JP5510960B2 - 半導体ナノ粒子蛍光体 - Google Patents
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Description
<半導体ナノ粒子蛍光体>
図1は、本発明の一実施の形態における半導体ナノ粒子蛍光体を模式的に示す断面図である。本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体10は、13族−15族半導体からなる半導体結晶粒子11と、該半導体結晶粒子11に結合する修飾有機化合物12とを備える。以下、これらの半導体ナノ粒子蛍光体10の各構成を説明する。
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体10において、半導体結晶粒子11は、13族−15族半導体からなるナノ粒子であることを特徴とする。ここで、「13族−15族半導体」とは、13族元素(B、Al、Ga、In、Tl)と15族元素(N、P、As、Sb、Bi)とが結合した半導体を意味し、「ナノ粒子」とは、粒子の直径が数nm以上数千nm以下のものをいうものとする。
ここで、式(1)中の各記号はそれぞれy:ボーア半径、ε:誘電率、h:プランク定数、m:有効質量、e:電荷素量である。
本実施の形態において、修飾有機化合物12は、分子中に硫黄原子と炭素原子との結合を含む化合物である。修飾有機化合物12の硫黄原子は半導体結晶粒子11表面の13族元素と配位結合することができる。したがって、修飾有機化合物12は半導体結晶粒子11表面を被覆することができる。さらに、修飾有機化合物12は物理吸着による結合を介して、半導体結晶粒子11表面を被覆することができる。
半導体ナノ粒子蛍光体10おいて、修飾有機化合物12は、半導体結晶粒子11の表面に配列する未結合手を有する13族元素に結合する。このため、半導体結晶粒子11表面のダングリングボンド(未結合手)が効率的にキャッピングされる。
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体の製造方法は、特に制限なくいかなる方法をも用いることができる。中でも、簡便な手法であり、かつ低コストであるという観点から、化学合成法を用いることが好ましい。化学合成法の具体例としては、ゾルゲル法(コロイド法)、ホットソープ法、逆ミセル法、ソルボサーマル法、分子プレカーサ法、水熱合成法、フラックス法などを挙げることができる。
<半導体ナノ粒子蛍光体>
図2は、本発明の一実施の形態における半導体ナノ粒子蛍光体を模式的に示す断面図である。本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体20は、半導体結晶粒子21と、該半導体結晶粒子21に結合する修飾有機化合物22および金属含有有機化合物23とを備える。以下、本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体20の構成について説明する。
本実施の形態において、金属含有有機化合物23は、分子中に金属原子からなる金属23aと、親水基および疎水基を含む有機化合物23bとからなる化合物である。
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体は、実施の形態1と同様の方法で製造することができる。たとえばホットソープ法によりInNからなる半導体結晶粒子21を製造する場合、フラスコなどに合成溶媒として1−オクタデセンを満たし、ヨウ化インジウムとナトリウムアミド、修飾有機化合物22および金属含有有機化合物23を混合する。この混合液を十分に攪拌した後、合成温度180〜500℃で反応を行なうことにより、InNからなる半導体結晶粒子21に修飾有機化合物22および金属含有有機化合物23が結合する。
<半導体ナノ粒子蛍光体>
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体は、半導体結晶粒子として、半導体結晶コアと、該半導体結晶コアを被覆するシェル層とを有する、コア/シェル構造のものを用いることを特徴とする。図3は、半導体結晶粒子がコア/シェル構造である半導体ナノ粒子蛍光体の基本構造を模式的に示す図である。
本実施の形態において、半導体結晶粒子31は、半導体結晶コア34と、該半導体結晶コア34を被覆するシェル層35とを有する。
シェル層35は、半導体結晶コア34の表面に半導体結晶が成長して形成される層であり、半導体結晶コア34とシェル層35との間は化学結合により結合する。シェル層35は半導体結晶コア34の結晶構造を引き継いで形成される化合物半導体からなる。
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体30に対して励起光を照射すると、半導体結晶コア34が励起光を吸収して励起する。ここで半導体結晶コア34の粒子径は、量子サイズ効果を有する程度に小さいので、半導体結晶コア34は離散化した複数のエネルギー準位をとり得るが、一つの準位になる場合もある。半導体結晶コア34で吸収され、励起された光エネルギーは、伝導帯の基底準位と価電子帯の基底準位との間で遷移し、そのエネルギーに相当する波長の光が半導体結晶コア34から発光する。
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体は、たとえば、半導体結晶コア34を合成後に、シェル層35の原料を加えて反応させる事により、コア/シェル構造を有する半導体ナノ粒子蛍光体30を製造することができる。具体的には、半導体結晶コア34を含む溶液に、シェル層35の原材料である反応試薬と修飾有機化合物32とを加えて加熱反応させる。この工程において、コア/シェル構造の半導体結晶粒子31が合成される。また、同時に半導体結晶粒子31の表面には、修飾有機化合物32が化学的に結合する。
<半導体ナノ粒子蛍光体>
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体は、半導体結晶粒子としてコア/シェル構造のものを用いることを特徴とする。図4は、半導体結晶粒子がコア/シェル構造である半導体ナノ粒子蛍光体の基本構造を模式的に示す図である。本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体40は、13族−15族半導体からなる半導体結晶粒子41と、前記半導体結晶粒子41に結合する修飾有機化合物42および金属含有有機化合物43とを備える。そして、半導体結晶粒子41は、半導体結晶コア44と、該半導体結晶コア44被覆するシェル層45とを有する。
本実施の形態の半導体ナノ粒子蛍光体は、実施の形態3と同様の方法で製造することができる。なお、金属含有有機化合物43はシェル層45を成長させた後に溶液中に添加してもよい。
本参考例においては、励起光を吸収して赤色光を発光発色する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体10は、図1に示されるように、InNからなる半導体結晶粒子11と、ドデカンチオール(DDT)からなる修飾有機化合物12とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
B=λ/cosθ・R・・・(数式(2))
ここで、数式(2)の各記号はそれぞれ、B:X線半値幅[deg]、λ:X線の波長[nm]、θ:Bragg角[deg]、R:粒子径[nm]を示す。
本実施例においては、励起光を吸収して緑色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体20は、図2に示されるように、InNからなる半導体結晶粒子21と、ヘキサデカンチオール(HDT)からなる修飾有機化合物22と、ステアリン酸亜鉛(Zn(STA)2)からなる金属含有有機化合物23とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[実施例3]
本実施例においては、励起光を吸収して青色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体40は、図4に示されるように、InNからなる半導体結晶コア44と、GaNからなるシェル層45と、オクタンチオール(OT)からなる修飾有機化合物42と、ウンデシレン酸亜鉛(Zn(UNA)2)からなる金属含有有機化合物43とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[実施例4]
本実施例においては、励起光を吸収して青色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体は、図4に示されるように、In0.3Ga0.7Nからなる半導体結晶コア44と、GaNからなるシェル層45と、ヘキサデカンチオール(HDT)からなる修飾有機化合物42と、ステアリン酸亜鉛(Zn(STA)2)からなる金属含有有機化合物43とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[実施例5]
本実施例においては、励起光を吸収して緑色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体40は、図4に示されるように、In0.4Ga0.6Nからなる半導体結晶コア44と、ZnSからなるシェル層45と、ジエチルスルフィド(DES)からなる修飾有機化合物42と、パルミチルリン酸ガリウム(Ga(PP)3)からなる金属含有有機化合物43とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[実施例6]
本実施例においては、励起光を吸収して赤色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体20は、図2に示されるように、InPからなる半導体結晶粒子21と、ノナンチオール(NT)からなる修飾有機化合物22と、ステアリルリン酸インジウム(In(SP)3)からなる金属含有有機化合物23とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[実施例7]
本実施例においては、励起光を吸収して赤色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体40は、図4に示されるように、In0.7Ga0.3Pからなる半導体結晶コア44と、ZnSからなるシェル層45と、ブタンチオール(BT)からなる修飾有機化合物42と、ステアリン亜鉛(Zn(STA)2)からなる金属含有有機化合物43とを備える。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[実施例8]
本実施例においては、励起光を吸収して赤色光を発光する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。このような半導体ナノ粒子蛍光体50は、図5に示されるように、InNからなる半導体結晶コア54と、GaNとZnSとが積層された積層構造からなるシェル層55と、ヘキサデカンチオール(HDT)からなる修飾有機化合物52、ウンデシレン酸亜鉛(Zn(UNA)2)からなる金属含有有機化合物53とを備える。なお、シェル層55において、GaN層が内殻である第1シェル層55aを構成し、ZnSが外殻である第2シェル層55bを構成する。以下にその製造方法を具体的に説明する。
[比較例1]
比較例1においては、励起光を吸収して赤色光を発光発色する半導体ナノ粒子蛍光体をホットソープ法により作製した。具体的には、InNからなる半導体結晶粒子と、トリオクチルホスフィン(TOP)からなる修飾有機化合物とを備える半導体ナノ粒子蛍光体を作製した。以下にその製造方法を具体的に説明する。
Claims (5)
- InN、GaN、InGaN、InPおよびInGaPからなる群より選択される1つ以上の13族−15族半導体からなる半導体結晶粒子と、
前記半導体結晶粒子に結合する、ドデカンチオール、ヘキサデカンチオール、オクタンチオール、ジエチルスルフィド、ノナンチオールおよびブタンチオールからなる群より選択される1つ以上の修飾有機化合物と、
前記半導体結晶粒子に結合する、ステアリン酸亜鉛、ウンデシレン酸亜鉛、ステアリルリン酸インジウムおよびミリスチル硫酸インジウムからなる群より選択される1つ以上の金属含有有機化合物とを備える、半導体ナノ粒子蛍光体。 - 前記半導体結晶粒子は、13族混晶窒化物半導体である、請求項1に記載の半導体ナノ粒子蛍光体。
- 前記半導体結晶粒子は、窒化インジウムガリウムからなる、請求項1に記載の半導体ナノ粒子蛍光体。
- 前記半導体結晶粒子は、ボーア半径の2倍以下の平均粒子径である、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体ナノ粒子蛍光体。
- 前記半導体結晶粒子は、半導体結晶コアと、該半導体結晶コアを被覆するシェル層とからなる、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体ナノ粒子蛍光体。
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