(57)【要約】      （修正有）【課題】互いに対向する導電体層のエッジ同士の間に量子ドットなどのナノ要素を正確にかつ容易に挟むことができる量子装置の製造方法を提供する。【解決手段】導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第１の薄片の一導電体層のエッジ上に複数のナノ要素を導入した後、この面に対し、導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第２の薄片の一方の面を、第１の薄片の導電体層と第２の薄片の導電体層とが互いに交差するように、かつ第１の薄片の面に対して平行に保って接近させる。第１の薄片の導電体層１７と第２の薄片の導電体層１７との間に電圧を印加することで発生する電場により、交差部で互いに対向する第１の薄片の導電体層１７のエッジと第２の薄片の導電体層１７のエッジとの間にナノ要素を引き込む。第１の薄片と第２の薄片との間隔を狭めて交差部における第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素１９を挟む。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第１の薄片の一方の面の少なくとも上記導電体層のエッジ上に複数のナノ要素を導入する工程と、
上記第１の薄片の上記ナノ要素が導入された上記面に対し、導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第２の薄片の一方の面を、上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層とが互いに交差するように、かつ上記第１の薄片の上記面に対して平行に保ちながら接近させる工程と、
上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、上記導電体層の上記交差部において互いに対向する上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を引き込む工程と、
上記第１の薄片と上記第２の薄片との間隔を狭めることにより上記交差部における上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を挟む工程とを有する量子装置の製造方法。
【請求項２】
上記ナノ要素が量子ドットであることを特徴とする請求項１記載の量子装置の製造方法。
【請求項３】
上記導電体層の厚さが０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、上記誘電体層の厚さが上記ナノ要素の大きさと同程度以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の量子装置の製造方法。
【請求項４】
上記導電体層が金属層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子装置の製造方法。
【請求項５】
上記ナノ要素が分散された溶液中に上記第１の薄片を浸漬することにより上記第１の薄片の上記面に上記ナノ要素を導入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子装置の製造方法。
【請求項６】
上記ナノ要素が分散された溶液中において上記第２の薄片の上記面を上記第１の薄片の上記面に接近させることを特徴とする請求項５記載の量子装置の製造方法。
【請求項７】
上記ナノ要素が分散された溶液中において上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、上記交差部における上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を引き込むことを特徴とする請求項６記載の量子装置の製造方法。
【請求項８】
上記ナノ要素が分散された溶液中に上記第１の薄片を浸漬することにより上記第１の薄片の上記面に上記ナノ要素を導入した後、上記溶液から上記第１の薄片を取り出し、上記第１の薄片の上記面に付着した上記溶液の溶媒を蒸発させることを特徴とする請求項５記載の量子装置の製造方法。
【請求項９】
粉末状またはナノ粒子状の上記ナノ要素を上記第１の薄片の上記面に散布することにより上記第１の薄片の上記面に上記ナノ要素を導入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子装置の製造方法。
【請求項１０】
上記第１の薄片の上記面に対し、上記第２の薄片の上記面を、上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層とが互いに９０度の角度で交差するように、かつ上記第１の薄片の上記面に対して平行に保ちながら接近させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の量子装置の製造方法。
【請求項１１】
上記第１の薄片と上記第２の薄片との間隔を狭めることにより上記交差部における上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を挟んだ後、上記第１の薄片および上記第２の薄片を上記導電体層の上記交差部を通り、かつ上記導電体層の交差角度を分割する分割面に沿って切断することにより切断面に沿って上記交差部を半無限空間に露出させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の量子装置の製造方法。
【請求項１２】
上記第１の薄片の上記面に対し、上記第２の薄片の上記面を、上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層とが互いに交差するように、かつ上記第１の薄片の上記面に対して平行に保ちながら接近させた後、上記第１の薄片および上記第２の薄片を上記導電体層の上記交差部を通り、かつ上記導電体層の交差角度を分割する分割面に沿って切断することにより切断面に沿って上記交差部を半無限空間に露出させ、その後、切断された上記第１の薄片の上記導電体層と切断された上記第２の薄片の上記導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、上記導電体層の上記交差部において互いに対向する上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を引き込むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の量子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子装置の製造方法に関し、ナノメートルサイズで機能を有するユニットであるナノ要素（nano element）を用いる量子装置、例えば量子ドットからの発光を利用した量子ドット発光装置の製造に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片を２枚、それらの層が互いに交差し、かつ、交差部において互いに対向する導電体層の間に量子ドットを挟んだ機能素子が提案されている（特許文献１、２参照）。この機能素子によれば、２枚の薄片の互いに交差する導電体層間に挟まれた量子ドットに対し、この量子ドットを挟む導電体層間に電流を流すことにより、発光を起こさせることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０６／０３５６１０号
【特許文献２】国際公開第０９／０４１２３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来の機能素子においては、２枚の薄片の互いに対向する導電体層のエッジ間に正確に量子ドットを挟むことは必ずしも容易ではなかった。
【０００５】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、互いに対向する導電体層のエッジ同士の間に量子ドットなどのナノ要素を正確にかつ容易に挟むことができる量子ドット装置などの量子装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明は、
導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第１の薄片の一方の面の少なくとも上記導電体層のエッジ上に複数のナノ要素を導入する工程と、
上記第１の薄片の上記ナノ要素が導入された上記面に対し、導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第２の薄片の一方の面を、上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層とが互いに交差するように、かつ上記第１の薄片の上記面に対して平行に保ちながら接近させる工程と、
上記第１の薄片の上記導電体層と上記第２の薄片の上記導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、上記導電体層の上記交差部において互いに対向する上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を引き込む工程と、
上記第１の薄片と上記第２の薄片との間隔を狭めることにより上記交差部における上記第１の薄片の上記導電体層のエッジと上記第２の薄片の上記導電体層のエッジとの間に上記ナノ要素を挟む工程とを有する量子装置の製造方法である。
【０００７】
ナノ要素は、量子装置に持たせる機能に応じて適宜選ばれる。ナノ要素の大きさは、具体的には、例えば０．２ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるが、これに限定されるものではない。ナノ要素は、例えば、量子ドット、取り分け半導体量子ドット、ナノ結晶、ナノ粒子、分子などである。量子装置は、例えば、量子ドット装置であるが、これに限定されるものではない。
【０００８】
典型的な一つの例では、量子ドットなどのナノ要素が分散された溶液中に第１の薄片を浸漬することにより第１の薄片の面にナノ要素を導入する。この溶液の溶媒としては、好適には無極性溶媒が用いられる。また、典型的な一つの例では、ナノ要素が分散された溶液中において第２の薄片の面を第１の薄片の面に接近させる。また、典型的な一つの例では、ナノ要素が分散された溶液中において第１の薄片の導電体層と第２の薄片の導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、交差部における第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素を引き込む（あるいは自己整合させる）。この際には、必要に応じて、第１の薄片および第２の薄片の全体に、横方向の振動（横揺れ）や超音波振動などを加える。こうすることで、交差部における第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素を引き込みやすくなる。また、他の例では、ナノ要素が分散された溶液中に第１の薄片を浸漬することにより第１の薄片の面にナノ要素を導入した後、この溶液から第１の薄片を取り出し、第１の薄片の面に付着した溶液の溶媒を蒸発させる。第１の薄片をナノ要素が分散された溶液に浸漬する代わりに、粉末状またはナノ粒子状のナノ要素を第１の薄片の面に散布することにより、第１の薄片の面にナノ要素を導入するようにしてもよい。この場合、例えば、粉末状またはナノ粒子状のナノ要素を第１の薄片の面に散布した後、この第１の薄片に例えば超音波振動を加えることなどにより、第１の薄片上にナノ要素が一層だけ、導入されるようにする。典型的には、第１の薄片の面に対し、第２の薄片の面を、第１の薄片の導電体層と第２の薄片の導電体層とが互いに９０度の角度で交差するように、かつ第１の薄片の面に対して平行に保ちながら接近させる。
【０００９】
必要に応じて、第１の薄片と第２の薄片との間隔を狭めることにより交差部における第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素を挟んだ後、第１の薄片および第２の薄片を導電体層の交差部を通り、かつ導電体層の交差角度を分割する分割面に沿って切断することにより切断面に沿って上記の交差部を半無限空間に露出させる。また、必要に応じて、第１の薄片の面に対し、第２の薄片の面を、第１の薄片の導電体層と第２の薄片の導電体層とが互いに交差するように、かつ第１の薄片の面に対して平行に保ちながら接近させた後、第１の薄片および第２の薄片を導電体層の交差部を通り、かつ導電体層の交差角度を分割する分割面に沿って切断することにより切断面に沿って交差部を半無限空間に露出させ、その後、切断された第１の薄片の導電体層と切断された第２の薄片の導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、導電体層の交差部において互いに対向する第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素を引き込むようにしてもよい。ここで、上記の導電体層の交差角度を分割する分割面は、典型的には、上記の導電体層の交差角度の二等分面であるが、これに限定されるものではない。
【００１０】
第１の薄片および第２の薄片の導電体層は、典型的には金属層であり、金属としては、例えば金、パラジウム、白金、チタン、ニッケルなどの各種の金属のほか、互いに異なる二種類以上の金属からなる各種の合金を用いることもでき、これらの中から必要に応じて選ばれる。また、第１の薄片および第２の薄片の誘電体層は、有機または無機の誘電体からなり、有機誘電体としては高分子を用いることができ、無機誘電体としては例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウムなどを用いることができる。導電体層の厚さ（第１の薄片および第２の薄片の面内方向の厚さ）は必要に応じて選ばれるが、典型的には０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、誘電体層の厚さ（第１の薄片および第２の薄片の面内方向の厚さ）も必要に応じて選ばれるが、一般的にはナノ要素の大きさと同程度以上１０ｍｍ以下、典型的には０．２ｎｍ以上５０μｍ以下である。
【００１１】
量子ドットは、各種の半導体からなるものであってよく、コアとその周りのシェルとからなるコア−シェル構造のものであってもよい。量子ドットの形状は、典型的には球形であるが、球形から少しずれた形状であってもよい。量子ドットの直径（あるいは平均径）は典型的には数ｎｍ（例えば３ｎｍ）〜２０ｎｍであるが、これに限定されるものではない。量子ドット装置は、典型的には量子ドット、取り分け半導体量子ドットの発光を利用する量子ドット発光装置であるが、量子ドットの特性を利用するものであればどのようなものであってもよい。
【００１２】
導電体層と誘電体層との周期構造体からなる第１の薄片または第２の薄片を製造する方法は特に限定されるものではないが、例えば、ロールツーロールプロセスにより、半径方向に導電体層と誘電体層とが交互に周期的に形成された円板状のロールを作製し、このロールから薄片を切り出すことにより製造することができる。第１の薄片または第２の薄片は典型的には正方形または長方形であるが、これに限定されるものではない。また、第１の薄片または第２の薄片の大きさや厚さも必要に応じて選ばれる。また、第１の薄片または第２の薄片は互いに同一のものであってもよいし、互いに異なるものであってもよく、例えば、第１の薄片または第２の薄片の導電体層の間隔や材料などが互いに異なってもよい。
【００１３】
必要に応じて、第１の薄片と第２の薄片とをそれらの導電体層の交差部にナノ要素を挟んで積層した後に、第１の薄片側または第２の薄片側にさらに１層または２層以上の薄片を積層してもよい。第１の薄片または第２の薄片とこれらの薄片との間、あるいは、これらの薄片の間には、それらの導電体層の交差部にナノ要素を挟んでもよいし、挟まなくてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、第１の薄片の導電体層と第２の薄片の導電体層との間に電圧を印加することにより発生する電場により、導電体層の交差部において互いに対向する第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素を引き込むことができ、第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間のエネルギーが最小の位置にナノ要素を位置決めすることができる。そして、この状態で第１の薄片と第２の薄片との間隔を狭めることにより交差部における第１の薄片の導電体層のエッジと第２の薄片の導電体層のエッジとの間にナノ要素を挟むことができる。こうして、互いに対向する導電体層のエッジ同士の間にナノ要素を正確にかつ容易に挟むことができ、第１の薄片の選択された導電体層と第２の薄片の選択された導電体層との間に電圧を印加することにより、選択されたナノ要素に電圧を印加することができ、あるいは電流を流すことができる量子装置を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の第１の実施の形態において導電体層と誘電体層との周期構造体からなる薄片の製造に用いる真空蒸着装置を示す略線図である。
【図２】図１に示す真空蒸着装置を用いて製造された円板状のロールを示す平面図である。
【図３】図２に示す円板状のロールから切り出された薄片を示す斜視図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図８】この発明の第１の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図９】この発明の第１の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための平面図である。
【図１０】この発明の第１の実施の形態により製造された量子ドット装置の要部を拡大して示す略線図である。
【図１１】この発明の原理を説明するための略線図である。
【図１２】ＰＥＮフィルム上に厚さが２０ｎｍのニッケル薄膜を成膜した試料の断面透過型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図１３】この発明の第２の実施の形態における積層構造体の切断方法を説明するための平面図である。
【図１４】この発明の第２の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１５】この発明の第２の実施の形態による量子ドット装置の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１６】この発明の第２の実施の形態により製造された量子ドット装置を示す側面図である。
【図１７】この発明の第２の実施の形態により製造された量子ドット装置を示す底面図である。
【図１８】この発明の第２の実施の形態により製造された量子ドット装置における一つの導電体層の交差部およびこの交差部を構成する二つの導電体層の形状を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
まず、この発明の第１の実施の形態について説明する。この第１の実施の形態においては、量子ドット装置の製造方法について説明する。
【００１７】
図１ＡおよびＢは真空蒸着装置の真空チェンバー１１の正面図および側面図である。
図１ＡおよびＢに示すように、この第１の実施の形態においては、ローラ１２に、例えば幅が狭くて薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルムなどの誘電体層１３を巻き付けておき、この誘電体層１３の一方の面に、蒸着源１４から金属などの導電体を蒸発させて薄く導電体層（図示せず）を形成した後、この導電体層付き誘電体層１３を巻き取りローラ１５で巻き取る。符号１６は誘電体層１３を両側から保持する支持板を示す。ここで、誘電体層１３の厚さは例えば０．２ｎｍ以上５０μｍ以下、導電体層の厚さは例えば０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下とするが、これに限定されるものではない。
【００１８】
上述のようにして導電体層付き誘電体層１３が巻き取りローラ１５で巻き取られることにより、図２に示すように、誘電体層１３と導電体層１７とが半径方向に交互に積層されたスパイラル構造体が形成される。ただし、図１においては、図示の都合上、スパイラル構造を同心円構造で代用している。
【００１９】
次に、必要に応じて、この円板状のスパイラル構造体の両面を化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより研磨して平坦化する。
次に、こうして両面が研磨された円板状のスパイラル構造体の一部を図２の一点鎖線の四角形（長方形または正方形）で示されるように切り出す。図３に、こうして切り出された薄片１８を示す。図３に示すように、この薄片１８においては、面内方向にストライプ状の誘電体層１３および導電体層１７が交互に周期的に形成されている。ここで、薄片１８の誘電体層１３および導電体層１７は厳密にはスパイラル構造を有し、湾曲しているが、導電体層１７の周期を十分に小さく、例えば１０ｎｍ〜１μｍに選ぶことにより、これらの誘電体層１３および導電体層１７は直線状に延在しているとみなすことができる。図３においては、一例として薄片１８における導電体層１７の数が７である場合が図示されているが、これに限定されるものではない。
【００２０】
次に、この薄片１８の各導電体層１７に外部リード線（図示せず）を接続する。
次に、図４Ａに示すように、無極性溶媒に直径Ｄの半導体量子ドットなどの量子ドット１９を分散させた量子ドット溶液２０が入れられた容器２１を振動台２２の上に置く。量子ドット溶液２０の無極性溶媒としては従来公知の各種のものを用いることが、必要に応じて選ばれるが、具体的には、例えば、エチルエーテル、イソフタル酸、アマニ油（不飽和脂肪酸系オイル）、キシレン、クロロホルム、四塩化炭素、二硫化炭素、ヘキサン、ベンゼンなどを用いることができる。この振動台２２は、横方向の振動（横揺れ）や超音波振動などを起こすことができるように構成されている。横揺の振幅や超音波振動の強度は必要に応じて選択することができるようになっている。容器２１の底の上には支持台２３が設置されている。
【００２１】
次に、図４Ｂに示すように、容器２１中の量子ドット溶液２０の中に上記の薄片１８を浸漬し、この薄片１８を支持台２３上に固定する。この状態で放置すると、量子ドット溶液２０中の量子ドット１９がこの薄片１８の面に堆積し、分散される。この量子ドット１９は、少なくとも、後にこの薄片１８に別の薄片を重ねた時にこれらの薄片の導電体層１７の交差部となる部分の導電体層１７のエッジ上に存在するようにする。そのためには、好適には薄片１８上の交差部の面密度の例えば１〜１００倍程度になるように量子ドット１９を堆積させる必要があるが、最も好適には、薄片１８の面全体を埋め尽くすように高密度で堆積させる。図５に、薄片１８の面に量子ドット１９が高密度に分散された様子の一例を示す。
【００２２】
次に、図６に示すように、図３に示すものと同様な構成を有し、各導電体層１７に外部リード線（図示せず）が接続されたもう一つの薄片２４を量子ドット溶液２０中に浸漬し、この薄片２４の一方の面を、量子ドット１９が分散された薄片１８の面に対し、それらの誘電体層１３および導電体層１７が互いに交差するように、典型的には９０度の角度で交差するように、かつ薄片１８の面と平行に保持しながら接近させる。こうして、これらの薄片１８、２４間の間隔を量子ドット１９の直径Ｄより少し大きい値に設定する。この際、必要に応じて、ＬＣＲメータなどを用いて薄片１８、２４間の静電容量をモニターすることにより、薄片１８、２４のアラインメント状況、具体的には薄片１８、２４間の間隔を把握する。薄片１８、２４間の静電容量はこれらの薄片１８、２４間の間隔が小さくなるのに伴い増加することから、薄片１８、２４間の静電容量が十分に大きくなったことを確認して薄片１８、２４間の間隔を容易に直径Ｄより少し大きい値に設定することができる。図７はこの状態の薄片１８、２４の斜視図を示す。
【００２３】
次に、振動台２２により容器２１に振動を与えながら、薄片１８の各導電体層１７に接続された外部リード線と薄片２４の各導電体層１７に接続された外部リード線との間に図示省略した電源により所定の電圧を印加することにより電場を発生させ、この電場によりこれらの薄片１８、２４の各導電体層１７の交差部におけるエッジの間に引き込む。この印加電圧については後述する。容器２１に与える振動は、例えば、比較的振幅の大きい横揺れや弱い超音波振動などである。
【００２４】
次に、薄片１８と薄片２４との間隔を狭めることにより、交差部における薄片１８の導電体層１７のエッジと薄片２４の導電体層１７のエッジとの間に量子ドット１９を挟む。この際、必要に応じて、ＬＣＲメータなどを用いて薄片１８、２４間の静電容量をモニターすることにより、薄片１８、２４のアラインメント状況、具体的には薄片１８、２４間の間隔を把握する。薄片１８、２４間の静電容量はこれらの薄片１８、２４間の間隔が小さくなるのに伴い増加することから、薄片１８、２４間の静電容量が十分に大きくなったことを確認して薄片１８、２４間の間隔を容易に直径Ｄより少し大きい値に設定することができる。
【００２５】
以上により、図８に示すように、薄片１８上に、この薄片１８と全く同様な構造を有するもう一つの薄片２４が、それらの誘電体層１３および導電体層１７が互いに９０度の角度で交差し、かつこの交差部において導電体層１７のエッジ間に量子ドット１９を挟んで対向するように積層された積層構造体が形成される。その状態で、薄片１８、２４同士を固定する。例えば、薄片１８、２４の積層構造体の四つの側面（端面）に例えばエポキシ系接着剤などの接着剤により、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などからなる透明な支持板を貼り付ける。次に、薄片１８、２４の積層構造体の両面および積層構造体の側面に貼り付けられた支持板に、例えばエポキシ系接着剤などの接着剤により、例えばＰＭＭＡなどからなる透明な支持板を貼り付ける。こうすることで、薄片１８、２４同士が密着した積層構造体が形成され、量子ドット装置が製造される。ここでは、薄片１８、２４の平面形状は正方形であるとする。この積層構造体の平面図を図９に示す。図１０ＡおよびＢは、薄片１８の一つの導電体層１７と薄片２４の一つの導電体層１７との交差部を、誘電体層１３の図示を省略した上で拡大して示した斜視図および平面図である。図１０Ｂに示すように、薄片１８の一つの導電体層１７と薄片２４の一つの導電体層１７との交差部の大きさは辺の長さがｄの正方形である。図１０ＡおよびＢに示すように、薄片１８の一つの導電体層１７と薄片２４の一つの導電体層１７との交差部には量子ドット１９が挟まれている。
【００２６】
ここで、薄片１８、２４の各導電体層１７の交差部におけるエッジ間に量子ドット１９引き込むために、薄片１８の各導電体層１７と薄片２４の各導電体層１７との間に印加する電圧について説明する。
【００２７】
薄片１８の各導電体層１７と薄片２４の各導電体層１７との間に電圧を印加すると、薄片１８の導電体層１７と薄片２４の導電体層１７との交差部に電場が生じる。導電体層１７の厚さは例えば０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下と十分に小さいので、交差部において互いに対向する導電体層１７のエッジ間に発生する電場は、図１１に示すように、薄片１８の導電体層１７のエッジに置かれたこの導電体層１７の厚さと同等の直径を有する微小半径のワイヤーＷ1 と、同じく薄片２４の導電体層１７のエッジに置かれたこの導電体層１７の厚さと同等の直径を有する微小半径のワイヤーＷ2 とによる電場で近似することができる。これらのワイヤーＷ1 、Ｗ2 の単位長さ当たりの電荷量をｑとすると、これらのワイヤーＷ1 、Ｗ2 の周りの電場は
【００２８】
【数１】
2012190946.tif 000003
で与えられる。今、図１１に示すようにｘ−ｙ−ｚ座標軸を取り、薄片１８の導電体層１７と薄片２４の導電体層１７との交差が（ｘ，ｙ）＝（０，０）で起きるとする。
【００２９】
式（１）より、ｚ軸上では、電場の強さＥは
【数２】
2012190946.tif 000004
となる。ワイヤーＷ1 とワイヤーＷ2 との間の電位差をＶとすると、ワイヤーＷ1 、Ｗ2 の半径をａとして
【数３】
2012190946.tif 000005
となる。
【００３０】
式（３）より
【数４】
2012190946.tif 000006
であり、微小電荷をワイヤーＷ1 からワイヤーＷ2 まで移動させる時のエネルギーＥ0 は
【数５】
2012190946.tif 000007
であり、これを積分することで、交差部において互いに対向する導電体層１７のエッジ間に発生する電場の持つエネルギーは、単位長さ当たり
【数６】
2012190946.tif 000008
と近似的に求まる。他方、交差部において互いに対向する導電体層１７のエッジ間に、誘電率εの量子ドット１９が挟まると、単位長さ当たり
【数７】
2012190946.tif 000009
なるエネルギーが、交差部において互いに対向する導電体層１７のエッジ間に蓄えられる。従って、交差部において互いに対向する導電体層１７のエッジ間の間隔がｂである場合、これらの導電体層１７のエッジ間に、導電体層１７の厚さと同じオーダーないしはその数倍の大きさの直径Ｄを有する量子ドット１９が挟まれると
【数８】
2012190946.tif 000010
なるエネルギー差ΔＥn が発生する。量子ドット１９を例えばＳｉ、Ｇｅなどの元素半導体やＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅなどの化合物半導体により形成するとすると、これらの半導体の誘電率εは１０ε0 （ε0 は真空の誘電率）程度であるので、ε0 −ε＜０であり、導電体層１７のエッジ間に量子ドット１９が挟まれることで、交差部において互いに対向する導電体層１７のエッジ間に蓄えられるエネルギーは安定化する。
【００３１】
以上は、薄片１８、２４が真空あるいは空気中に置かれた場合の比較であるが、薄片１８、２４が、上述のように無極性溶媒を用いた量子ドット溶液２０中に置かれた場合に対する比較でも、無極性溶媒の誘電率はε〜（３〜５）ε0 であるので、ε0 −ε＜０になり得る。
【００３２】
次に、エネルギー差ΔＥn の大きさを見積もる。上記のような量子ドット１９と無極性溶媒とを用いた場合にはε0 −ε〜５ε0 と置くことができる。典型的な状況で、薄片１８の各導電体層１７と薄片２４の各導電体層１７との間に印加する電圧Ｖが１Ｖ、ｂ〜１０ｎｍ、ａ〜１ｎｍ、Ｄ〜２ｎｍとすると、ε0 〜８．９×１０-12 Ｆ／ｍであるので、
【数９】
2012190946.tif 000011
となり、熱エネルギーを十分に凌駕できる値である。従って、無極性溶媒を用いた量子ドット溶液２０中のように量子ドット１９が自由に動ける状態で、薄片１８の導電体層１７と薄片２４の導電体層１７との交差部の近傍に量子ドット１９が存在する場合には、量子ドット１９はこの交差部に引き込まれてくる。これにより、薄片１８の導電体層１７と薄片２４の導電体層１７との交差部に量子ドット１９を選択的に配置することができる。
【００３３】
薄片１８、２４の具体例を挙げると次の通りである。
誘電体層１３として帝人デュポン株式会社製の幅５ｍｍ、厚さ１００μｍのポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム（商品名：Ｔ１５  ＥＯＮＥＸ  Ｑ６５）を用い、これをクリーンな環境下でフィルムロールシステムによりスリッターを用いて切断して幅を２ｍｍとした。こうして作製した幅２ｍｍ、厚さ１００μｍのＰＥＮフィルム上に真空蒸着法により導電体層１３としてニッケル薄膜を成膜しながら巻き取り用のロールにより巻き取る。ニッケル薄膜の成膜は、例えば、国際公開第０９／０４１２３９号に記載されたものと同様な真空蒸着装置により同様な手順で行った。ニッケル薄膜の厚さは１７ｎｍとした。次に、ニッケル薄膜を成膜したＰＥＮフィルムを巻き取ったロールから、図２において一点鎖線で示す四角形の形状の薄片状の積層体を切り出す。こうして、薄片１８、２４が得られる。
【００３４】
一例として、ＰＥＮフィルム上に真空蒸着法により厚さ２０ｎｍのニッケル薄膜を成膜した試料の断面透過型電子顕微鏡像（断面ＴＥＭ像）を図１２に示す。図１２において、ニッケル薄膜の表面を覆っている接着剤は、断面ＴＥＭ観察用試料の作製時にニッケル薄膜側に支持基板（図示せず）を接着する際に用いた接着剤を示す。図１２より、ニッケル原子はＰＥＮフィルムに潜り込んでおらず、明瞭なニッケル／ＰＥＮ界面が形成されていること、このニッケル／ＰＥＮ界面は極めて平坦であることが分かる。
【００３５】
量子ドット１９は従来公知の方法によって形成することができるが、ここでは一例としてＣｄＴｅナノ結晶を水性合成法により形成する方法について説明する（J.Phys.Chem.C2007,111,14628-14637 参照）。典型的な標準の合成方法では、０．９８５ｇ（２．３５ｍｍｏｌ）のＣｄ（ＣｌＯ4 ）2 ６Ｈ2 Ｏ（Alfa Aesar社製）を１２５ｍＬの水に溶解し、攪拌下、チオール安定剤を加え、ＮａＯＨの１Ｍ溶液を滴下することによりｐＨを調整する。この溶液を、隔壁とバルブとを備えた三つ口フラスコ内に入れ、窒素（Ｎ2 ）ガスを３０分間バブリングして脱気する。その後、攪拌下、遅い窒素ガス流と一緒にＨ2 Ｔｅガスをこの溶液中に通す。ＣｄＴｅナノ結晶の前駆体が、この段階（下記の反応式（１）を参照のこと）で形成される。ＣｄＴｅナノ結晶の形成および成長は、オープンエアの条件の下、１００℃での還流で下記の反応式（２）により進行する。
【００３６】
この際、配管は、Ｈ2 Ｔｅガスの高い反応性のため、ゴムや一般的なポリマーチューブではなく、ガラス材による接続が強く推奨される。この合成手順は、簡単にスケールアップできることに留意されたい。実際、実験室の条件下においても、反応式（２）は、一定して数ｇのＣｄＴｅナノ結晶粉末が得られる。Ｈ2 Ｔｅガスは、ＣｄＴｅナノ結晶の合成だけでなく、ＨｇＴｅまたはＺｎＴｅのような他のテルル化合物のナノ結晶の合成に対しても、反応式（３）に従ったＡｌ2 Ｔｅ3 の粉末や粒の化学分解反応、あるいは、反応式（４）に従ってのＴｅ電極の電気化学的還元など、少なくとも二つの異なる方法にも用いられる。
【００３７】
【化１】
2012190946.tif 000012
【００３８】
ＣｄＴｅナノ結晶の標準的な水性合成はチオール／Ｃｄ比およびｐＨの最適化により改善できる。２．４５と１．１との間の異なるＴＧＡ（チオグリコール酸、thioglycolic acid)／Ｃｄ比のもとで調べたところ、ＴＧＡ／Ｃｄ比を減少させるとＣｄＴｅナノ結晶のフォトルミネッセンス（ＰＬ）量子効率の大幅な増加につながることが分かった。ＣｄＴｅナノ結晶の品質への影響を理解すべく、溶液組成の数値シミュレーションの結果と実験データとを比較したところ、ＴＧＡ濃度の減少に伴うＣｄＴｅナノ結晶のＰＬ量子効率の増加は、Ｃｄ−ＳＲ複合体（ＣｄとＴＧＡとの電荷を帯びない１：１の複合体）の相対的な濃度増加に起因することが判った。
【００３９】
この傾向は、ＴＧＡ／Ｃｄ比の非常に低い値に対しては（１に近づくと）、この系における安定剤の量が、ＣｄＴｅナノ結晶が凝集しないようする上で不十分となるため、自然に制限される。合成中に少なくとも二つの異なる要因の競合がある。一つは、ＴＧＡ濃度の低下に伴い、溶液内の他の可能な複合体に対する１：１Ｃｄ−ＳＲの複合体の相対濃度が上昇するため、ＣｄＴｅナノ結晶の表面の品質が改善する点である。もう一つは、成長するＣｄＴｅナノ結晶の安定性および表面パッシベーションを提供するために、安定剤として十分な量のＴＧＡが、溶液中に存在しなければならない点である。この競合の結果、合成時点ですでに室温にて４０〜６０％の良好なＰＬ量子効率で発光するＣｄＴｅナノ結晶を生成する最適のＴＧＡ／Ｃｄ比は１よりもわずかに高くなっている。実験的に得られた最適値は１．３０、１．３２および１．２０である。ｐＨ値は、合成後の、チオールに覆われたＣｄＴｅナノ結晶のＰＬ量子効率に強い影響を与えるもう一つの重要な要素である。同様にｐＨは、合成中にＣｄＴｅナノ結晶の品質に影響を及ぼすと考えられる。異なるキャップ配位子を用いる合成に対する最適なｐＨ値は安定剤の性質に強く依存する。ＴＧＡの場合には、推奨されるｐＨ値は１１．２〜１１．８である。この安定剤に対しては、溶液の初期のｐＨ値が増えると、ＣｄＴｅナノ結晶の成長速度が増加することがわかった。この速度増加の結果、粒径分布を狭くする合成条件に特化することができるようになった。例えば、ｐＨ値１２．０、ＴＧＡ／Ｃｄ比１．３で合成したＣｄＴｅナノ結晶は、直径が約３ｎｍ、ＰＬのピークが約６００ｎｍにあるとき、ＰＬ半値幅（ＦＷＨＭ）は３９ｎｍ、ＰＬ量子効率は４５％、ストークスシフトは１００ｍｅＶと小さいことがわかった。
【００４０】
水中で合成されたＣｄＴｅナノ結晶は、アセトンの存在下で長鎖チオール（１−ドデカンチオール）と部分的な配位子交換をして、トルエンのような非極性有機溶媒中に転送することができる。転送効率は９０％に達するが、１−ドデカンチオール／トルエン／アセトン混合物の成分比（典型的には１：１：４の比）に依存し、またこの成分比は、ＣｄＴｅナノ結晶の濃度およびその平均サイズに依存することがわかった。好ましい成分比は、１：１：３から１：１：８の間である。
【００４１】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、薄片１８上に、この薄片１８と全く同様な構造を有するもう一つの薄片２４が、それらの誘電体層１３および導電体層１７が互いに９０度の角度で交差し、かつこの交差部において導電体層１７のエッジ間に正確に位置合わせされて量子ドット１９が挟まれて対向するように積層された積層構造体からなる量子ドット装置を容易に実現することができる。また、この量子ドット装置は２枚の薄片１８、２４を積層した積層構造体からなるため、機械的強度が高く、寿命が長いだけでなく、取り扱いが容易である。この量子ドット装置は、例えば、量子ドット発光装置として用いることができる。この量子ドット発光装置においては、所定の電源により、薄片１８の選択された導電体層１７と薄片２０の選択された導電体層１７との間に電流を流すことにより、これらの導電体層１７の交差部に挟まれた単一の量子ドット１９から発光を起こさせることができ、単一光子光源が縦横に配列された集積型単一光子光源を実現することができる。この場合、薄片１８の導電体層１７と薄片２０の導電体層１７のエッジ同士が対向した構造を有するため、この導電体層１７のエッジ間に挟まれた量子ドット１９に電流を高密度に集中させることができ、効率よく電流を流すことができる。
【００４２】
次に、この発明の第２の実施の形態による量子ドット装置の製造方法について説明する。
この第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様にして薄片１８、２４を量子ドット１９の直径Ｄより少し大きい間隔に接近させた後、図１３に示すように、薄片１８、２４の全体が支持板により囲まれた積層構造体をこれらの薄片１８、２４の誘電体層１３および導電体層１７の交差部を通り、かつ誘電体層１３および導電体層１７の交差角度を二等分する二等分面２５（薄片１８、２４の誘電体層１３および導電体層１７の延在方向に対して４５度の角度をなす）に沿って切断し、二分割する。切断には種々の方法を用いることができ、必要に応じて選ばれるが、例えば、フェムト秒レーザによるパルスレーザ光を用いて切断することができる。こうして二分割されて三角柱状に断片化された薄片１８、２４の一方を図１４に示す。
【００４３】
次に、第１の実施の形態と同様にして、この三角柱状の断片化された薄片１８、２４において、振動台２２により容器２１に振動を与えながら、薄片１８の各導電体層１７に接続された外部リード線と薄片２４の各導電体層１７に接続された外部リード線との間に所定の電圧を印加することにより電場を発生させ、この電場によりこれらの薄片１８、２４の各導電体層１７の交差部におけるエッジ間に量子ドット１９を引き込む。
【００４４】
この後、第１の実施の形態と同様にして、薄片１８、２４間の間隔を狭めことにより、交差部における薄片１８の導電体層１７のエッジと薄片２４の導電体層１７のエッジとの間に量子ドット１９を挟む。
【００４５】
以上により、図１５に示すように、三角柱状に断片化された薄片１８、２４の互いに９０度の角度で交差し、互いに対向する導電体層１７のエッジ間に量子ドット１９が挟まれた積層構造体が形成される。この後、この積層構造体の両面および積層構造体の側面に支持板を貼り付け、この支持板に、例えばエポキシ系接着剤などの接着剤により、例えばＰＭＭＡなどから支持板を貼り付ける。こうすることで、薄片１８、２４同士が密着した積層構造体が形成され、量子ドット装置が製造される。この量子ドット装置の側面図を図１６に、切断面からなる底面を図１７に示す。図１５〜図１７図に示すように、この量子ドット装置においては、表面に露出した切断面からなる底面に、量子ドット１９を挟んで薄片１８の導電体層１７と薄片２４の導電体層１７とがその幅方向にエッジ同士が対向し、かつ互いに９０°の角度で交差している。この量子ドット装置における導電体層１７の形状の詳細を示すため、図１８に、一例として量子ドット装置を構成する一対の導電体層１７の形状を示す。図１８においては、他の導電体層１７の図示を省略してある。
【００４６】
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第２の実施の形態によれば、薄片１８の導電体層１７と薄片２４の導電体層１７とのエッジ間に量子ドット１９が挟まれた構造が表面に露出しているため、例えば、この表面に露出した量子ドット１９にだけ電流を流すことにより、この量子ドット１９から発光を起こさせることができ、こうして量子ドット１９から発生した光を被照射物の極微領域だけに照射することができる。
【００４７】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。
【００４８】
具体的には、例えば、量子ドットを構成する半導体材料として間接遷移型のもの（例えば、シリコン）を用いてもよい。この場合も、量子ドットのサイズの有限性からくる運動量保存則の緩和から発光素子として機能させることができる。また、勿論、この発明は、半導体量子ドットなどを用いて、この発明の量子装置の構造や構成方法を以て、電子あるいはホール（正孔）による電荷あるいはスピンの輸送を利用した量子装置に適用することもできることは言うまでもない。
また、第２の実施の形態において、薄片１８、２４の積層構造体を、図１３に示すように、二点鎖線で示す方向に沿って切断するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１１…真空蒸着装置、１２、１５…ローラ、１３…誘電体層、１７…導電体層、１８、２４…薄片、１９…量子ドット、２０…量子ドット溶液、２１…容器、２２…振動台、２３…支持台
【図１】
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【図２】
2012190946.tif 000014
【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】
2012190946.tif 000019
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１２】
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