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安心で高い耐久性を有する量子ドットLED:植物から学ぶ

Research Project

Project/Area Number 23K17348
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

齋藤 健一  広島大学, 自然科学研究支援開発センター, 教授 (80302579)

Project Period (FY) 2023-06-30 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2026: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Keywords量子ドット / 低次元半導体 / LED / もみ殻 / バイオマス / LED
Outline of Research at the Start

シリコンを発光体とした量子ドットLEDを開発し,その原料には植物由来のシリカ(SiO2)を用いる。もみ殻の25 %の成分はSiO2,これはガラスである。もみ殻から得た多孔質Siは,強固かつフレキシブルなナノ構造を有することが,先行研究で示されている(もみ殻から得た多孔質Siをリチウムイオン電池の負極剤に用い,高い耐久性を示した)。その耐久性を量子ドットに適用する。そして,我々の18年に及ぶSi量子ドット研究とLED開発の経験と実績を投入し,1)安全・安心・安価,2)高効率,3)高耐久性のSi量子ドットを用い,実用化を見据えた量子ドットLEDを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

量子ドットは夢の材料とよばれ,それを用いたTVやタブレットが出回り始めた。しかし,その本格的普及には解決すべき課題(毒性,効率,耐久性)がある。応募者は過去19年間の研究で,世界初の青色発光のシリコン量子ドット(SiQD)ならびにそのLED の開発,もみ殻を原料としたSiQD LED の開発,世界最高レベルの発光効率のSiQDの合成,などを報告してきた。これらの成果を基盤に,本研究ではもみ殻を原料に量子ドットと量子ドットLEDを開発する。具体的には,Siを発光体とした量子ドットLEDを開発し,その原料には植物由来のシリカ(SiO2)を用いる。もみ殻の25 %の成分(2100万トン/年)はSiO2,これはガラスである。なぜ,もみ殻か?その理由は構造にある。もみ殻から得た多孔質Siは,強固かつフレキシブルなナノ構造を有する。もみ殻から合成した多孔質Siをリチウムイオン電池の負極剤に用いると,5倍以上の高い耐久性が,充放電の繰り返し特性において得られている。その高い耐久性を量子ドットに適用する。そして,安全・安心・安価,高効率,高耐久性のSi量子ドットを用い,実用化を見据えた量子ドットLEDを開発する。2023年度では,原料となるもみ殻の粉砕条件を工夫した。また,平行して行った化学合成による手法では,世界トップレベルの発光効率を有するSiQDの合成に成功した。更に,これを発光体としたLEDを開発し,その変換効率も世界トップレベルとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画通りに進行している。平行して行っている化学合成では,期待以上の成果が得られている。この手法も本プロジェクトに反映できるため,大変よいと考える。

Strategy for Future Research Activity

もみ殻を粉砕し,もみ殻に含まれる1%程の無機物を塩酸で除去する。その後,もみ殻を電気炉で燃焼し,シリカ(SiO2)を得る。このSiO2とマグネシウムを電気炉で酸化還元反応させ多孔質Siを得る。副生成物を酸処理の後,表面を炭化水素で化学修飾する。この手順で,SiQDを合成する。
Si量子ドットの評価を以下の手法で行う。サイズ測定(電子顕微鏡), 発光スペクトル,発光効率測定, 表面構造(XPS,IRスペクトル,NMR測定)により評価する。
Si量子ドットLEDの作製を以下の手順で行う。導電性高分子溶液の塗布による成膜,量子ドット溶液の塗布による成膜,電極の真空蒸着による成膜により作製する。

Report

(2 results)
  • 2023 Comments on the Screening Results   Research-status Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 5 results) Patent(Industrial Property Rights) (8 results)

  • [Journal Article] Bright silicon quantum dot synthesis and LED design: insights into size-ligand-property relationships from slow- and fast-band engineering2024

    • Author(s)
      Saitow Ken-ichi
    • Journal Title

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      Volume: 97 Issue: 1

    • DOI

      10.1093/bulcsj/uoad002

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  • [Journal Article] 1D, 2D, and 3D Mapping of Plasmon and Mie Resonances: A Review of Field Enhancement Imaging Based on Electron or Photon Spectromicroscopy2024

    • Author(s)
      Saitow Ken-ichi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 128 Issue: 13 Pages: 5367-5393

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c07393

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      齋藤健一
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      粉体技術

      Volume: 165 Pages: 25-32

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      Ueda Honoka、Saitow Ken-ichi
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 16 Issue: 1 Pages: 985-997

    • DOI

      10.1021/acsami.3c11120

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    • Journal Title

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      Volume: 11 Issue: 32 Pages: 11769-11780

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.3c00456

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    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 127 Issue: 27 Pages: 13105-13111

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c01919

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      2021-038113
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    • Industrial Property Rights Holder
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    • Industrial Property Rights Holder
      齋藤 健一,加治屋 大介 ,竹本 昌一
    • Industrial Property Rights Type
      特許
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    • Inventor(s)
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    • Industrial Property Rights Holder
      齋藤 健一,山本 拓哉
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
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    • Acquisition Date
      2023
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Published: 2023-07-04   Modified: 2024-12-25  

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