革新的カーボン量子ドット蛍光材料の液相合成法の開拓

研究課題

研究課題/領域番号	24K08570
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分36010:無機物質および無機材料化学関連
研究機関	慶應義塾大学
研究代表者	磯部徹彦慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30212971)
研究分担者	磯由樹慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (00769705)
研究期間 (年度)	2024-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円) 2026年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円) 2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード	カーボン量子ドット / 蛍光 / 液相合成 / 蛍光体 / カーボン / 量子ドット
研究開始時の研究の概要	蛍光ピークが単一であり、蛍光ピーク幅が狭く、蛍光ピーク波長が調節可能である蛍光特性を持ち合わせた、環境負荷の少ない炭素を主成分とするカーボン量子ドット（CQD）蛍光材料を作製することを追究する。研究代表者のグループのこれまでの無機化合物量子ドットの液相合成での知見と技術を活かして、高沸点の非水溶媒を使用し、電子供与性官能基をもつ炭素原料分子をビルディングブロックとして組み立てる液相合成法を構築する。sp2ドメインを形成し、HOMO－LUMO間のπ電子遷移により励起・蛍光を起こさせ、周囲環境の極性により励起・蛍光エネルギーを制御できる革新的CQD蛍光材料を開拓する。
研究実績の概要	これまでの無機化合物半導体量子ドットの液相合成での知見と技術を活かし、高沸点溶媒を使用して耐圧容器を用いないカーボン量子ドット(CQDs)の合成法に取り組んだ。250℃のジフェニルエーテル中でp-フェニレンジアミン(p-PD)を加熱還流して広帯域励起・広帯域赤色蛍光を示すCQDsを合成できる。また、180℃の1,2-ペンタンジオール中でレソルシノール(RS)を加熱して狭帯域励起・狭帯域青色蛍光を示すCQDsを合成できる。本研究ではp-PDとRSの混合原料を250℃のジフェニルエーテル中で加熱還流することでCQDsを合成し、蛍光特性を評価した。なお、試料名はCQDs(p-PD/RSモル比)のように表記する。 p-PDのみから合成したCQDs(100/0)では励起・蛍光ピークの半値幅(FWHM)はいずれも約90 nmであった。RSのみから合成したCQDs(0/100)では励起・蛍光ピークのFWHMはいずれも約45 nmであった。これに対し、混合原料から合成したCQDs(75/25)、CQDs(50/50)およびCQDs(25/75)に関しては、励起ピークのFWHMは約90 nm、蛍光ピークのFWHMは約45 nmであった。このように、混合原料から得られたCQDsは広帯域励起・狭帯域蛍光を示した。CQDsの可視域の励起および蛍光ピークは、HOMO－LUMO 間の共役π電子の遷移に帰属される。p-PDから生成される部位は、アミノ基がCQDs末端に導入されたり、脱水素反応により炭素骨格に窒素原子がドープされたりするためエネルギー準位が多様化する。RS間の脱水縮合反応によって生成される部位はp-PD由来部位よりもエネルギー準位数が少ない。このため混合原料から合成されたCQDsはp-PD由来部位で励起が起こり、RS由来部位で蛍光を発するために、広帯域励起・狭帯域蛍光を示すと考えられる。
現在までの達成度	現在までの達成度 2: おおむね順調に進展している理由これまで報告されているCQDsは広帯域励起・広帯域蛍光または狭帯域励起・狭帯域蛍光を示す。これに対し、本研究を通じて、p-PDとRSの混合原料を250℃のジフェニルエーテル中で加熱還流して合成したCQDsは、広帯域励起・狭帯域蛍光を示すことを発見した。よって、おおむね順調に進展していると判断した。
今後の研究の推進方策	広帯域励起・狭帯域蛍光を示すCQDsを合成できたが、ローダミン6Gのエタノール溶液を標準試料として算出した相対蛍光量子収率(PLQY)を測定したところ、このCQDsのPLQYの最大値が24%であった。今後の研究によってPLQYの改善を目指す。また、広帯域励起・狭帯域蛍光に関する考察をさらに深めるための実験に取り組む。