Surface structure and high performance of silicon quantum dots

• Project/Area Number: 23K23177
• Project/Area Number (Other): 22H01909 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28030:Nanomaterials-related
• Research Institution: Hiroshima 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): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 量子ドット / 低次元半導体 / ＬＥＤ / もみ殻 / バイオマス / シリコン / 量子ドットLED / 量子ドットフィルム

Outline of Research at the Start

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，三原色発光するシリコン量子ドット(SiQD)の作製，青白発光のSiQD LED の開発，もみ殻を原料としたSiQD LED の開発などを報告してきた。これらの成果を基盤に本研究では，(A) SiQDの表面構造，被覆率，発光効率の相関，(B) SiQDの表面構造と発光安定性の相関を行う。以上，Cdフリー，鉛フリーの量子ドットの基礎研究から，安全・安心・安価な光材料という視点より，豊かな社会の基盤形成につながる独創的・先駆的な研究を展開する。

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，本研究では以下の二つを展開する。(A)複数の手法でSiQDを合成し，表面構造と発光効率との相関，(B) SiQDの表面構造と発光安定性の相関，それぞれの解明である。これらの研究は，SiQDを用いた量子ドットフィルムと量子ドットLED開発の屋台骨となる。実用化を見据えたCdフリー，鉛フリーの量子ドットの基礎研究を行い，安全・安心・安価な光材料という視点より，豊かな社会発展の基盤となる独創的・先駆的な研究を展開する。
2023年度の研究において大きな進展があった。具体的には，HSQポリマーを前駆体とし，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。また，発光効率に必要な前駆体の構造も決定された。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

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

二つの大きな成果をあげられたから，具体的には，世界トップレベルの発光効率を有するシリコン量子ドットの合成に成功した。また，世界トップレベルの変換効率を有するシリコン量子ドットLEDの作製に成功した。

Strategy for Future Research Activity

本研究では，(A)表面構造と被覆率の異なるシリコン量子ドット(SiQD)を合成する。その表面構造と発光効率（PL量子収率，EL外部量子収率）の相関性を解明する。次に，(B)それぞれのSiQD溶液，SiQDフィルム，SiQD LED において，表面構造と長期安定性の相関性を追跡する。具体的には以下の通りである。【１】赤色発光のSiQDの合成：前駆体となるHSQポリマーの合成，熱処理，化学エッチング，アルケンによる表面修飾により合成する。【２】緑色発光のSiQDの合成：ハロシランの液相還元法より，緑色発光するSiQDの合成に成功した。目的は概ね達成できたため，今後は，別の手法で青色発光と緑色発光するSi量子ドットの合成に展開する。【３】SiQDの評価：サイズによる発光波長，スペクトル幅の相関性を解明し，さらにシャープな発光幅にするにはどうするか検討する。【４】Si量子ドットLEDの作製： これまでに，順構造と逆構造の両者において，世界トップレベルの発光効率を有するSiQD LEDの開発に成功した。今後は，これらのLEDの更なる効率の上昇と耐久性の向上を追求する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スウェーデン王立工科大学(スウェーデン)
• [Journal Article] Bright silicon quantum dot synthesis and LED design: insights into size-ligand-property relationships from slow- and fast-band engineering (2024)
  • Author(s): Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 97 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/bulcsj/uoad002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 1D, 2D, and 3D Mapping of Plasmon and Mie Resonances: A Review of Field Enhancement Imaging Based on Electron or Photon Spectromicroscopy (2024)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] シリコン量子ドットの合成とLEDへの利用 (2024)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Journal Title: 粉体技術 Volume: 165 Pages: 25-32
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cost-Effective Ultrabright Silicon Quantum Dots and Highly Efficient LEDs from Low-Carbon Hydrogen Silsesquioxane Polymers (2023)
  • Author(s): Ueda Honoka、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 16 Issue: 1 Pages: 985-997
  • DOI: 10.1021/acsami.3c11120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanochemically Tailored Silicon Particles for Efficient H2 Production: Entropy and Enthalpy Engineering (2023)
  • Author(s): Mizutani Tomoya、Ohta Haruhisa、Ueda Taiki、Kashiwagi Tsutomu、Fukuda Takeshi、Shiobara Toshio、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: ACS Sustainable Chemistry & Engineering Volume: 11 Issue: 32 Pages: 11769-11780
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c00456
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large-Area Plasmon Mapping via an Optical Technique: Silver Nanohole Array and Nano-Sawtooth Structures (2023)
  • Author(s): Sakamoto Masanori、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 27 Pages: 13105-13111
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c01919
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stability of Silicon Quantum Dots Against Solar Light/Hot Water: RGB Foldable Films and Ligand Engineering (2022)
  • Author(s): Fujimoto Keisuke、Hayakawa Toma、Xu Yuping、Jingu Nana、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: ACS Sustainable Chemistry & Engineering Volume: 10 Issue: 44 Pages: 14451-14463
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c03791
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near-Room-Temperature Synthesis of Alkoxysilanes and H2 via Mechanochemical Ball Milling (2022)
  • Author(s): Miura Yui、Kashiwagi Tsutomu、Fukuda Takeshi、Shichiri Akane、Shiobara Toshio、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: ACS Sustainable Chemistry & Engineering Volume: 10 Issue: 49 Pages: 16159-16168
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c04086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cellulose Templating for π-Conjugated Polymer Orientation: An In Situ Time-Resolved Spectroscopy Exploration (2022)
  • Author(s): Sakata Toshiki、Hirota Temmaru、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: ACS Applied Polymer Materials Volume: 4 Issue: 11 Pages: 8166-8179
  • DOI: 10.1021/acsapm.2c01088
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fast, Economical, and Reproducible Sensing from a 2D Si Wire Array: Accurate Characterization by Single Wire Spectroscopy (2022)
  • Author(s): Sakamoto Masanori、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 94 Issue: 18 Pages: 6672-6680
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.1c05001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ligand Effects on Photoluminescence and Electroluminescence of Silicon Quantum Dots for Light-Emitting Diodes (2022)
  • Author(s): Xu Yuping、Terada Shiho、Xin Yunzi、Ueda Honoka、Saitow Ken-ichi
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 5 Issue: 6 Pages: 7787-7797
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c00811
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lanthanide and Actinide Ion Complexes Containing Organic Ligands Investigated by Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy (2022)
  • Author(s): Hirata Sakiko、Kusaka Ryoji、Meiji Shogo、Tamekuni Seita、Okudera Kosuke、Hamada Shoken、Sakamoto Chihiro、Honda Takumi、Matsushita Kosuke、Muramatsu Satoru、Ebata Takayuki、Kajiya Daisuke、Saitow Ken-ichi、Ikeda Toshiaki、Hirao Takehiro、Haino Takeharu、Watanabe Masayuki、Inokuchi Yoshiya
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 62 Issue: 1 Pages: 474-486
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c03618
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] もみ殻を原料にした量子ドットLEDの開発 (2022)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Journal Title: New Glass Volume: 37 Pages: 30-33
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 赤色で高効率発光するSi量子ドットの合成:時間分解分光法による発光メカニズム解析 (2024)
  • Author(s): 和田 優人，齋藤 健一
  • Organizer: 化学工学会第89年会
• [Presentation] SOFT 法による Donor-Acceptor 型共役系ポリマーの配向膜作製： in-situ 時間分解分光による配向ダイナミクス (2024)
  • Author(s): 廣田天丸，坂田俊樹，齋藤健一
  • Organizer: 日本化学会第104回春季年会
• [Presentation] シリコン量子ドットにおける光の波長制御とその応用について (2024)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 技術情報協会 「量子ドット(QD)」の設計，カドミウムフリー化，応用，今後の展望
  • Invited
• [Presentation] シリコン量子ドットの基本・概要・特徴 (2023)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 技術・研究開発セミナー(株)情報機構主催
  • Invited
• [Presentation] もみ殻から量子ドットLEDと、水素とアルコキシシランのメカノケミカル合成 (2023)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 2023年度 第1回Web講演会 ケイ素化学協会
  • Invited
• [Presentation] 三原色発光するシリコン量子ドットフィルムの開発 (2023)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 量子ドットおよびQD フィルム，ペロブスカイトQDインクを用いた次世代ディスプレイの将来展望と材料解析の最新動向 AndTechセミナー
  • Invited
• [Presentation] 緑発光を示すSi量子ドット：表面配位子とAging効果 (2023)
  • Author(s): 角田幸汰，神宮なな，齋藤健一
  • Organizer: 2023年度 第27回ケイ素化学協会シンポジウム
• [Presentation] メカノケミカル法によるアルコキシシランの選択的合成と反応条件の検討 (2023)
  • Author(s): 七里明音，齋藤健一
  • Organizer: 2023年度 第27回ケイ素化学協会シンポジウム
• [Presentation] 水のメカノケミカル反応による高効率かつCO2;フリーな水素生成 (2023)
  • Author(s): 芦田翔，水谷智哉，齋藤健一
  • Organizer: 2023年日本化学会中四国支部大会（山口大会）
• [Presentation] 高い配向性を持つD-A型導電性高分子膜の作製：セルロースのテンプレート効果とin-situ時間分解分光による配向メカニズム (2023)
  • Author(s): 廣田天丸，齋藤健一
  • Organizer: 2023年日本化学会中四国支部大会（山口大会）
• [Presentation] Highly Oriented Polymer Film of Donor-Acceptor Type: Orientation Mechanism of SOFT Method Explored by in-situ Time-Resolved Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Temmaru Hirota, Ken-ichi Saitow
  • Organizer: The 20th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子ドット：7色に光る不思議な微粒子 －TV ，太陽電池 ，ガン治療へー (2023)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 2023年 広島大学ノーベル賞解説講演会
  • Invited
• [Presentation] シリコン量子ドットとLED：表面構造と発光効率 (2022)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 第387回蛍光体同学会講演会
  • Invited
• [Presentation] シリコン量子ドットLED: もみ殻からも作れるの？！ (2022)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 2022年度 第2回ナノ茶論（ナノサロン）
  • Invited
• [Presentation] 新規量子ドットLED システムに向けた粒子の設計思想 (2022)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 第73回コロイドおよび界面化学討論会
  • Invited
• [Presentation] ナノサイズ半導体の光・電子物性：乱れと機能発現 (2022)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 日本化学会「低次元系光機能材料研究会」第 11 回サマーセミナー2022
  • Invited
• [Presentation] 溶液プロセスによるシリコン量子ドットとLEDの作製 (2022)
  • Author(s): 齋藤健一
  • Organizer: 薄膜材料デバイス研究会
  • Invited
• [Presentation] POSSポリマーの合成と、その焼成より得たSi量子ドット:構造と高発光性 (2022)
  • Author(s): 植田朋乃可，齋藤健一
  • Organizer: 第71回ネットワークポリマー講演討論会
• [Presentation] Si粉末とアルカリ性水溶液による水素生成： 表面・内部の欠陥と反応の熱力学的考察 (2022)
  • Author(s): 水谷友哉，大田晴久，柏木努，福田健，塩原利夫，齋藤健一
  • Organizer: 2022年日本化学会中四国支部大会 広島大会
• [Presentation] セルロースをテンプレートにした導電性高分子の 配向膜：配向の in-situ 時間分解分光 (2022)
  • Author(s): 廣田天丸，坂田俊樹，齋藤健一
  • Organizer: 2022年日本化学会中四国支部大会 広島大会
• [Presentation] Si量子ドットの表面修飾と光物性：時間分解PLスペクトルの解析 (2022)
  • Author(s): 和田優人，植田朋乃可，齋藤健一
  • Organizer: 2022年日本化学会中四国支部大会 広島大会
• [Presentation] メカノケミカル法によるアルコキシシランの合成 (2022)
  • Author(s): 七里明音，三浦結衣，水谷友哉，齋藤健一
  • Organizer: 2022年日本化学会中四国支部大会 広島大会
• [Presentation] RGB発光を示す表面修飾Si量子ドット：光学特性への酸素の効果 (2022)
  • Author(s): 角田幸汰，神宮なな，和田優人，植田朋乃可，齋藤健一
  • Organizer: 2022年日本化学会中四国支部大会 広島大会
• [Remarks]
  • URL: https://home.hiroshima-u.ac.jp/saitow/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 水素の製造方法 (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一， 水谷 友哉
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一， 水谷 友哉
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] シリコン量子ドット前駆体、シリコン量子ドット、及びシリコン量子ドットを用いたＬＥＤ装置、並びに、シリコン量子ドット前駆体の製造方法、シリコン量子ドットの製造方法、及び.... (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一， 植田 朋乃可
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一， 植田 朋乃可
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 水素の製造方法 (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一， 芦田 翔
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一， 芦田 翔
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] トリアルコキシシランの製造方法 (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一， 七里 明音
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一， 七里 明音
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属化合物の製造方法 (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一， 三浦 結衣
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一， 三浦 結衣
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Patent Publication Number: 2021-038113
  • Filing Date: 2023
  • Acquisition Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属材料及び水素の製造方法 (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一 ，大田 晴久
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一 ，大田 晴久
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
  • Acquisition Date: 2024
• [Patent(Industrial Property Rights)] 配向膜作製方法 (2023)
  • Inventor(s): 齋藤 健一， 加治屋 大介， 竹本 昌一
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤 健一， 加治屋 大介， 竹本 昌一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
  • Acquisition Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] シリコン量子ドット前駆体、シリコン量子ドット、及びシリコン量子ドットを用いたＬＥＤ装置、並びに、シリコン量子ドット前駆体の製造方法、及びシリコン量子ドットの製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 齋藤健一、植田朋乃可
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤健一、植田朋乃可
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-166510
  • Filing Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] トリアルコキシシランの製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 齋藤健一、七里明音
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤健一、七里明音
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-174914
  • Filing Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光触媒用チタン酸化物の製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 齋藤健一、王雨豊
  • Industrial Property Rights Holder: 齋藤健一、王雨豊
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Patent Publication Number: 2018-187592
  • Filing Date: 2022
  • Acquisition Date: 2022