IV族元素を用いたダイヤモンド発光センターの作製および応用に関する研究

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K05363
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 中尾 基 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (70336816)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 犬伏 俊郎 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 教授 (20213142) [Withdrawn] ; 小松 直樹 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (30253008) ; 長町 信治 滋賀医科大学, 神経難病研究センター, 客員教授 (80447002)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / カラーセンター / 発光 / SiV

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドは良好な物理的特性、化学的安定性をもつため、様々な用途が期待されている。ダイヤモンドの形成過程において、ダイヤモンド構造中に導入された不純物により、歪み構造欠陥によるカラーセンターは、不純物の種類等によって異なる波長の発光特性をもつ。特に、シリコン不純物によって形成されるSiV（シリコン－空孔）センターは、738nm のフォトルミネッセンス発光波長を持ち、これは生体の窓と呼ばれる波長域に位置するため、バイオマーカーへの応用が期待されている。
昨年度までにバイオマーカーへの応用に向けて、SiVセンターを含有するダイヤモンド薄膜を作製し、粉砕実験を行うことでナノ粒子化を行い、形成されたダイヤモンドナノ粒子に対してもSiVセンターを保持し、かつ近赤外域の発光波長のピークをもつことを示した。
最終年度は、本研究を開発レベルから実用化レベルに近づけるべく、SiVセンターの発光特性を向上させるために、安定的にダイヤモンドへのSi導入を行うことを目的として、テトラメチルシランガスを用いた、SiVセンター導入形成量の制御を試みた。
結果として、ダイヤモンド製膜中にテトラメチルシランガスを導入する際、SiV発光センターは導入濃度が0％～1％未満の場合、濃度の増加に伴って形成量が増加することが示された。これはシリコンの供給量が増加したため、SiVセンターの形成量が増加したと考えられる。一方、導入濃度が1％以上においてはSiVセンターの形成量が減少した。これはSiVセンターの形成量が増えすぎた結果による濃度消光現象である。
以上の結果から、当該技術により作成されるSiVカラーセンターを有するダイヤモンドナノ粒子による生体バイオマーカー実現への可能性が大きく開拓できたと考えられる。