2015 Fiscal Year Annual Research Report
ＩＶ族化合物半導体ナノ結晶コロイドの開発とデバイス応用実証
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15J04138
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
管野 天 神戸大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | シリコン / ナノ結晶 / コロイド / 発光 / ドーピング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリコンナノ結晶コロイドを真に実用的な材料とするためには、克服すべき課題が山積している。一つは、シリコンが間接遷移型半導体であることに起因して吸収断面積が小さいことである。また、量子サイズ効果によるエネルギーギャップの制御範囲が比較的狭い領域(1.1から2.0 eV)に限定されることも挙げられる。これらを解決するアプローチとして、シリコンゲルマニウムナノ結晶の開発に取り組んできた。しかしながら、昨年度まで作製していたシリコンゲルマニウムナノ結晶コロイドのサイズは3から5 nm、ゲルマニウム組成は0.5以下と非常に限定的であり、発光エネルギーの下限は1.0 eVであった。今年度はサイズと組成比をより広範囲に制御することで、バンドギャップを大きく変化させ、吸収断面積が可視領域で一桁以上増加したシリコンゲルマニウムナノ結晶コロイドの開発を目的として研究を実施した。実際には試料作製時の熱処理温度(700から1300 ℃)やガラスマトリクス中の組成を変化させることで、サイズ(3から13 nm)、ゲルマニウム組成(0<x<0.8)を広範囲に制御したシリコンゲルマニウムナノ結晶の作製に成功した。発光エネルギーは0.9から1.3 eVの範囲で制御することができ、その吸収断面積は可視領域で一桁程度増加していることを確認した。また、作製したナノ結晶の表面構造をXPS測定やラマン散乱測定により解析した。シリコンゲルマニウム混晶ナノ結晶の表面にはホウ素とリンが同時ドープされた結晶性シェルが形成されており、ゲルマニウム組成が0.2まではシリコン結晶シェルが、0.2から0.8の範囲ではシリコンゲルマニウム結晶シェルが、0.8以上ではゲルマニウム結晶シェルができていることが明らかとなった。これらのシェル構造がもたらす負の表面電荷によって、溶液中で静電反発により分散していると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでシリコンナノ結晶コロイドのさらなる高性能化、高機能化および物性解明を主眼に研究を進めてきた。今年度は研究代表者が開発した極性溶媒分散性を有するシリコンゲルマニウム混晶ナノ結晶の作製方法を発展させ、ナノ結晶のサイズおよび組成をより広範囲に制御することに成功した。また、作製したシリコンゲルマニウム混晶ナノ結晶が同等サイズのシリコンナノ結晶に比べて、大きい光吸収断面積を有することを確認した。作製したナノ結晶の表面構造をXPS測定やラマン散乱測定により解析し、シリコンゲルマニウム混晶ナノ結晶の表面にはホウ素とリンが同時ドープされた結晶性シェルが形成されていることを明らかにした。また、ゲルマニウム組成が0.2まではシリコン結晶シェルが、0.2から0.8の範囲ではシリコンゲルマニウム結晶シェルが、0.8以上ではゲルマニウム結晶シェルができており、これらのシェル構造がもたらす負の表面電荷によって、溶液中で静電反発により分散していると考えられる。以上の結果は今年度の研究実施計画をおおむね満たすものであり、学会で口頭発表を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．シリコンナノ結晶の単一ドット分光測定を行う。一般に、ナノ結晶材料の物性評価は膨大な数のナノ結晶の集合体に対して行われるが、ナノ結晶にはサイズ、形状、表面状態、欠陥等に分布があるため、得られるデータはそれらを反映した不均一広がりで支配されている。そのため、ナノ結晶の物性を完全に理解するためには、単一のナノ結晶の物性を測定する必要がある。具体的には直径1～14 nmまで変化させたシリコンナノ結晶に対して、単一ナノ結晶分光測定を実施する。多数の単一ナノ結晶に対して発光スペクトルを測定し、発光エネルギーと発光線幅の分布を明らかにする。これにより、ホウ素とリンの高濃度ドーピングがナノ結晶のエネルギー準位構造に及ぼす影響を明らかにする。また、シリコンゲルマニウムナノ結晶についても同様の測定を行い、単一ナノ結晶の発光に関する知見を得る。
２．シリコンナノ結晶のさらなる高性能化に向けて、シリコンナノ結晶への有機分子修飾に関する技術開発を行う。シリコンナノ結晶コロイドは環境親和性が高いことから、医療分野におけるバイオイメージングやバイオセンシングの発光材料としての応用が期待されている。これらの応用においてはたんぱく質等のバイオ材料との複合体を作製する必要があるが、これまで開発してきた全無機シリコンナノ結晶コロイドは表面に反応性の官能基を持たないという制約があった。そこで、今年度はアミノ基やカルボキシル基といった生体適合性の高い官能基を有する有機分子をシリコンナノ結晶に付与することで高機能化させることを試みる。作製した有機分子修飾シリコンナノ結晶の表面状態について、赤外吸収スペクトルと共有結合による選択吸着性について評価を行う。また、表面修飾後の発光特性についても評価する。
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Research Products
(5 results)
