2015 Fiscal Year Annual Research Report
ｎ型、ｐ型不純物同時ドープコロイド状シリコンナノ結晶の開発と基礎物性解明
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14J03120
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
杉本 泰 神戸大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / プラズモン / シリコン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体ナノ結晶コロイドは、非真空製膜プロセスにより大面積電子デバイスの製造コストを大幅に下げる可能性を秘めており、精力的に開発が進んでいる。さらに、シリコン（Si）ナノ結晶は生体適合性が高く、可視－近赤外領域に発光を示すことから、細胞バイオイメージング用の新しい蛍光体として注目を集めている。本年度は我々が開発したn型、p型不純物同時ドープSiナノ結晶コロイドの上記応用に関する重要な開発事項として、(i)バイオイメージング・発光デバイス応用に向けた表面プラズモン共鳴との結合による更なる発光特性の高効率化、(ii)Siナノ結晶への不純物ドーピングに関する基礎物性評価と(iii)光電子デバイス応用に向けた塗布薄膜の光学特性・電気伝導特性評価を行った。
(i)に関して、基板上に形成されたプラズモニック構造、コロイド状プラズモニックナノ粒子などの種々の構造とSiナノ結晶のカップリングを試み、吸収効率と発光量子効率の改善に成功した。(ii)に関して、ナノ結晶の粒子径と不純物ドーピング濃度の発光特性に対する関係を詳細に調べ、不純物ドープSiナノ結晶形成とその発光特性から不純物が関与した発光のサイズ依存性を明らかにした。加えて、広範囲にサイズ制御されたn型、p型不純物同時ドープSiナノ結晶に対して光電子収量分光とX線光電子分光を駆使し、エネルギー準位構造のサイズ依存性を明らかにした。(iii)に関して、光電子デバイス応用を念頭に同時ドープSiナノ結晶コロイドのスピンコートにより形成した薄膜に対して、詳細な光学特性・電気伝導特性評価を行った。ナノ結晶が緻密に配列した薄膜において、Siナノ結晶間の蛍光共鳴エネルギー移動現象を実験的に初めて観測した。さらに電気伝導特性の測定温度・雰囲気依存性を詳細に評価した。これにより、ナノ結晶間の電気伝導は空気中の水分子が大きく影響することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は「n型、p型不純物同時ドープコロイド状シリコンナノ結晶」のさらなる高機能化とデバイス応用に向けた基礎物性評価を主なターゲットに研究を行った。前者に関しては、金属ナノ構造の表面プラズモン励起による本材料の発光制御・特性向上を実現した。後者に関しては、国内外の複数のグループとの共同研究により、これまで明らかにされていなかったn型、p型ドーピング効率やエネルギー準位構造のサイズ依存性などを明らかにした。さらに、コロイド状シリコンナノ結晶の塗布薄膜の光学特性・電気伝導特性を詳細に評価し、ナノ結晶間のエネルギー移動現象や電気伝導メカニズムを明らかにした。以上の様に、非常に多くの研究成果を得ることができ、以上の成果は、10編の論文として英文学術誌に発表し、期待以上に研究が進展したと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、昨年度に引き続き不純物同時ドープコロイド状シリコンナノ結晶の電子デバイス応用とバイオイメージング用蛍光材料としての応用の実証に関する研究を行う。前者に関して、走査型トンネル顕微鏡により単一粒子の電子状態の直接測定することにより、個々のナノ結晶の不純物準位に関する情報を得る。これと並行し、具体的な電子デバイス構造（ショットキー型太陽電池、MOSキャパシタ等）を設計し、ナノ結晶コロイドの塗布によりデバイスを形成し、特性評価を行う。これらの特性にはナノ結晶の表面状態が大きく関与すると考えられ、有機分子による機能付与（表面不動態化・化学ドーピング）などにより機能改善を図る。後者に関して、チェコ・カレル大学と共同で本材料の細胞取り込み、毒性・発光安定性評価を行い、in vitroにおけるバイオイメージング応用可能性を実証する。その結果をフィードバックし、ナノ結晶の構造パラメータの最適化、表面修飾による性能向上に関する研究を行う。
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[Presentation] 金ナノロッド―シリコン量子ドット複合体の発光特性2016
Author(s)
杉本 泰，藤井 稔, Tianhong Chen, Ren Wang, Bjorn M. Reinhard, Luca Dal Negro
Organizer
第６３回応用物理学会春季学術講演会
Place of Presentation
東京工業大学大岡山キャンパス
Year and Date
2016-03-19 – 2016-03-22
