(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器と、
半導体から成るコアと、前記コアの周囲に接して形成されたシェルとによる、コア・シェル型量子ドットによって構成され、複数個の前記コア・シェル型量子ドットが、双極子相互作用が働く範囲内の間隔であって２ｎｍ以下の間隔で一直線に配列されたコア・シェル型量子ドットの配列構造とを含み、
前記光共振器内に、前記コア・シェル型量子ドットの配列構造が配置されて成る
共振器ポラリトン素子。
【請求項２】
前記光共振器が、対向して配置された２つの反射材で構成されている、請求項１に記載の共振器ポラリトン素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア・シェル型量子ドットがごく短い間隔で近接して配列した、コア・シェル型量子ドットの配列構造に係わる。また、このコア・シェル型量子ドットの配列構造を備えた、共振器ポラリトン素子に関わる。
【背景技術】
【０００２】
光共振器中に、光との相互作用が強い動作材料を入れた構造で生じる、光と物質の強結合状態である共振器ポラリトン状態は、閾値の非常に低い、もしくは閾値が理論上無いレーザ光源や、単一光子・相関光子対、といった量子光を生成する量子光源の動作に用いることができる（例えば、特許文献１参照。）。
ここでの閾値とは、レーザ発振の駆動開始までに必要な最小の光励起強度、或いは、最小電流値等のことである。
【０００３】
従来は、この共振器ポラリトン状態を実現するために光共振器中に入れる動作材料として、無機半導体や有機会合体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８１７５８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
動作材料として、一般的な無機半導体を用いると、光と動作材料との結合力が弱く、室温で安定な共振器ポラリトン状態を得にくいため、例えば極低温で動作させるために大掛かりな冷却機を必要とする等の実用上の問題がある。
【０００６】
動作材料として、有機会合体を用いると、室温で安定な共振器ポラリトン状態を実現できるが、励起光のような強い入射光に対する光耐性に乏しく、寿命が短く実用的ではない。
【０００７】
室温で安定な共振器ポラリトン状態を実現するためには、光との相互作用が強い動作材料を用いることが必要であり、光と物質との相互作用力を示す指標である、ラビ分裂量が大きな動作材料を用いることが求められる。かつ、実用上、光耐性や環境耐久性がある動作材料を用いることが必要である。
安定な動作を得るためには、経験的に、ラビ分裂量が、その動作温度における熱エネルギーの３倍程度以上必要であることが知られている。例えば、室温付近の３００Ｋにおける熱エネルギーは、２５．６ｍｅＶであるので、必要なラビ分裂量は７６．８ｍｅＶ以上である。
従来の無機材料の半導体では、このラビ分裂量が小さいため、共振器ポラリトン状態を極低温でしか動作させられなかった。
従来提案されている有機会合体のような有機半導体では、ラビ分裂量が充分大きいため、室温付近でも共振器ポラリトン状態を動作させることができるが、光耐性や環境耐久性が満足できる程度になく、原理的に改良が難しいため、実用化が困難である。
【０００８】
上述した問題の解決のために、本発明においては、室温で共振器ポラリトン状態を安定に動作させることを可能にし、かつ、十分な光耐性と環境耐性を持つ、コア・シェル型量子ドットの配列構造を提供するものである。また、このコア・シェル型量子ドットの配列構造を備えた共振器ポラリトンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の共振器ポラリトン素子は、光共振器と、半導体から成るコアと前記コアの周囲に接して形成されたシェルとによる、コア・シェル型量子ドットによって構成され、複数個の前記コア・シェル型量子ドットが、双極子相互作用が働く範囲内の間隔であって２ｎｍ以下の間隔で一直線に配列されたコア・シェル型量子ドットの配列構造とを含み、光共振器内に、コア・シェル型量子ドットの配列構造が配置されて成るものである。
【００１０】
本発明の共振器ポラリトン素子において、光共振器が対向して配置された２つの反射材で構成してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
上述の本発明によれば、量子ドットが双極子相互作用が働く範囲内の間隔であって２ｎｍ以下の間隔で一直線に配列されているので、量子ドット間で働く双極子相互作用により、量子ドットのコア内の励起が複数の量子ドットに亘りコヒーレントに広がる。
これに伴い、励起子の振動子強度が特定の波長へ集中すること、即ち、動作材料が特定の波長の光と極めて強い相互作用を起こす状態となることにより、量子ドット単体よりもラビ分裂量を充分に大きくできるため、室温等、従来の半導体よりも高い温度で、ポラリトン状態を実現することが可能になる。
【００１２】
ポラリトン状態が、ボーズ統計に従うという性質を利用すると、理論上、閾値電流・励起光を必要としない、現実には、閾値電流・励起光が無いか、閾値電流・励起光が低減された、省エネルギーのレーザ光源を実現できる。
従って、本発明により、従来の半導体よりも高い、室温等の実用上望ましい温度で駆動する、省エネルギーのレーザ光源が実現できる。また、相関光子対の発生装置、量子通信の光源等として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】Ａ〜Ｃ  本発明に係るコア・シェル型量子ドットの形態を示す図である。
【図２】図１Ａの量子ドットを配列した配列構造を示す図である。
【図３】Ａ、Ｂ  シェルを気体層や液体層とした場合のコア・シェル型量子ドットの配列構造の形態を示す図である。
【図４】本発明に係るコア・シェル型量子ドットの一実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の共振器ポラリトンの一実施の形態の概略構成図である。
【図６】Ａ、Ｂ  本発明の量子ドットの配列構造の製造方法を説明する図である。
【図７】Ａ、Ｂ  本発明の量子ドットの配列構造の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
本発明の発明者は、鋭意研究を行い、半導体材料を用いて、有機分子により構成されたＪ会合体に類似する構造を作製することにより、室温付近で共振器ポラリトン状態を実現することが可能になることを見出した。
【００１５】
Ｊ会合体とは、有機色素分子が、互いの分子間力により自己組織的に１次元状に会合した有機半導体材料である。Ｊ会合体では、各分子内の励起が、双極子相互作用により、複数の分子に亘りコヒーレントに広がる。この広がりに伴い、Ｊ会合体の持つ振動子強度が特定の波長へ集中する。即ち、Ｊ会合体は、特定の波長の光と極めて強い相互作用を起こす材料となる。
これにより、Ｊ会合体を動作材料に用いると、極めて大きなラビ分裂量が得られる。本発明の発明者が作製した、擬イソシアニン色素によるＪ会合体を光共振器に入れた構造では、２５０ｍｅＶもの巨大なラビ分裂量が得られ、室温で安定な共振器ポラリトン状態が得られる。
しかしながら、有機分子の光耐性はレーザ等の用途には充分ではないことから、有機分子により構成されたＪ会合体は、光耐性が充分に得られず、実用に不向きである。
【００１６】
そこで、本発明では、自己組織的に形成されるＪ会合体に類似した配列構造を、光耐性の充分に高い半導体をコアに用いたコア・シェル型量子ドットを使用して作製する。
これまで有機半導体のみでしか得られていない、大きなラビ分裂量を生み出す構造・機構を、無機半導体により人工的に作ることで、大きなラビ分裂量と充分な光耐性を併せ持つ材料を実現するものである。
【００１７】
本発明は、前述した動作原理を実現するために、半導体から成るコアと、このコアの周囲に接して形成されたシェルとによる、コア・シェル型量子ドットによって、複数個のコア・シェル型量子ドットが、双極子相互作用が働く範囲内の間隔で配列されたコア・シェル型量子ドットの配列構造を構成するものである。シェルは、各量子ドット間を絶縁し、双極子相互作用以外のエネルギー伝達を防止、或いは、低減する、絶縁層としての働きを持つものである。
また、本発明は、対向して配置された２つの反射材で構成された光共振器中に、コア・シェル型量子ドットの配列構造を配置した共振器ポラリトン素子を構成するものである。
【００１８】
本発明に係るコア・シェル型量子ドットの形態を、図１Ａ〜図１Ｃに示す。
図１Ａは、半導体から成るコア１の周囲に、無機材料から成るシェル２を形成した、コア・シェル型量子ドット１１の構造を示している。
図１Ａに示すように、コア１の表面全体を覆って、無機材料から成るシェル２が形成されて、コア・シェル型量子ドット１１が構成されている。
【００１９】
図１Ｂは、半導体から成るコア１の周囲に、有機材料から成るシェル３を形成した、コア・シェル型量子ドット１２の構造を示している。
なお、図１Ｂでは、有機材料から成るシェル３として、トリオクチルホスフィンオキシド（trioctylphosphine oxide）を使用した場合を示している。
図１Ｂに示すように、コア１の外側に有機材料から成るシェル３が形成されて、コア・シェル型量子ドット１２が構成されている。そして、有機材料から成るシェル３の分子のうち、酸素Ｏがコア１に接しており、リンＰに結合した３つのオクチル基が外側に延びている。
【００２０】
図１Ｃは、半導体から成るコア１の周囲に、無機材料から成るシェル２と有機材料から成るシェル３による複合シェル（マルチシェル）を形成した、コア・シェル型量子ドット１３の構造を示している。
図１Ｃに示すように、コア１の外側を覆って無機材料から成るシェル２が形成されており、さらに、無機材料から成るシェル２の外側に、有機材料から成るシェル３が形成されて、コア・シェル型量子ドット１３が構成されている。
【００２１】
コア・シェル型量子ドットの、コア・シェル粒子（図１Ａ、図１Ｂ）及びコア・マルチシェル粒子（図１Ｃ）のコアの原料としては、例えば、以下に挙げる物質を使用することができる。
（１）周期表の１族からの第１元素と、周期表の１７族からの第２元素とから成るＩ−VII（１−１７）材料。さらにまた、このＩ−VII（１−１７）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなＩ−VII（１−１７）材料としては、例えば、ＬｉＦ，ＬｉＣｌ，ＮａＦ，ＮａＣｌ，ＮａＢｒ，ＮａＩ，ＫＦ，ＫＣｌ，ＫＢｒ，ＫＩが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（２）周期表の１１族からの第１元素と、周期表の１７族からの第２元素とからなるＩ−VII（１１−１７）材料。さらにまた、このＩ−VII（１１−１７）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなＩ−VII（１１−１７）材料としては、例えば、ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＡｇＩ，ＡｕＣｌ３，ＡｕＢｒ３，ＡｕＩ３が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（３）周期表の２族からの第１元素と、周期表の１６族からの第２元素とからなるIIＡ−VIＢ（２−１６）材料。さらにまた、このIIＡ−VIＢ（２−１６）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなIIＡ−VIＢ（２−１６）材料としては、例えば、ＭｇＳ，ＭｇＳｅ，ＭｇＴｅ，ＣａＳ，ＣａＳｅ，ＣａＴｅ，ＳｒＳ，ＳｒＳｅ，ＳｒＴｅ，ＢａＳ，ＢａＳｅ，ＢａＴｅが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（４）周期表の１２族からの第１元素と、周期表の１６族からの第２元素とからなるIIＢ−VIＢ（１２−１６）材料。さらにまた、このIIＢ−VIＢ（１２−１６）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなIIＢ−VIＢ（１２−１６）材料としては、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（５）周期表の１２族からの第１元素と、周期表の１５族からの第２元素とからなるII−Ｖ（１２−１５）材料。さらにまた、このII−Ｖ（１２−１５）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなII−Ｖ（１２−１５）材料としては、例えば、Ｚｎ３Ｐ２、Ｚｎ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｐ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｎ２、Ｚｎ３Ｎ２が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（６）周期表の１３族からの第１元素と、周期表の１５族からの第２元素とからなるIII−Ｖ（１３−１５）材料。さらにまた、このIII−Ｖ（１３−１５）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなIII−Ｖ（１３−１５）材料としては、例えば、ＢＮ，ＢＰ，ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（７）周期表の１３族からの第１元素と、周期表の１４族からの第２元素とからなるIII−IV（１３−１４）材料。さらにまた、このIII−IV（１３−１４）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなIII−IV（１３−１４）材料としては、例えば、Ｂ４Ｃ，Ａｌ４Ｃ，Ｇａ４Ｃが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（８）周期表の１３族からの第１元素と、周期表の１６族からの第２元素とからなるIII−VI（１３−１６）材料。さらにまた、このIII−VI（１３−１６）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなIII−VI（１３−１６）材料としては、Ａｌ２Ｓ３，Ａｌ２Ｓｅ３，Ａｌ２Ｔｅ３，Ｇａ２Ｓ３，Ｇａ２Ｓｅ３，ＧｅＴｅ，Ｉｎ２Ｓ３，Ｉｎ２Ｓｅ３，Ｇａ２Ｔｅ３，Ｉｎ２Ｔｅ３，ＩｎＴｅが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（９）周期表の１４族からの第１元素と、周期表の１６族からの第２元素とからなるIV−VI（１４−１６）材料。さらにまた、このIV−VI（１４−１６）材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このようなIV−VI（１４−１６）材料としては、例えば、ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，Ｓｎ２Ｔｅ３，ＳｎＳ，ＳｎＳｅ，ＳｎＴｅが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（１０）周期表の１４族の元素による半導体材料。さらにまた、１４族の元素中に他元素を含む、二元材料、三元材料、四間材料、ドープ材料等でもよい。このような半導体材料としては、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
（１１）周期表の遷移金属における任意の族からの第１元素と、周期表のｐ−ブロック元素の任意の族からの第２元素とからなる材料。さらにまた、この材料中に他元素を含む、三元材料、四元材料、ドープ材料等でもよい。このような材料としては、例えば、ＮｉＳ，ＣｒＳ，ＣｕＡｌＳ２，ＣｕＡｌＳｅ２，ＣｕＡｌＴｅ２，ＣｕＧａＳ２，ＣｕＧａＳｅ２，ＣｕＧａＴｅ２，ＣｕＩｎＳ２，ＣｕＩｎＳｅ２，ＣｕＩｎＴｅ２，ＡｇＡｌＳ２，ＡｇＡｌＳｅ２，ＡｇＡｌＴｅ２，ＡｇＧａＳ２，ＡｇＧａＳｅ２，ＡｇＧａＴｅ２，ＡｇＩｎＳ２，ＡｇＩｎＳｅ２，ＡｇＩｎＴｅ２が挙げられるが、これらの材料に制限されるものではない。
【００２２】
ただし、近接周期配列構造を構成する粒子間に双極子相互作用が働く物質であれば、コアの原料は、必ずしも上述した（１）〜（１１）の材料に制限されるというわけではない。
【００２３】
次に、コア・シェル型量子ドットの、コア・シェル粒子（図１Ａ、図１Ｂ）及びコア・マルチシェル粒子（図１Ｃ）のシェルの原料としては、例えば、以下に挙げる物質を使用することができる。
（１２）上述したコアの材料として使われる、全ての無機材料を含む。必ずしもこれに制限されるわけではない。
（１３）粒子の表面に配位可能な有機分子。このような有機分子としては、トリアルキルホスフィンオキシド（trioctylphosphine oxide（octyl＝炭素原子数８）等の炭素原子数１〜１０程度のトリアルキルホスフィンオキシド）、アルキルアミン（hexadecylamine（hexadecyl＝炭素原子数１６）等の炭素原子数１〜１８程度のアルキルアミン)、同程度の炭素数を持つジアルキルホスフィンオキシド、アルキルホスフィンオキシド、ジアルキルアミン、トリアルキルアミン、アルキルホスホン酸、アルキルチオールが挙げられるが、必ずしもこれらに制限されるというわけではない。
（１４）低分子及び高分子ポリマー及びそれらの混合物。このようなポリマーとしては、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリスチレンが挙げられるが、必ずしもこれらに制限さるというわけではない。
（１５）空気、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴンを含む気体層や、水、エチレングリコール、トルエン、ブタノールを含む液体層、並びに、真空層。ただし、気体層や液体層の種類は、必ずしもこれらに制限されるというわけではない。なお、気体層や液体層、真空層によりシェルを形成する場合には、コア同士が接触することをシェルのみで防ぐことが難しいので、例えば、コアを支持する支持材（基板等）を使用することが望ましい。
【００２４】
コア・シェル型量子ドットのシェルには、各量子ドットを絶縁して、トンネル効果等による量子ドット間の荷電粒子の移動を防ぐ、もしくは軽減するために、コア原料より広いバンドギャップを有する原料を用いることが望ましい。
なお、シェルの原料は、コア同士の絶縁に寄与する原料であればよく、必ずしもコア原料より広いバンドギャップを有する原料に制限されるというわけではない。
【００２５】
また、コア・シェル型量子ドットのシェルは、前記の（１２）〜（１５）の原料による単層構造、もしくは、（１２）〜（１５）から選ばれる複数の原料を混合したハイブリッド構造、もしくは、２種類の原料を積層した、例えば（１２）の原料と（１３）〜（１５）から選ばれる原料とを積層した、マルチ構造（図１Ｃ）である。
ただし、近接周期配列構造をなす粒子間を絶縁し、トンネル効果等による粒子間の荷電粒子の移動を防ぐ、もしくは軽減することができる構造であれば、必ずしもこれらの構造に制限されるというわけではない。
【００２６】
コア・シェル型量子ドットのコア・シェル粒子及びコア・マルチシェル粒子のコアの形状は、例えば、球体、桿体、円板状、放射状（四脚形や星形等）からなる群から選択した形状とすることができる。
もちろん、量子ドット間に双極子相互作用が働く形状であれば、コアの形状は、必ずしもこれらの形状に制限されるというわけではない。
【００２７】
そして、本発明のコア・シェル型量子ドットの配列構造では、上述した構成のコア・シェル型量子ドットを、双極子相互作用が働く範囲内の間隔で配置する。
隣り合う量子ドットに働く双極子相互作用の大きさＪは、量子ドットが互いに平行な１次元ダイポールを持つと仮定すると、
0005830777.tif 000002
と表される。ただし、μは、量子ドットが持つ遷移双極子モーメントの大きさ、βは、互いの量子ドットの中心を結ぶ線分と遷移双極子モーメントのなす角、ｒは量子ドットの中心間距離である。
双極子相互作用の大きさは、距離の３乗に逆比例するため、距離の増加に伴い急激に減少する。そのため、双極子相互作用が有効的に働く範囲は、非常に近い距離までに限られる。
例えば、上述の擬イソシアニン色素を用いたＪ会合体は、色素が約１ｎｍ間隔で配列した物質であり、この条件を十分に満たしている。
量子ドットの場合、コアを構成する半導体材料の持つμの大きさに依存するが、上限が２ｎｍ〜数ｎｍ程度となる。
シェルの厚さやシェルの大きさと量子ドットの間隔とを合わせた、コア間の距離が、双極子相互作用が働く範囲内になるようにする。
そのため、例えばコアの直径を２ｎｍ以下とした構成のように、通常の量子ドットよりも小さい量子ドットを使用することが望ましい。このような量子ドットは、現状の技術で作製することが可能である。
このような微細な大きさの量子ドットを、１次元、２次元、３次元、有機的、円管状等の構成で配列する。なお、量子ドットは厳密に等間隔に配列されていなくても、双極子相互作用が働く範囲内の間隔であれば良い。
【００２８】
本発明のコア・シェル型量子ドットの配列構造によれば、双極子相互作用が働く範囲内の間隔で量子ドットが配列されているので、量子ドット間で働く双極子相互作用により、量子ドットのコア内の励起が複数の量子ドットに亘りコヒーレントに広がる。
【００２９】
これに伴い、光と極めて強い相互作用を起こす材料となることで、量子ドット単体よりもラビ分裂量を充分に大きくして、室温等、従来の半導体よりも高い温度で、ポラリトン状態を実現することが可能になる。
従って、ポラリトン素子を応用して、閾値がなく、レーザ発振に要する電流や光を低減した、省エネルギーのレーザ光源を実現することが可能になる。また、相関光子対の発生装置、量子通信の光源等を実現することが可能になる。
【００３０】
さらにまた、量子ドットのコア内の励起が複数の量子ドットに亘りコヒーレントに広がることに伴い、光と極めて強い相互作用を起こす材料となることで、ポラリトン素子以外の応用も可能になる。例えば、非線形光学素子、フェムト秒オーダーかそれに近い高速応答が可能な超高速応答素子、増感剤、エネルギー伝達用の素子等を実現することが可能になる。
【００３１】
本発明のコア・シェル型量子ドットの配列構造の一形態として、図１Ａに示したコア・シェル型量子ドット１１を配列した構成を、図２に示す。
図２に示すコア・シェル型量子ドットの配列構造２０は、図１Ａに示したコア・シェル型量子ドット１１を、量子ドット１１が互いに接触するように、ほぼ一直線に配列した構造である。
なお、図２では、量子ドット１１が互いに接触するように配置されているが、量子ドット１１間で双極子・双極子相互作用が生じる範囲であれば、量子ドット１１がある程度の間隔を有していても良い。
【００３２】
このようにコア・シェル型量子ドットの配列構造２０を構成したことにより、量子ドット内のコアで生じた励起が、量子ドット間で働く双極子・双極子相互作用により、複数個の量子ドットに亘り、コヒーレントに広がる。これにより、量子ドット単体よりもラビ分裂量を充分大きくして、室温等従来の半導体よりも高い温度でポラリトン状態を実現することが可能になる。
【００３３】
なお、図２では量子ドット１１をほぼ一直線に配列したが、量子ドットを平面的に配列したり、量子ドットを立体的に配列したりしてもよい。また、量子ドットを平面的又は立体的に配列する場合に、隣接する量子ドットの行や隣接する量子ドットの面と互い違いに配列してもよい。
また、図１Ｂに示したコア・シェル型量子ドット１２や図１Ｃに示したコア・シェル型量子ドット１３も、コア・シェル型量子ドット１１と同様に配置して、コア・シェル型量子ドットの配列構造を構成することができる。
【００３４】
また、シェルを気体層や液体層とした場合のコア・シェル型量子ドットの配列構造の形態を、図３Ａ及び図３Ｂの断面図に示す。
【００３５】
図３Ａは、シェルを気体層もしくは真空層とした形態である。球状のコア２１が下の基板２２と一体化して形成されている。コア２１と基板２２との間は細い支持部２３によって接続されている。コア２１とコア２１の間の空間２４は、気体層もしくは真空層となっている。コア２１を基板２２と一体化して形成して、コア２１を一列に配列したことにより、コア・シェル型量子ドットの配列構造を構成している。
このような構成は、例えば、電子ビームリソグラフィー装置やＦＩＢ（集束イオンビーム）装置によって基板を加工したり、基板を化学エッチングしたりすることにより、コア２１と支持部２３と基板２２とを同一材料で一体化して形成することができる。
【００３６】
図３Ｂは、シェルを液体層とした形態である。
図３Ａに示した、コア２１と基板２２とが一体化した構成を利用して、コア２１の周りに液体層のシェル２５を形成している。
なお、図３Ｂでは、コア２１の周囲に沿って液体層のシェル２５が形成されている。これに対して、コア２１とコア２１との間の空間をシェルの液体層で完全に埋めた構成としても構わない。
【００３７】
次に、本発明のコア・シェル型量子ドットの配列構造の一実施の形態を説明する。
まず、本実施の形態のコア・シェル型量子ドットの配列構造に係るコア・シェル型量子ドット３０の概略構成図を、図４に示す。
図４に示すコア・シェル型量子ドット３０は、基本的な構造は、図１Ｃに示したコア・マルチシェル粒子の量子ドット１３と同様となっている。
即ち、半導体から成るコア１と、コア１の外側を覆って形成された、無機材料から成るシェル２と、無機材料から成るシェル２の外側に形成された、有機材料から成るシェル３とを有して、コア・シェル型量子ドット３０が構成されている。
【００３８】
そして、本実施の形態では、コア１にＣｄＳｅを使用し、シェル２にＺｎＳを使用している。
また、本実施の形態では、特に、コア・シェル型量子ドット３０の有機材料から成るシェル３が、トリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）から成るシェル３Ａと、ヘキサデシルアミン（ＨＤＡ）から成るシェル３Ｂとの、２種類のシェル３Ａ，３Ｂにより構成されている。
トリオクチルホスフィンオキシドから成るシェル３Ａは、図１Ｃに示した量子ドット１３と同様に、シェル３Ａの分子のうち、酸素Ｏが無機材料から成るシェル２に結合し、リンＰに結合した３つのオクチル基が外側に延びている。
ヘキサデシルアミンから成るシェル３Ｂは、ヘキサデシルアミンのＮＨ２−ＣＨ３（ＣＨ２）１５のアミンの窒素Ｎが無機材料から成るシェル２に結合し、炭化水素基が外側に延びている。
【００３９】
本実施の形態のコア・シェル型量子ドット３０において、コア１の直径ｄ１は、２ｎｍ以下とすることが好ましい。
無機材料から成るシェル２の直径ｄ２は、３ｎｍ以下とすることが好ましい。
有機材料から成るシェル３の直径、即ち量子ドット３０の直径ｄ３は、４ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００４０】
数ナノメートル程度の大きさを持つコア・シェル型量子ドットでは、コアの原料の種類やコアの形状・粒径により、発光波長が変化することが知られている。例えば、同じコアの原料の球状の量子ドットでは、コアの直径が大きいほど発光波長が長くなる。
【００４１】
実際に、本実施の形態に係る量子ドット３０を作製して、作製した量子ドット３０をトルエンに分散させて、発光波長を調べた。
その結果、コアの直径が２ｎｍのときは４８０ｎｍ付近の発光を生じ、コアの直径が６ｎｍのときは６００ｎｍ付近の発光を生じた。
【００４２】
そして、本実施の形態では、図４に示したコア・シェル型量子ドット３０を、双極子相互作用が働く範囲内の間隔で、図２に示したと同様に一列に配置する、もしくは、平面的や立体的に配列して、コア・シェル型量子ドットの配列構造を構成する。
これにより、量子ドット３０内のコア１で生じた励起が、量子ドット３０間で働く双極子相互作用により、複数個の量子ドット３０に亘りコヒーレントに広がることに伴って、光と極めて強い相互作用を起こす材料となることで、量子ドット３０単体よりもラビ分裂量を充分に大きくして、室温等従来の半導体よりも高い温度でポラリトン状態を実現することが可能になる。
従って、このコア・シェル型量子ドットの配列構造を用いて、閾値のないレーザ光源や、相関光子対の発生装置、量子通信の光源等を実現することが可能になる。
【００４３】
なお、コア１には、上述したＣｄＳｅの他にも、前述した各種の半導体材料、即ち前述した（１）〜（１１）の半導体材料を使用することができる。
シェル２には、上述したＺｎＳの他にも、前述した無機材料、即ち前述した（１２）の無機材料を使用することができる。
シェル３（３Ａ，３Ｂ）には、上述したトリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）やヘキサデシルアミン（ＨＤＡ）の他にも、前述した有機材料、即ち前述した（１３）〜（１４）の有機材料を使用することができる。
【００４４】
次に、本発明の共振器ポラリトンの一実施の形態の概略構成図を、図５に示す。
図５に示す共振器ポラリトン５０は、それぞれの反射面が対向するように光の波長の半分の間隔で平行に配置された、２枚のミラー４１と、２枚のミラー４１の間に配置された、量子ドット４２とから構成されている。
量子ドット４２は、前述した材料から成る、コア・シェル型量子ドットによって、構成する。
このような構成により、ミラー４１の間隔の２倍の波長の光を共振器内で強めることができ、この波長の光と量子ドット４２のコアの半導体とを相互作用させて、光子と励起子との混合状態である共振器ポラリトン状態を実現することができる。
【００４５】
なお、光を強めあう構造を構成できれば、必ずしも光の波長の半分の間隔である必要は無い。また、ミラー４１の代わりに、フォトニッククリスタル等、その他の反射構造を使用して共振器ポラリトンを構成することも可能である。
【００４６】
本発明の量子ドットの配列構造は、様々な方法により製造することが可能である。
配列構造を構成する量子ドットに使用するコア及びシェルの材料に対応して、適切な製造方法を選定すればよい。
続いて、コア・シェル型量子ドットの配列構造の製造方法の形態を、以下に示す。
【００４７】
（テンプレート方式による製造方法）
本形態では、テンプレートを用いて、コア・シェル型量子ドットの配列構造を製造する。
まず、図６Ａに示すように、テンプレートとしてのテラス・ステップ構造５２を持つ基板５１を用意する。
基板５１としては、例えば、酸化物であるＳｒＴｉＯ３を、（１００）面から２°オフした傾斜面で切り出して、１気圧（酸素：窒素＝１：１０００の分圧）・１０００℃で１５時間焼成して得られる基板（例えば、M. Naito et al., Physica, 305, 233 (1998)を参照）を使用することができる。このような条件で焼成することにより、基板５１の表面にテラス・ステップ構造５２を形成することができる。
テンプレートは、必ずしもこの材料・構成に制限されるというわけではない。
【００４８】
そして、図６Ｂに示すように、基板５１のテラス・ステップ構造５２上に、トルエン等の溶媒に分散した量子ドット（コア・シェル粒子、もしくは、コア・マルチシェル粒子）５３を滴下して、スピンコーターによる遠心力を利用して量子ドット５３を配列する。
なお、テンプレート上への量子ドットの粒子の展開方法や配列方法は、必ずしも上述した方法に制限されるわけではない。
【００４９】
（自己組織化方式による製造方法）
本形態では、量子ドットの表面に有機分子を配位して有機材料から成るシェルを形成して、その有機材料の持つ疎水性（もしくは親水性）を利用して、自己組織的に近接周期配列構造を製造する（例えば、V. Santhanam et al., Langmuir, 19, 7881 (2003)を参照）。
【００５０】
まず、コア又は無機材料から成るシェルの表面に有機分子を配位して、有機材料から成るシェルを形成して、量子ドットを作製する。
次に、良溶媒中に、量子ドットのコア・シェル粒子もしくはコア・マルチシェル粒子を分散させる。量子ドットの有機材料から成るシェルの外側が疎水性の場合には非極性溶媒（有機溶媒等）を良溶媒として使用し、量子ドットの有機材料から成るシェルの外側が親水性の場合には極性溶媒（水や親水性の有機酸等）を良溶媒として使用する。
次に、量子ドットを分散させた良溶媒を、貧溶媒上に滴下する。良溶媒が非極性溶媒の場合には貧溶媒として極性溶媒を使用し、良溶媒が極性溶媒の場合には貧溶媒として非極性溶媒を使用する。
例えば、図７Ａに示すように、水等の極性溶媒６１中に、補助材として浮き６２を浮かべる。そして、浮き６２の間に、量子ドット６４を分散させた、有機溶媒（油層）等の非極性溶媒６３を滴下する。これにより、量子ドット６４を分散させた非極性溶媒６３と、極性溶媒６１とが分離する。
次に、良溶媒を揮発させる。例えば、図７Ａの非極性溶媒６３を揮発させる。これにより、図７Ｂに示すように、極性溶媒６１の表面に量子ドット６４が凝縮されていき、量子ドット６４から成る自己組織膜６５が形成される。
【００５１】
即ち、良溶媒と貧溶媒との相分離を利用して、量子ドット６４を自己組織化して、コア・シェル型量子ドット６４の配列構造を持つ自己組織膜６５を製造することができる。
なお、量子ドットのコア・シェル粒子もしくはコア・マルチシェル粒子を自己組織化する方法は、必ずしもこの方法に制限されるというわけではない。
【００５２】
粒子間に双極子相互作用が働き、かつ、粒子間の絶縁性の高い構造を作製することができる方法であれば、必ずしもこれらの製造方法に制限されるというわけではない。
【００５３】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、上記の通り、量子ドット単体よりもラビ分裂量を充分に大きくして、室温等、従来の半導体よりも高い温度で、ポラリトン状態を実現することが可能になる、という優れた効果を有するので、ポラリトン素子を応用した、無閾値の省エネルギーレーザ、相関光子対の発生装置、量子通信の光源等や、ポラリトン素子以外の非線形光学素子、超高速応答素子、増感剤、エネルギー伝達用の素子において活用でき、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００５５】
１，２１  コア、２  無機材料から成るシェル、３  有機材料から成るシェル、１１，１２，１３，３０  コア・シェル型量子ドット、２０  コア・シェル型量子ドットの配列構造、２２，５１  基板、２５  液体層から成るシェル、４１  ミラー、４２，５３，６４  量子ドット、５０  共振器ポラリトン、５２  テラス・ステップ構造、６１  極性溶媒、６３  非極性溶媒、６５  自己組織膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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