Nanoparticle surface design for device fabrication of low-toxic quantum dots

• Project/Area Number: 23K23436
• Project/Area Number (Other): 22H02168 (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 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 桑畑 進 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (40186565)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2024: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 量子ドット / 半導体ナノ粒子 / 表面デザイン / デバイス化

Outline of Research at the Start

フォトルミネッセンスを発することのできるコロイド系量子ドット(QD)は、多色化が可能で色純度が高く、理想的な発光材料である。本申請者はCdフリーの低毒性3元素系量子ドットを世界に先駆けて開発し、シェル被覆ならびに有機分子の吸着で非常にシャープなバンド端PLを発光させることに成功した。本申請課題では、本申請者が開発した「ナノ粒子を起点としたマトリクス成長法」を主軸とし、ナノ粒子の表面をデザインすることで低毒性量子ドットの性能を最大限に引き出せる固体化法を開発する。特にマトリクスに半導体物質を用いることで、高効率なエレクトロルミネッセンス素子の構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

Ⅰ 多色化に向けた3元素系化合物量子ドットの作成：QDの発光色は粒径を変化させれば可能である。それに加え11-13-16族半導体の場合、元素の種類を変えるとバンドギャップが変化することは理論的に既知である。初年度は、それによって光の三原色のひとつである緑色に発色する量子ドットの合成に成功した。今年度は残りの２色である青と赤に発色する量子ドットの合成を試み、成功した。
Ⅱ 3成分化合物QDのマトリクスの工夫：GaSxでシェル層を形成した3成分化合物QDについては、GaSxマトリクスで包摂すると、量子効率の低下なく量子ドットをマトリクス中に固定することができた、この方法を拡張して、あらゆるマトリクス材料でも発光品質の低下を起こさずに固定化できる手法を確立した。
Ⅲ 光学固体デバイスの構築：合成した直後のコロイド状QDは、表面に有機分子リガンドが吸着している。これを基板等に塗布したQD膜の場合、リガンドの長さが短かければ外部から電子や正孔を注入できるが、それらはQD間を移動できてしまうため、濃度消光を引き起こす。リガンドを長くすれば濃度消光は抑えられるが、外部からの電子や正孔の注入がしにくくなるというトレードオフの関係にある。Ⅱの手法でQDよりもバンドギャップの広いマトリクスでQDを固体素子化ができれば、図11に示すようにマトリクスとQD間での整流性によって濃度消光を抑制しつつ、外部からの電子と正孔の注入を可能とする。これを作り上げることができれば、輝度および効率の高いEL素子が作製できることは、理論的に立証できており、初年度はその正当性をモデル実験により明らかとした。本年度は、そのモデル結果を基に、実際の3成分化合物QDに本法を適用し、電界発光素子として利用できることを実証した。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Spectrally Narrow Band-edge Photoluminescence from AgInS2-based Core/shell Quantum Dots for Electroluminescence Applications (2024)
  • Author(s): Uematsu Taro, Izumi Ryunosuke, Sugano Shoki, Sugano Riku, Hirano Tatsuya, Motomura Genichi, Torimoto Tsukasa, Kuwabata Susumu
  • Journal Title: Faraday Discussions Volume: 250 Pages: 281-297
  • DOI: 10.1039/d3fd00142c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoluminescence Redshift of AgInS₂ Quantum Dots by Employing Shells with Graded Composition (2023)
  • Author(s): Navapat Krobkrong, Taro Uematsu, Tsukasa Torimoto, Susumu Kuwabata
  • Journal Title: Electrochemistry Volume: 91 Issue: 10 Pages: 107001-107001
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.23-00084
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • Year and Date: 2023-10-31
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bright Red Luminescence from Ag-In-Ga-S-Based Quantum Dots with the Introduction of Copper (2023)
  • Author(s): Uematsu Taro, Krobkrong Navapat, Asai Kenichiro, Motomura Genichi, Fujisaki Yoshihide, Torimoto Tsukasa, Kuwabata Susumu
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 96 Issue: 11 Pages: 1274-1282
  • DOI: 10.1246/bcsj.20230216
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Emission tuning of AgInS2-based core/shell semiconductor quantum dots with type-II and quasi-type-II band alignments (2023)
  • Author(s): Krobkrong Navapat、Uematsu Taro、Torimoto Tsukasa、Kuwabata Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 6 Pages: 061003-061003
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acd895
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Facile High-Yield Synthesis of Ag-In-Ga-S Quaternary Quantum Dots and Coating with Gallium Sulfide Shells for Narrow Band-Edge Emission (2023)
  • Author(s): Taro Uematsu, Manunya Tepakidareekul, Tatsuya Hirano, Tsukasa Torimoto, and Susumu Kuwabata
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 35 Issue: 3 Pages: 1094-1106
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Controlling optical properties and electronic energy structure of I-III-VI semiconductor quantum dots for improving their photofunctions (2023)
  • Author(s): Tsukasa Torimoto, Tatsuya Kameyama, Taro Uematsu, and Ssusumu Kuwabata
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews Volume: 54 Pages: 100569-100569
  • DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2022.100569
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum-Dot Light-Emitting Diodes Exhibiting Narrow-Spectrum Green Electroluminescence by Using Ag-In-Ga-S/GaSx Quantum Dots (2023)
  • Author(s): Motomura Genichi、Uematsu Taro、Kuwabata Susumu、Kameyama Tatsuya、Torimoto Tsukasa、Tsuzuki Toshimitsu
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 15 Issue: 6 Pages: 8336-8344
  • DOI: 10.1021/acsami.2c21232
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of multicolor-emitting nitrogen-sulfur co-doped carbon dots and their photochemical studies for sensing applications (2022)
  • Author(s): Tepakidareekul Manunya、Uematsu Taro、Kuwabata Susumu
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 12 Issue: 31 Pages: 20054-20061
  • DOI: 10.1039/d2ra03073j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Encapsulation of AgInS2/GaSx core/shell quantum dots in In-fumarate metal-organic frameworks for stability enhancement (2022)
  • Author(s): Tepakidareekul Manunya、Uematsu Taro、Torimoto Tsukasa、Kuwabata Susumu
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: - Issue: 20 Pages: 3715-3723
  • DOI: 10.1039/d2ce00343k
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電気化学的高機能性ナノ材料の創製法と計測技術の開発 (2023)
  • Author(s): 桑畑 進
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
  • Invited
• [Presentation] AgInS2/GaSxコア/シェル量子ドットのMOF包埋と発光機能安定化 (2022)
  • Author(s): 上松 太郎、Manunya Tepakidareekul、鳥本 司、桑畑 進
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会(1K22)
• [Presentation] 酸化ガリウム電子輸送層を用いたAg-In-Ga-S系量子ドット電界発光(EL)素子の作製 (2022)
  • Author(s): 菅野 陸、泉 竜之介、上松 太郎、本村 玄一、鳥本 司、桑畑 進
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会 (1J01
• [Presentation] 合成反応の精密制御によるAgInxGa1－xS2/GaSyコア/シェル量子ドットの合成収率の増大と発光スペクトルの半値幅狭小化 (2022)
  • Author(s): 平野 達也、上松 太郎、鳥本 司、桑畑 進
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会 (1B01)
• [Presentation] 合成反応の精密制御によるAgInxGa1－xS2/GaSyコア/シェル量子ドットの合成収率の増大と発光スペクトルの半値幅狭小化 (2022)
  • Author(s): 松岡 里奈、上松 太郎、鳥本 司、桑畑 進、「平野 達也、上松 太郎、鳥本 司、桑畑 進
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会 (2B08)
• [Presentation] Improvement of Luminescence Performances in AgInxGa1－xS2/GaSz Core/Shell Quantum Dots by Aluminum Doping (2022)
  • Author(s): Tepakidareekul Mananya, Uematsu Taro, Torimoto Tsukasa, Kuwabata Susumu
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会 (1J03)
• [Presentation] バンド端発光するI-III-VI族半導体量子ドットの発光多色化および実用化に向けた課題克服 (2022)
  • Author(s): 上松 太郎、桑畑 進
  • Organizer: 第389回蛍光体同学会講演会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体ナノ粒子及びその製造方法 (2023)
  • Inventor(s): 上松太郎、桑畑進
  • Industrial Property Rights Holder: 上松太郎、桑畑進
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023