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Si量子ドットの表面構造と高機能化:量子収率80%,熱水(80℃)の耐久性を超え

研究課題

研究課題/領域番号 23K23177
補助金の研究課題番号 22H01909 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分28030:ナノ材料科学関連
研究機関広島大学

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2025年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2024年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
キーワード量子ドット / 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
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (48件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (13件) (うち査読あり 13件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 1件、 招待講演 10件) 備考 (1件) 産業財産権 (10件)

  • [国際共同研究] スウェーデン王立工科大学(スウェーデン)

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    • 著者名/発表者名
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    • DOI

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    • 著者名/発表者名
      Saitow Ken-ichi
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    • DOI

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    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
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      巻: 16 号: 1 ページ: 985-997

    • DOI

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    • 雑誌名

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      巻: 11 号: 32 ページ: 11769-11780

    • DOI

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      巻: 10 号: 44 ページ: 14451-14463

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    • 著者名/発表者名
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    • 雑誌名

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      巻: 4 号: 11 ページ: 8166-8179

    • DOI

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      Sakamoto Masanori、Saitow Ken-ichi
    • 雑誌名

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    • 著者名/発表者名
      Xu Yuping、Terada Shiho、Xin Yunzi、Ueda Honoka、Saitow Ken-ichi
    • 雑誌名

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      巻: 5 号: 6 ページ: 7787-7797

    • DOI

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    • 著者名/発表者名
      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
    • 雑誌名

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      巻: 62 号: 1 ページ: 474-486

    • DOI

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  • [雑誌論文] もみ殻を原料にした量子ドットLEDの開発2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 雑誌名

      New Glass

      巻: 37 ページ: 30-33

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  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      和田 優人,齋藤 健一
    • 学会等名
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  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      廣田天丸,坂田俊樹,齋藤健一
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
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  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
      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
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    • 招待講演
  • [学会発表] シリコン量子ドットの基本・概要・特徴2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
      技術・研究開発セミナー(株)情報機構主催
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    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
      2023年度 第1回Web講演会 ケイ素化学協会
    • 関連する報告書
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  • [学会発表] 三原色発光するシリコン量子ドットフィルムの開発2023

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
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    • 招待講演
  • [学会発表] 緑発光を示すSi量子ドット:表面配位子とAging効果2023

    • 著者名/発表者名
      角田幸汰,神宮なな,齋藤健一
    • 学会等名
      2023年度 第27回ケイ素化学協会シンポジウム
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    • 著者名/発表者名
      七里明音,齋藤健一
    • 学会等名
      2023年度 第27回ケイ素化学協会シンポジウム
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  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      芦田翔,水谷智哉,齋藤健一
    • 学会等名
      2023年日本化学会中四国支部大会(山口大会)
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  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      廣田天丸,齋藤健一
    • 学会等名
      2023年日本化学会中四国支部大会(山口大会)
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  • [学会発表] Highly Oriented Polymer Film of Donor-Acceptor Type: Orientation Mechanism of SOFT Method Explored by in-situ Time-Resolved Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
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    • 学会等名
      The 20th Nano Bio Info Chemistry Symposium
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    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
      2023年 広島大学ノーベル賞解説講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シリコン量子ドットとLED:表面構造と発光効率2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
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  • [学会発表] シリコン量子ドットLED: もみ殻からも作れるの?!2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
      2022年度 第2回ナノ茶論(ナノサロン)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 新規量子ドットLED システムに向けた粒子の設計思想2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
      第73回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノサイズ半導体の光・電子物性:乱れと機能発現2022

    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
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    • 招待講演
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    • 著者名/発表者名
      齋藤健一
    • 学会等名
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    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
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    • 著者名/発表者名
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  • [備考]

    • URL

      https://home.hiroshima-u.ac.jp/saitow/

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  • [産業財産権] 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

    • 発明者名
      齋藤健一、植田朋乃可
    • 権利者名
      齋藤健一、植田朋乃可
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-166510
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] トリアルコキシシランの製造方法2022

    • 発明者名
      齋藤健一、七里明音
    • 権利者名
      齋藤健一、七里明音
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-174914
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] 光触媒用チタン酸化物の製造方法2022

    • 発明者名
      齋藤健一、王雨豊
    • 権利者名
      齋藤健一、王雨豊
    • 産業財産権種類
      特許
    • 公開番号
      2018-187592
    • 出願年月日
      2022
    • 取得年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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