: 新興化学株式会社製
(銀原料)
 酢酸銀: キシダ化学株式会社製
(配位子)
 トリオクチルホスフィン: 北興化学株式会社製
 ドデカンチオール: アルケマ社製
 <測定機器>
 蛍光分光計:オーシャンオプティクス製 NIRQuest512-1.9
 紫外-可視光分光光度計:日立株式会社製 V-770
 X線回折装置(XRD):Bruker社製 D2 PHASER
 走査透過電子顕微鏡(STEM):日立株式会社製 SU9000
 [実施例1]
 100mL反応容器に、酢酸銀:Ag(OAc) 33.4mgと、ドデカンチオール:DDT 5.0mLと、オクタデセン:ODE 5.0mLを入れた。そして、不活性ガス(N)雰囲気下にて、120℃で10分間、攪拌しながら加熱し、原料を溶解させた。
 この溶液に、酢酸インジウム:In(OAc) 116.8mgを加え、さらに10分間、同じ温度で攪拌しつつ加熱した。
 この溶液に、TOPに溶解したテルル:Te-TOP 0.4mLを添加し、反応溶液を200℃まで昇温し、40分間加熱しつつ攪拌した。
 得られた反応液に、エタノールを加え、沈殿物を発生させ、遠心分離を施して沈殿物を回収した。そして、その沈殿物にトルエンを加えて分散させ、AgInTe粒子の分散溶液とした。
 得られた分散溶液を、紫外可視、および、蛍光分光計で測定した。その結果、図2の紫外可視近赤外吸収スペクトルの測定結果に示すように、962.0nmに吸収極大が得られた。また、図3の近赤外蛍光スペクトルの測定結果に示すように、1038.0nmに蛍光極大が得られた。また、蛍光半値幅は、約100nm、蛍光量子収率は22%であった。
 また、図5に示すAgInTeのXRDスペクトルのピーク値より、AgInTe固溶体が生成していることが証明された。
[実施例2]
 100mL反応容器に、酢酸銀:Ag(OAc) 66.8mgと、ドデカンチオール:DDT 15.0mLと、オクタデセン:ODE 15.0mLを入れた。そして、不活性ガス(N)雰囲気下で、120℃で10分間、攪拌しながら加熱し、原料を溶解させた。
 この溶液に、酢酸インジウム:In(OAc) 233.6mgを加え、さらに10分間、同じ温度で攪拌しつつ加熱した。
 この溶液に、TOPに溶解したテルル:Te-TOP 0.8mLを添加した後、反応溶液を200℃まで昇温し、30分間加熱しつつ攪拌した。
 得られた反応液に、エタノールを加え、沈殿物を発生させ、遠心分離を施して沈殿物を回収した。そして、その沈殿物にトルエンを加えて分散させ、AgInTe粒子の分散溶液とした。
 得られた分散溶液を、紫外可視、および、蛍光分光計で測定した。その結果、実施例1の図2と同様に、962.0nmに吸収極大、実施例1の図3と同様に、1038.0nmに蛍光極大が得られた。また、蛍光半値幅は、約100nm、蛍光量子収率は、22%であった。
 また、図4A、図4Bに示すように、多数の量子ドットの平均粒径は、6.4~6.9nmであり、1nm以上15nm以下であることがわかった。また、90%以上の量子ドットの各粒径が平均粒径±1.7nmに含まれていた。すなわち、90%以上の量子ドットの各粒径が平均粒径±27%に含まれており、多数の量子ドットの粒径を均一に生成できたことがわかった。
 また、実施例1の図5と同様に、AgInTeのXRDスペクトルのピーク値より、AgInTe固溶体が生成していることが証明された。
[実施例3]
 100mL反応容器に、酢酸銀:Ag(OAc) 33.4mgとドデカンチオール:DDT 10.0mLを入れた。そして、不活性ガス(N)雰囲気下で、120℃で10分間、攪拌しながら加熱し、原料を溶解させた。
 この溶液に、酢酸インジウム:In(OAc) 116.8mgを加え、さらに10分間、同じ温度で攪拌しつつ加熱した。
 この溶液に、TOPに溶解したテルル:Te-TOP 0.4mLを添加した後、反応溶液を200℃まで昇温し、30分間加熱しつつ攪拌した。
 得られた反応液に、エタノールを加え、沈殿物を発生させ、遠心分離を施して沈殿を回収した。そして、その沈殿物にトルエンを加えて分散させ、AgInTe粒子の分散溶液とした。
 得られた分散溶液を、紫外可視、および、蛍光分光計で測定した。その結果、実施例1の図2と同様、962.0nmに吸収極大、実施例1の図3と同様、1038.0nmに蛍光極大が得られた。また、蛍光半値幅は、約100nm、蛍光量子収率は、22%であった。
 また、多数の量子ドットの平均粒径は、2.4~2.7nmであり、1nm以上15nm以下であることがわかった。また、90%以上の量子ドットの各粒径が平均粒径±0.7nmに含まれていた。すなわち、90%以上の量子ドットの各粒径が平均粒径±30%に含まれており、多数の量子ドットの粒径を均一に生成できたことがわかった。
 また、実施例1の図5と同様に、AgInTeのXRDスペクトルのピーク値より、AgInTe固溶体が生成していることが証明された。
 [比較例1]
 100mL反応容器に、テルル:Te 38.3mgと、酢酸銀:Ag(OAc) 33.4mgと、In(OAc) 116.8mgと、ドデカンチオール:DDT 5.0mLと、オクタデセン:ODE 20mLを入れた。そして、不活性ガス(N)雰囲気下で攪拌しながら加熱し、原料を溶解させた。
 この溶液を、180℃で20分間、攪拌しつつ加熱した。得られた反応溶液(AgInTe)を、室温まで冷却した。反応溶液は、黒色懸濁液に変化し、得られた溶液からは、近赤外領域に蛍光は全く確認されなかった。
 このように、実施例1から実施例3によれば、近赤外領域に発光波長を有する量子ドットが合成可能であるとわかった。
 本発明によれば、近赤外領域に高い蛍光量子収率と狭い蛍光半値幅を示す蛍光発光を有するAgInE量子ドットを、量産可能な方法で合成することができる。そして、本発明の量子ドットを、光通信装置等に適用することで、装置において優れた近赤外吸収および近赤外発光特性を得ることができる。特に、本発明の量子ドットを、化学療法や生体内の深部組織のイメージングなどの生体材料として応用することが可能である。AgInE量子ドットは、生体医療用イメージングにおけるCd、Pb、Hg系量子ドットの代替材料として有望視されている。
 本出願は、2019年10月3日出願の特願2019-183077に基づく。この内容は全てここに含めておく。
 
 

Claims (10)

  1.  銀と、インジウムと、カルコゲンとを含有するAgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)で表されるナノクリスタルであり、蛍光波長が、700~1500nmの近赤外領域の範囲内であり、蛍光半値幅が、150nm以下であり、蛍光量子収率が20%よりも高いことを特徴とする量子ドット。
  2.  平均粒径が、1nm以上15nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット。
  3.  銀と、インジウムと、カルコゲンとを含有するAgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)で表されるナノクリスタルであり、蛍光波長が、700~1500nmの近赤外領域の範囲内であり、平均粒径が、1nm以上15nm以下であることを特徴とする量子ドット。
  4.  前記量子ドットの表面が、配位子で覆われていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の量子ドット。
  5.  前記配位子は、ホスフィン系、脂肪族チオール系、脂肪族アミン系、及び、脂肪族カルボン酸系の少なくともいずれか1種または2種から選択されることを特徴とする請求項4に記載の量子ドット。
  6.  銀原料と、インジウム原料と、カルコゲニド原料(カルコゲニドとは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)から、AgInE(Eは、テルル、セレン、或いは、硫黄の少なくともいずれか1種)として表される量子ドットを合成することを特徴とする量子ドットの製造方法。
  7.  チオールを含む溶媒中で、前記量子ドットを合成することを特徴とする請求項6に記載の量子ドットの製造方法。
  8.  前記銀原料、前記インジウム原料、前記カルコゲニド原料、及び、配位子を、沸点が150℃以上の高沸点溶媒に順次加えていき、その後、昇温することで前記量子ドットを合成することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の量子ドットの製造方法。
  9.  前記原料溶液を、約100℃から約260℃まで反応温度を昇温することで合成することを特徴とする請求項8に記載の量子ドットの製造方法。
  10.  前記銀原料、前記インジウム原料、前記カルコゲニド原料、及び、前記配位子のうち一種又は二種の原料を、60℃から120℃に加熱した前記高沸点溶媒に溶解する工程、
     その後、その他の原料を順次添加する工程、
     全ての原料を添加後に、180℃以上250℃以下の反応温度まで昇温して、前記量子ドットを合成する工程、
     を有することを特徴とする請求項8に記載の量子ドットの製造方法。
     
     
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