(57)【要約】【課題】複数の量子ドットを互いに連結させて一体化させて一つの独立した量子ドット連結体を作製する。【解決手段】互いに異なる量子ドット２１と量子ドット２２とが混合された波長λ2以下の光照射で硬化する光硬化性溶液に対して、波長λ2より長い波長λ1の光を照射し、照射した波長λ1の光に応じて量子ドット２１において励起子を励起させることにより当該量子ドット２１の近傍に近接場光を発生させ、量子ドット２２が量子ドット２１に近接した場合に発生させた近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて当該量子ドット２２内に励起子を励起させ、量子ドット２２において励起された励起子が放出されるエネルギーに応じて波長λ2以下の波長λ3の出力光を生成し、波長λ3の出力光を介して光硬化性溶液を硬化させることにより、互いに近接されている量子ドット２１と量子ドット２２を互いに連結させる。【選択図】図４
2012094649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる第１の量子ドットと第２の量子ドットとが混合された波長λ2以下の光照射で硬化する光硬化性溶液に対して、波長λ2より長い波長λ1の光を照射し、
上記照射した波長λ1の光に応じて第１の量子ドットにおいて励起子を励起させることにより当該第１の量子ドットの近傍に近接場光を発生させ、
上記第２の量子ドットが上記第１の量子ドットに近接した場合に上記発生させた近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて当該第２の量子ドット内に励起子を励起させ、
上記第２の量子ドットにおいて励起された励起子が放出されるエネルギーに応じて上記波長λ2以下の波長λ3の出力光を生成し、
上記波長λ3の出力光を介して上記光硬化性溶液を硬化させることにより、上記互いに近接されている第１の量子ドットと第２の量子ドットを互いに連結させること
を特徴とする量子ドット連結体の作製方法。
【請求項２】
請求項１記載の量子ドット連結体の作製方法により作製された量子ドット連結体であって、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間隔が何れかの量子ドットのほぼ直径であることを特徴とする量子ドット連結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の量子ドットを互いに連結させて一体化させた量子ドット連結体の作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に回折限界以下のサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、光励起担体に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この光励起担体の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する各種デバイスやアプリケーションの研究も近年において急速に進展している（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【０００４】
これら量子ドットを用いたデバイスは、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等への応用が主として考えられるが、他にはディスプレイの画素に代わる画像表示手段への応用の可能性もある。かかる場合には、量子ドットに光を照射することにより励起された励起子を下位準位へ放出させる過程で光を発するが、かかる光の波長をそれぞれＲＧＢの波長に合わせることにより、画素と同様の機能を実現することができる。ちなみに、この励起子が下位準位へ放出することによる発光波長は、励起準位に依存する。このため、量子ドットからの放出光の波長をＲＧＢの波長に合わせるためには、その波長に見合った励起準位を持つサイズからなる量子ドットを選択する必要がある。
【０００５】
ところで、一の量子ドットは、ＲＧＢのうち一の波長にしか合わせることができない。従来の画素と同様に機能を実現するためには、ＲＧＢのそれぞれの波長に合わせた３つの量子ドットを互いに連結させて一体化させた一つの画素を作り出す必要がある。
【０００６】
しかしながら、従来技術では、複数の量子ドットを互いに連結させて一体化させ、これを一つの独立したデバイスとして取り扱うこともできる量子ドット連結体は、従来において提案されていない。仮に、このような量子ドット連結体を作製することができれば、画像表示手段のみならず、量子ドットを用いる他のナノ回路やナノデバイスについてもより高密度化させることができ、その社会的な効果は計り知れないものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１１６１８８号公報
【特許文献２】特開２００９−０７５４５８号公報
【特許文献３】特開２００９−２３７５１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,andT.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quantum.Electron.,Vol.8,pp.839-862(2002).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、複数の量子ドットを互いに連結させて一体化させて一つの独立した量子ドット連結体を作製するための量子ドット連結体の作製方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上述した課題を解決するために、互いに異なる第１の量子ドットと第２の量子ドットとが混合された波長λ2以下の光照射で硬化する光硬化性溶液に対して、波長λ2より長い波長λ1の光を照射し、上記照射した波長λ1の光に応じて第１の量子ドットにおいて励起子を励起させることにより当該第１の量子ドットの近傍に近接場光を発生させ、上記第２の量子ドットが上記第１の量子ドットに近接した場合に上記発生させた近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて当該第２の量子ドット内に励起子を励起させ、上記第２の量子ドットにおいて励起された励起子が放出されるエネルギーに応じて上記波長λ2以下の波長λ3の出力光を生成し、上記波長λ3の出力光を介して上記光硬化性溶液を硬化させることにより、上記互いに近接されている第１の量子ドットと第２の量子ドットを互いに連結させる量子ドット連結体の作製方法を発明した。
【００１１】
即ち、請求項１記載の量子ドット連結体の作製方法は、互いに異なる第１の量子ドットと第２の量子ドットとが混合された波長λ2以下の光照射で硬化する光硬化性溶液に対して、波長λ2より長い波長λ1の光を照射し、上記照射した波長λ1の光に応じて第１の量子ドットにおいて励起子を励起させることにより当該第１の量子ドットの近傍に近接場光を発生させ、上記第２の量子ドットが上記第１の量子ドットに近接した場合に上記発生させた近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて当該第２の量子ドット内に励起子を励起させ、上記第２の量子ドットにおいて励起された励起子が放出されるエネルギーに応じて上記波長λ2以下の波長λ3の出力光を生成し、上記波長λ3の出力光を介して上記光硬化性溶液を硬化させることにより、上記互いに近接されている第１の量子ドットと第２の量子ドットを互いに連結させることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２記載の量子ドット連結体は、請求項１記載の量子ドット連結体の作製方法により作製された量子ドット連結体であって、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間隔が何れかの量子ドットのほぼ直径であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上述した構成からなる量子ドット連結体の作製方法では、複数種の量子ドットが混合された波長λ2以下の光照射で硬化する光硬化性溶液に対して、波長λ2より長い波長λ1の光を照射する。そして、照射した波長λ1の光に応じて第１の量子ドットにおいて励起子を励起させることにより第１の量子ドットの近傍に近接場光を発生させ、これにより誘起された非断熱過程に基づいて第２の量子ドット内に励起子を励起させる。さらにこの第２の量子ドット内において励起された励起子が放出されるエネルギーに応じて波長λ2以下の波長λ3の出力光を生成し、この出力光を介して光硬化性溶液を硬化させる。これにより本発明では、第１、第２の量子ドットを互いに連結させて一体化させて一つの独立した量子ドット連結体を得ることが可能となる
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用した量子ドット連結体の作製方法のフローチャートである。
【図２】光硬化性溶液に対して互いにサイズの異なる量子ドットの２種類を混合した状態を示す図である。
【図３】ステップＳ１４における近接場光相互作用について説明するための図である。
【図４】本発明を適用した量子ドット連結体の作製方法のメカニズムを説明するための図である。
【図５】本発明を適用した量子ドット連結体の作製方法を検証するために行った実験結果について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態として、複数の量子ドットを互いに連結させて一体化させた量子ドット連結体の作製方法に関し、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００１６】
本発明を適用した量子ドット連結体の作製方法は、図１に示すフローチャートに基づいて実行されるものである。先ずステップＳ１１において、光硬化性溶液を調製する。この光硬化性溶液は、光を照射することにより硬化して固体状になる溶液である。光硬化性溶液が硬化するか否かは、その照射する光の波長に依存する。例えばこの光硬化性溶液が紫外光を照射することによって硬化するＮＯＡ６５（(ノーランド社製)を含むものであってもよい。以下の説明において、この光硬化性溶液は、波長λ2以下の光照射によって硬化するものとする。
【００１７】
次にステップＳ１２において、上述した光硬化性溶液に対して、量子ドットを混合する。このステップＳ１２においては、互いにサイズ（径、体積等の異なる複数種の量子ドットを混合する。図２(a)は、光硬化性溶液１０に対して互いにサイズの異なる量子ドット２１、２２の２種類を混合した状態を示している。なお、以下の説明では、簡単のため、互いにサイズの異なる、径大の量子ドット２１、径小の量子ドット２２の２種類が光硬化性溶液１０に混合された場合を例にとり説明をするが、これら量子ドット２１、２２とは径が更に異なる３種類以上の量子ドットが混合されていてもよい。また量子ドット２１、２２は、あくまでサイズを異ならせたものであるが、その代替として、構成する材料を互いに異ならせた複数の量子ドットで構成するようにしてもよい。
【００１８】
ちなみに、量子ドット２１、２２は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、当該励起子を制御する量子箱である。
【００１９】
次に、ステップＳ１３へ移行し、この量子ドット２１、２２が混合された光硬化性溶液１０に対して外部から光を照射する。この照射する光の波長λ1は、光硬化性溶液の硬化する波長λ2より長波長とすることが必須となる。このような波長λ2の光を照射した場合に、これよりも短い波長でないと硬化しない光硬化性溶液１０は、特に何ら反応することはなく、液体の状態が保持されることになる。しかしながらこの光を照射することにより、ステップＳ１４において量子ドット２１、２２につき、以下に説明するような近接場光相互作用が進行することになる。
【００２０】
図３(a)は、ステップＳ１４における近接場光相互作用を説明するために、光硬化性溶液１０に混合された量子ドット２１、２２の拡大的に示したものである。この量子ドット２１、２２に対しては、上述した波長λ1の光が光硬化性溶液１０を介して到達することになる。この到達した波長λ1の光を、量子ドット２１のみが吸収して近接場光を発生させ、量子ドット２２は、この波長λ1の光を吸収しない。
【００２１】
図４は、量子ドット２１、２２のエネルギー状態を示している。量子ドット２１は、光照射により励起子が励起準位へ励起される性質を持つが、この量子ドット２１は、特にその励起子を励起させる上で必要なエネルギーギャップがＥaとされている。即ち、エネルギーＥa以上の光を照射することにより、量子ドット２１において励起子を励起させることが可能となる。このエネルギーＥaに対応する光の波長がλａ（＝ｋ/Ｅa）であるとした場合、照射する光の波長λ1がλａ以下であれば、その照射する光の持つエネルギーがＥa以上となり、量子ドット２１において励起子を励起させることが可能となる。即ち、量子ドット２１は、照射する光を吸収して励起子を励起させることができる。
【００２２】
これに対して、量子ドット２２は、励起子を励起させる上で必要なエネルギーギャップがＥbとされている。このエネルギーギャップＥbは、量子ドット２１におけるエネルギーギャップＥaよりも高いものとされている。即ち、上述したステップ２２における量子ドットの混合工程では、このように、量子ドット２１におけるエネルギーギャップＥaよりも量子ドット２２におけるエネルギーギャップＥbが大きくなるように、互いにサイズや材質等が調整され選択されている。
【００２３】
この量子ドット２２におけるエネルギーギャップＥbに対応する光の波長がλ3（＝ｋ/Ｅb）であるとした場合、照射する光の波長λ1がλ3よりも長ければ、その照射する光の持つエネルギーがＥa未満となり、量子ドット２１において励起子を励起させることができない。即ち、量子ドット２２は、照射する光を吸収して励起子を励起させることができない。
【００２４】
波長λ1の光が照射され、量子ドット２１のみにおいて励起子が励起される結果、量子ドット２１の近傍に近接場光が発生することになる。このような近接場光が発生している量子ドット２１に対して量子ドット２２が近接してくる場合がある。量子ドット２１、２２はともに光硬化性溶液１０内においてブラウン運動等をしている場合もあるが、図３(b)に示すように、これら量子ドット２１、２２が互いに一瞬の間でも近接する場合もある。かかる場合、この量子ドット２２は、量子ドット２１において発生している近接場光に接触することになる。この近接場光に接触した量子ドット２２は、その近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて励起子を励起させる。
【００２５】
この非断熱過程とは、フォノン援用過程とも言われ、近接場光が非常に小さな寸法の空間内に局在し、空間的に急峻な光勾配を持つことを利用したものである。この非断熱過程により、エネルギーギャップＥbを有し、波長λ1の光照射では励起子を励起させることができない量子ドット２２においても、振動準位等を介した多段階遷移により励起子を励起させることが可能となる。いわゆるフォノン準位の励振が生じることになる。
【００２６】
波長λ1の光が照射されると、図４に示すように光のエネルギー自体が小さいために励起子は一段階で励起されることは無いが、量子ドット２２の近接場光への接触による非断熱過程が励振される際には、かかる光の照射を受けて振動準位に励起子が励起され、更にその振動準位から更に上位にある振動準位に向けて励起子が励起されることになる。この振動準位を介した多段階遷移が繰り返されることによって、励起準位まで励起子が到達することになる。即ち、発生された近接場光に基づく非断熱過程により、エネルギーギャップＥbよりも低いエネルギーを持つ光が入射されても、励起子を励起させることが可能となる。
【００２７】
次に、この量子ドット２２において、励起準位に励起された励起子は、当該励起準位から下位準位へ放出されることになる。この励起子が放出される際のエネルギーに応じて出力光が生成されることになる。この出力光の波長は、励起準位から当初の下位準位に至るまでのエネルギーギャップＥb分に応じた波長λ3（＝ｋ/Ｅb）となる。即ち、この量子ドット２２からあたかも波長λ3の出力光が発光するように振舞うことになる。
【００２８】
このとき、仮にこの出力光の波長λ3が光硬化性溶液の硬化波長λ2以下であれば、かかる出力光が量子ドット２２から発光することにより、光硬化性溶液１０は局所的に硬化することになる（ステップＳ１５）。この光硬化性溶液１０において硬化するのは、あくまで上述した近接場光相互作用を通じて波長λ3の出力光が発光したところのみである。実際に光硬化性溶液１０の硬化を通じて、互いに近接している量子ドット２１と量子ドット２２とが光硬化性溶液１０の硬化体を通じて互いに連結されることになる。その結果、図２(b)に示すように、光硬化性溶液１０内には、量子ドット２１と量子ドット２２とが互いに連結した量子ドット連結体２が形成されることになる。
【００２９】
実際に上述した近接場光相互作用が生じるのは、量子ドット２１、２２が互いに近接している場合であり、互いに近接していない量子ドット２１、２２間ではかかる近接場光相互作用は生じない。このため、近接場光相互作用の結果、波長λ3の出力光が発光する箇所は、量子ドット２１と量子ドット２２とが互いに近接していることが前提となっている。この量子ドット２１と量子ドット２２とが互いに近接している状態下で光硬化性溶液１０が硬化した場合に、近接した量子ドット２１と量子ドット２２とが光硬化性溶液１０の硬化体を通じて互いに連結されることとなる。
【００３０】
次にステップＳ１６へ移行し、光硬化性溶液１０内に生成された量子ドット連結体２を抽出する。この量子ドット連結体２の抽出は、例えば遠心分離法や電気泳動法によって行う。
【００３１】
このように本発明では、複数種の量子ドット２１、２２が混合された波長λ2以下の光照射で硬化する光硬化性溶液に対して、波長λ2より長い波長λ1の光を照射する。そして、照射した波長λ1の光に応じて量子ドット２１において励起子を励起させることにより当該量子ドット２１の近傍に近接場光を発生させ、これにより誘起された非断熱過程に基づいて量子ドット２２内に励起子を励起させる。さらにこの量子ドット２２内において励起された励起子が放出されるエネルギーに応じて波長λ2以下の波長λ3の出力光を生成し、この出力光を介して光硬化性溶液を硬化させる。これにより本発明では、複数の量子ドット２１，２２を互いに連結させて一体化させて一つの独立した量子ドット連結体を得ることが可能となる。
【００３２】
このような作用効果を起こさせるためには、量子ドット２１、２２並びに光硬化性溶液１０の選択と、照射する光の波長の選択を行う必要がある。
【００３３】
仮に図４に示すように、光硬化性溶液１０を硬化させるためには、Ｅc（＝ｋ/λ2）のエネルギーの光吸収が必要であるとしたとき、それぞれの量子ドット２１、２２のエネルギーギャップＥa、Ｅbとの関係において、Ｅa＜Ｅc≦Ｅbとなる。量子ドット２１において励起子を励起させるためには、量子ドット２１のエネルギーギャップＥa以上の光をエネルギーを持つ光を照射する必要がある。このため、エネルギーＥaに相当する波長λa以下となるようにとなるように照射光の波長λ1を設定する必要がある。波長λ1の光を照射することにより光硬化性溶液１０自体が硬化しないようにするためには、光硬化性溶液１０の硬化する波長λ2を波長λ1よりも短くする必要があり、λ1＞λ2の関係が成り立つ。また、Ｅc≦Ｅbであることから、λ2≧λ3の関係も成り立つ。また、波長λ1の光を照射することにより、量子ドット２２において光吸収による励起子の励起を起こさせないようにする必要があり、そのためには、λ1＞λ3とする必要がある。
【００３４】
このため、照射する光の波長λ1と、光硬化性溶液１０が硬化する波長λ2並びに出力光λ2との間でλ1＞λ2≧λ3の関係が成り立つように、それぞれの条件を決める必要がある。
【００３５】
本発明を適用した量子ドット連結体の作製方法により作製された量子ドット連結体２は、量子ドット２１と量子ドット２２とが、互いに光硬化性溶液１０を硬化させた硬化体を介して連結されている。この量子ドット連結体２において、量子ドット２１と量子ドット２２との間隔は、何れかの量子ドットのほぼ直径とされている。
【００３６】
このように本発明によれば、量子ドット２１、２２の間隔を１０〜５０ｎｍ程度まで近接させた状態で互いを連結させることが可能となる。その結果、それぞれの量子ドット２１、２２を例えばＲＧＢの波長に合わせることにより、ＲＧＢのそれぞれの波長に合わせた一つの画素への応用への途も示すことが可能となる。また、このような互いの量子ドット２１、２２の間隔をナノメータサイズまで近接させることにより、画像表示手段のみならず、量子ドットを用いる他のナノ回路やナノデバイスについてもより高密度化させることが期待できる。
【００３７】
なお、本発明によれば、量子ドット連結体が形成された状態において量子ドット２２から量子ドット２１へ近接場光を介して光エネルギーが移動する場合もある。そして、この量子ドット２１において光エネルギーの移動によって励起準位に生じた励起子が下位準位へ放出される過程で発光が生じることになる。即ち、上述した近接場相互作用を起こさせることにより、量子ドット２１からの発光の増大をも効率的に実現することが可能となる。
【実施例１】
【００３８】
以下、上述した本発明を適用した量子ドット連結体の作製方法を検証するために行った実験について説明をする。
【００３９】
先ず量子ドット２１としては、波長５３３ｎｍにおいて発光ピークを持つＣｄＳｅを、また量子ドット２２としては、波長３５０ｎｍに吸収ピークを持つＺｎＯを、更に照射する光の波長λ1は、４５７ｎｍとした。このような条件の下で、上述した図１に示すフローチャートに基づいて量子ドット連結体を作製し、これについて分光計測実験を行った。この分光計測実験では、レーザダイオードから出射された波長３２５ｎｍの光量子ドット連結体へ照射し、分光特性を調査した。
【００４０】
なお比較用サンプルとしては、光照射を行わない比較例Ｂ１、量子ドット２１のみ混合させた比較例Ｂ２についても、同様に分光特性を調査した。
【００４１】
図５は、この実験結果を示すものであり、横軸が分光波長、縦軸が光強度を示している。この結果から、本発明例Ａでは、光照射をすることで選択的に量子ドット連結体を形成でき、これに伴ってより効率的に光学応答が得られているのが分かる。これに対して、比較例Ｂ１は、本発明例と比較して光学応答が小さく、更に比較例Ｂ２では光学応答が殆ど現れないことが分かった。
【符号の説明】
【００４２】
２  量子ドット連結体
１０  光硬化性溶液
２１、２２  量子ドット
【図１】
2012094649.tif 000003
【図２】
2012094649.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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