2016 Fiscal Year Annual Research Report
全無機水分散性コア／シェル構造シリコン量子ドットのバイオフォトニクス応用展開
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16H03828
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
藤井 稔 神戸大学, 工学研究科, 教授 (00273798)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子ドット / シリコン / バイオフォトニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体量子ドットは，生体内蛍光材料としてさまざまな魅力的な特性を有している。代表者らは最近，ホウ素とリンを高濃度にドーピングしたシェルを有する新しいタイプの水分散性シリコン量子ドットを開発した。この量子ドットは，バイオメディカル応用に有効な様々な特徴を有しており，極めて汎用性の高い新ナノバイオフォトニクス材料になる可能性を秘めている。本研究では，この新材料のバイオ応用のための汎用的基盤技術を開発することを目的とする。本年度は，以下のI)-V)の成果を得た。I) シリコン量子ドットを2次元に配列した単層膜形成技術の開発を行った。また，シリコン量子ドット単層膜を層間距離を高精度で制御して積層する技術の開発を行った。この技術の開発により，シリコン量子ドット間のエネルギー移動について定量的な情報を得ることに初めて成功した。II) シリコン量子ドット表面のシリコン‐水素結合及びシリコン‐酸素結合を用いてシリコン量子ドットに様々な官能基や生体分子を結合するプロセスの開発を行った。また，表面修飾したシリコン量子ドットの発光特性を詳細に調べ，発光特性と表面修飾プロセスの関係を明らかにした。III) シリコン量子ドット表面に一本鎖DNAを結合する技術を開発し，相補的な一本鎖DNAで修飾した金ナノ粒子と結合させることにより，シリコン量子ドットと金ナノ粒子の距離を高精度で制御した複合ナノ粒子の形成に成功した。また，複合ナノ粒子形成による発光増強を実証した。IV) 金属薄膜と金属ナノ粒子の間にシリコン量子ドットを挟み込む構造の形成に成功し，ギャッププラズモンによる増強電場を用いて大きい発光増強とスペクトルの狭帯域化を実現した。V）カレル大学（チェコ）のグループとの共同研究により，骨芽細胞を用いてシリコン量子ドットの細胞毒性を評価するとともに蛍光バイオイメージングの実証を行った。
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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
当初計画をほぼ完全に達成した。それに加えて、シリコン量子ドットを光電子デバイスに応用する上で必要な技術開発を行った。具体的には、シリコン量子ドットを電極上に固定する技術の開発を行った。また、アトムプローブトモグラフィーによるシリコン量子ドット内の不純物分布の解明や、シングルドットスペクトロスコピーによる発光評価等の基礎物性解明に係る研究を実施し、重要な知見を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進んでおり，計画に従って推進する。来年度は，主に以下のI)-V)の研究課題を実施する。I) 昨年度までに開発した同時ドープシリコン量子ドットの発光量子効率は，１５％程度に留まっている。量子ドットの作製条件（特に，ホウ素とリンのドーピング濃度と熱処理条件）を最適化することにより，発光量子効率を２０％程度まで引き上げる。また，発光量子効率を制限している要因を明らかにする。II) 同時ドープシリコン量子ドットの基礎物性解明の一環として，Scanning Tunneling Spectroscopyによる単一ドットのエネルギー凖位構造の解明を行う。特に，不純物凖位のエネルギーとサイズの関係を明らかにする。得られたデータと発光スペクトルのサイズ依存性を比較することにより，発光の起源を解明する。III) シリコン量子ドットと有機分子・生体分子との相互作用についてはいくらかの進展があったが，解明すべき課題が山積している。シリコン量子ドットと表面に吸着した分子の間の電荷移動について，シリコン量子ドットの発光特性と分子吸着量の関係を解析することにより調べる。IV) 金属ナノ構造を形成した基板上に，ナノメートルの精度で距離を制御してシリコン量子ドットを固定し，表面プラズモン共鳴によるシリコン量子ドットの励起断面積及び発光量子効率向上を実現する。V) シリコン量子ドットの励起断面積を向上する手段として，これまでは金属ナノ構造の表面プラズモン共鳴に着目してきたが，来年度からは誘電体散乱体による励起断面積向上の研究を並行して実施する。特に，シリコン量子ドット‐ポリマー複合体について重点的に研究を行う。また，可視領域においてロスの小さい無機散乱体として知られているシリコン球をサイズや形を制御して形成する技術の開発と，それとシリコン量子ドットの複合構造の形成を検討する。
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