ナノ材料

量子ドット

コロイド状量子ドット(QD:Quantum Dot)は、量子力学に従う独特な光学特性を持つナノスケールの半導体結晶のことを指します。通常、2-10 nmの直径で、10-50個ほどの原子で構成されます。一般的には、コロイドナノ結晶のサイズによってバンドギャップを調節することが可能であるため、粒径に依存した特徴的な発光特性を持ちます(左図 粒径が小さくなるにつれてバンドギャップが広がり、発光波長が短波長側に移動します)。量子ドットは、単に発光波長が調整可能でスペクトルの半値幅が狭いというだけでなく、高い量子効率を持ち、また一方で、幅広い波長を吸収することができます。

コロイド状量子ドットは溶液(多くの場合有機溶媒)に分散させることができるので、低コストのプリント技術やコーティング技術を用いることが可能です。量子ドットの発色が明るく鮮やかであることに加えて、広範囲の波長の光を発光可能で、かつ高効率、長寿命、高い減衰係数であるために、その用途は生体イメージングや、照明、ディスプレイから太陽電池やセキュリティタグまで幅広く、さまざまな用途での利用を目的に活発に研究開発が進められています1-7, 25, 30

応用例

生体イメージング8-10

ナノサイズの量子ドットは体内のあらゆる場所に送達可能であり、医用画像やバイオセンサーなど、様々な生物医学用途に適しています。生体適合性ポリマーで量子ドットをコーティングすることで、血中に分散させることが可能です。また、抗体などの特定の分子と結合させ、標的細胞に用いることも可能です。現状では、蛍光を用いたバイオセンサーにはスペクトル幅の広い有機色素が用いられていますが、有効色が少ない点や標識寿命が短いなどの制約があります。これに対し、量子ドットはあらゆる波長領域の光を発光することが可能である点や、高輝度、長い蛍光寿命など、従来の有機色素よりも優れた特徴を持っています29

エレクトロニクス・フォトニクス11-17,35

量子ドットはゼロ次元であるために、高次元構造体よりも状態密度が非常にシャープ(デルタ関数状)です。また、サイズが小さいことで、大きな粒子の場合のように電子が長距離移動する必要がないために、電子デバイスの動作は速くなります。このような電子特性を活かし、トランジスタや太陽電池、超高速の全光学的スイッチおよび論理ゲート、量子計算機などの応用例があります26-28。その他には、高密度固体メモリーチップ、LED(主に電飾用途)、白色固体照明、バックライト、ディスプレイ、フォトニクスインク(特定波長の照射で可視~赤外の光を発光可能で、セキュリティインクなどに応用)、光検出器などの例があります。

太陽電池18-24

プリント法によって太陽電池を作製することが可能になります。既存の色素は時間とともに分解して行く傾向を持ちますが、量子ドットは無機化合物であるため安定です。また、シリコン系太陽電池の利用できる波長は可視域であり、既存の有機色素は赤色光の集光にはあまり向いていません。しかしながら、量子ドットは赤外から紫外までの波長を吸収することが可能であるため、曇りの日の集光効率がより高い点も特徴です。

一般的な量子ドットはカドミウムを用いた半導体ですが、多くの用途でこれら重金属の使用は規制されています。そのため、従来型と同様の輝度と安定性を保持した、カドミウムフリー量子ドットの開発が進められています。なお、量子ドット技術の商品化には量産化の問題が伴うため、現状では生体イメージングなどの少量の材料で実現可能なマーケットでのみ、実際の応用が進んでいます。今後は、特性改善とともに、スケールアップ方法の確立がより重要となります。

量子ドットの特徴と用途については、弊社季刊誌「Material Matters」にて詳しくご紹介致しております。

炭素系量子ドット

  • 900414:Carbon quantum dots, 0.2+% in H2O dispersion (λem 450 - 550 nm )
  • 900560:Graphene quantum dots, >0.005% in H2O
  • 900708:Graphene quantum dots, blue luminescent, 1 mg/mL in H2O
  • 900707:Graphene quantum dots, cyan luminescent, 1 mg/mL in H2O
  • 900713:Graphene quantum dots, aqua green luminescent, powder
グラフェン量子ドットの外観・TEMイメージの例
 

合金型量子ドット

結晶の大きさを変えることで光学的特性や電子的特性を調整できる点が量子ドットの特徴的な性質ではあるものの、サイズの制約を伴う用途においては問題となります。均質かつ組成傾斜した内部構造をもつ多成分半導体量子ドットは、大きさではなく組成と内部構造を変えることで、光学的特性および電子的特性を調整することができる材料です。例えば、CdSxSe1-x/ZnS、直径6 nmの合金量子ドット(753742753793など)は、組成を変えるだけで様々な波長の光を発光します(左図)。バンドギャップの異なる2種類の半導体からなる合金半導体量子ドットは、そのバルクとしての特性とも、元の個別の半導体特性とも異なる興味深い特性を示します。このように、合金型量子ドットは、量子閉じ込め効果に起因する特性に加えて、組成によって調整可能な新規特性を有しています34

アルドリッチでは、490~665 nmの波長の光を発光する合金型量子ドットを販売しております。また、カルボキシル基で表面修飾した水溶液系合金型量子ドットもご用意しております。詳しくは、最新製品リストをご覧ください。

直径6 nmの合金型CdSxSe1-x/ZnS量子ドットのフォトルミネッセンス。組成を調整することで様々な色の光を発光させることができます。

合金型量子ドットキット製品一覧

製品名 発光領域(nm) キット内容 製品番号
CdSeS/ZnS alloyed quantum dots kit 490-665 6 nm diameter, 5 X 1 mg/mL
5種類の発光波長(490, 525, 575, 630, 665nm)
溶媒:トルエン(753823)、水(753904)
753823
CdSeS/ZnS alloyed quantum dots kit, COOH functionalized 753904

 

CdSeS/ZnS 合金型量子ドット(直径:6 nm diameter, 1 mg/mL トルエン溶液)

発光ピーク(nm) 製品番号
450 753742-5ML, 25ML
490 753750-5ML, 25ML
525 753769-5ML, 25ML
540 753777-5ML, 25ML
575 753785-5ML, 25ML
630 753793-5ML, 25ML
665 753807-5ML, 25ML

CdSeS/ZnS 合金型量子ドット(COOH functionalized, 直径:6 nm diameter, 1 mg/mL 水溶液)

発光ピーク(nm) 製品番号
490 754226-1ML, 5ML
525 753831-1ML, 5ML
540 753866-1ML, 5ML
575 753874-1ML, 5ML
630 753882-1ML, 5ML
665 753890-1ML, 5ML

コア・シェル型量子ドット

量子ドットのルミネッセンス特性は、電子正孔対の再結合(励起子崩壊)によって生じます。励起子崩壊は無輻射でも起こりますが、蛍光量子収率は低下します。半導体ナノ結晶の特性や輝度を向上させるため、その周囲にバンドギャップの大きい異なる半導体物質をシェルとして成長させる方法があります。シェルで被覆した量子ドットでは、無輻射再結合サイトが不活性化されることで量子収率が増加し、様々な用途において高い加工特性を得ることができます。こうして得られた量子ドットは、コア・シェル型量子ドットと呼ばれ、量子ドットの光物理的性質を調整する手段として広く研究されています31-33

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InP/ZnS コア・シェル型量子ドット(stabilized with oleylamine ligands, 5 mg/mL トルエン溶液)

発光ピーク(nm) 製品番号
530 776750-5ML
560 776793-5ML
590 776769-5ML
620 776777-5ML
650 776785-5ML

CdSe/CdS コア・シェル型量子ドット(5 mg/mL ヘキサン溶液)

発光ピーク(nm) 製品番号
530 900511-1ML
560 900512-1ML
590 900515-1ML
620 900514-1ML

CdSe/ZnS コア・シェル型量子ドット

製品名 発光ピーク(nm) 製品番号
with carboxylic acid, lyophilized, solid 520 900273-1MG
540 900272-1MG
560 900266-1MG
580 900267-1MG
600 900269-1MG
620 900270-1MG
630 900274-1MG
645 900271-1MG
665 900279-1MG
carboxylic acid functionalized, 1 mg/mL in H2O 580 900222-1ML
630 900228-1ML
PDDA coated, 4 µM in H2O 540 900252-250UL
560 900253-250UL
580 900255-250UL
600 900256-250UL
620 900257-250UL
630 900259-250UL
645 900260-250UL
665 900261-250UL
PEG functionalized, 4 µM in H2O 560 900245-250UL
580 900246-250UL
600 900254-250UL
620 900247-250UL
630 900232-250UL
645 900507-250UL
665 900230-250UL
製品名 発光ピーク(nm) 製品番号
stabilized with octadecylamine ligands, 5 mg/mL in toluene 520 900214-1ML
540 900215-1ML
560 900216-1ML
580 900217-1ML
600 900218-1ML
620 900219-1ML
630 900220-1ML
645 900250-1ML
665 900249-1ML
stabilized with octadecylamine ligands, solid 520 748021-10MG, 25MG
540 748056-10MG, 25MG
560 748080-10MG, 25MG
580 748129-10MG, 25MG
600 748099-10MG, 25MG
620 790192-10MG, 25MG
630 790206-10MG, 25MG
645 900212-10MG
665 900213-10MG
amine functionalized, 4 µM in 10 mM PBS 560 900236-250UL
600 900238-250UL
620 900239-250UL
630 900240-250UL
645 900241-250UL
665 900242-250UL

CdS/ZnS コア・シェル型量子ドット

製品名 発光ピーク(nm) 製品番号
amine functionalized, 4 µM in 10 mM PBS 400 900290-250UL
425 900305-250UL
450 900304-250UL
520 900229-250UL
540 900235-250UL
580 900237-250UL
carboxylic acid functionalized, 1 mg/mL in H2O 400 900298-1ML
425 900299-1ML
450 900294-1ML
540 900221-1ML
560 900225-1ML
600 900223-1ML
620 900224-1ML
645 900226-1ML
665 900227-1ML
製品名 発光ピーク(nm) 製品番号
with carboxylic acid, lyophilized, solid 400 900310-1MG
425 900308-1MG
450 900332-1MG
oleic acid functionalized, 5 mg/mL in toluene 400 900286-1ML
425 900333-1ML
450 900334-1ML
oleic acid functionalized, solid 425 900283-10MG
450 900282-10MG
PDDA coated, 4 µM in H2O 400 900306-250UL
425 900307-250UL
450 900309-250UL
520 900251-250UL
PEG functionalized, 4 µM in H2O 400 900303-250UL
425 900302-250UL
450 900301-250UL
520 900243-250UL
540 900244-250UL

コア型量子ドット

コア型量子ドットは、内部組成が均一な単一組成のナノ結晶で、カドミウムや亜鉛などの金属のカルコゲニド化合物(セレン化合物または硫化物)が代表的な例です。そのフォトルミネッセンス特性やエレクトロルミネッセンス特性は、結晶サイズを変化させることで細かく調整できます。

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CdTe コア型量子ドット(粉末タイプ, COOH functionalized)

発光ピーク(nm) 製品番号
510 777986-10MG, 25MG
520 777935-10MG, 25MG
570 777943-10MG, 25MG
610 777951-10MG, 25MG
710 777978-10MG, 25MG
770 777994-10MG, 25MG

PbS コア型量子ドット(oleic acid coated, 10 mg/mL トルエン溶液)

発光ピーク(nm) 製品番号
1000 747017-10ML
1200 747025-10ML
1400 747076-10ML
1600 747084-10ML

 

References

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