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助成番号 160103
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

環境半導体ナノクラスターが示す新奇な光物性の起源解明と応用

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Origin of Unique Optical Properties of Environmentally-friendly Nanoclusters

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）シラハタ名）ナオト

研究期間 Ｂ

２０１６ ～ ２０１８ 年

漢字 ＣＢ

白幡直人

報告年度 ＹR

２０１８ 年

ＮＡＯＴＯ

研究機関名

物質・材料研究機構

ﾛｰﾏ字 ＣＺ ＳＨＩＲＡＨＡＴＡ研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名

国立研究開発法人

物質・材料研究機構・主席研究員

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
半導体シリコン(Si)は間接遷移型バンド構造をもつため強い発光は望めない。ところが 5nm 以下に微小粒子化すると目視できるほどの強さの発光をもたらし、発光の量子収率は 1～2%である。本研究では、この蛍光量子収率(PLQY)を 56%まで増強するプロセスとメカニズムを明らかにした。PL の温度依存性を調べたところ、水素終端化 SiQD 中で生成した光励起キャリアは大半が無輻射失活していることが分かった。一方で、Si-H 結合を Si-C 結合へリガンド交換した
SiQD では、無輻射失活のチャンネル生成が抑制され PLQY が 56%まで増強されることが明らかとなった[J. Phys. Chem.
C. 2018, 122, 6422]。
次に、このような強蛍光体を活性層に具備する発光ダイオードを作製した。デバイス構造を逆構造にしたところ、外部量子収率は 3.5%まで増大し、さらに優れたデバイス安定性を示すことが分かった[J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9,5400]。次に、レーザーデバイス研究へ発展させるために、当該デバイスを光共振器中においたが光ゲインを得ることができなかった。これを解決するために反転分布の形成を目論た。具体的には SiQD へ不純物イオンをドーピングするために合成プロセスを開発した。現状で Co ドーピングには成功している[Angew. Chem. Int. Ed.
2017, 56, 6157]。
デバイス活性層を SiQD の高密度粒子膜で作製するために、電気泳動法の開発を進め、現状では QD 薄膜形成ができる段階まできた[Mater. Trans. 2019, 60, 49]。また、SiQD とは別に青色蛍光体の開発を進め、34%のPLQY を示すシリカナノ粒子の合成にも成功した[J. Mater. Chem. B 2017, 5, 1363]。

キーワード ＦＡ

量子効果

シリコン発光ダイオード（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -無輻射失活構造発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Transition-Metal-Doped NIR-Emitting Silicon Nanocrystals

著者名 ＧＡ

S. Chandra, Y.
Masuda, N.
Shirahata, F. Winnik

雑誌名 ＧＣ

Angewandte Chemie International Edition

ページ ＧＦ6157～6160

発行年 ＧＥ

2雑誌

著者名1363～1370

発行年 ＧＥ

Journal of Materials Chemistry B
2017

巻号 ＧＤ

5

Inverted Device Architecture for Enhanced Performance of Flexible Silicon Quantum Dot
Light Emitting Diode

著者名 ＧＡ

B.
Ghosh,H.
Yamada,S.
Chinnathambi, I. N. 雑誌名 ＧＣ
G. Ozbilgin, N.
Shirahata
5400～5407

発行年 ＧＥ

Journal of Physical Chemistry Letters

201

8

巻号 ＧＤ

9

論文標題ＧＢ

Impact of Anchoring Monolayers on the Enhancement of Radiative Recombination inLight-Emitting Diodes Based on Silicon Nanocrystals

著者名 ＧＡ

B.
Ghosh,Hamaoka,Nemoto,
Shirahata

雑ページ ＧＦ

6422～6430

T.
Y.
雑誌名 ＧＣN.
発行年 ＧＥ

Journal of Physical Chemistry C

201

8

巻号 ＧＤ

122

論文標題ＧＢ

Preparation of Double-shelled Fluorescent Silicon Nanocrystals and Fabrication of Its Thin
Layer by Electrophoretic Deposition Process

著者名 ＧＡ

N. Shirahata, T.
Uchikoshi, T. K. N.
雑誌名 ＧＣ
Nguyen, Y. Masuda,
Y. Sakka

雑ページ ＧＦ

49～54

発行年 ＧＥ

Materials Transactions

2019

巻号 ＧＤ

著者名 ＨＡ
図書56

論文標題ＧＢ

ページ ＧＦ

誌

巻号 ＧＤ

S. Chandra, G.
Beaune,N. 雑誌名 ＧＣ
Shirahata, F. Winnik

ＧＡ雑誌

7

A One-pot Synthesis of Water Soluble Highly Fluorescent Silica Nanoparticles

ページ ＧＦ誌

1

論文標題ＧＢ
雑誌

0

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ- 2 -60

欧文概要 ＥＺIn this study, we provide a direct evidence of the controlled structure of silicon quantum dots (SiQDs) which allows
the enhanced photoluminescence quantum yields (PLQYs). Specifically the ligand exchange between the hydrogenatoms and hydrocarbon chains led to the dramatic enhancement of PLQYs from 1.7% to 56%. According thesystematic study on temperature dependence of PL properties along with relaxation dynamics, we discussed that thealkyl monolayers provide an anchor that prevents the lattice distortion of the diamond cubic lattice of Si, thus
inhibiting the creation of nonradiative channels. It is noteworthy that this anchoring effect is responsible for the high
PLQYs [J. Phys. Chem. C. 2018, 122, 6422]. In the next study, the highly-emitting SiQD was used as an active layerfor light emitting diode. We proposed that inverted structure of the diode provides a good optical performance suchas a high external quantum yield (~3.5%), a long device lifetime, and stable electroluminescence spectral stability
even at high operation voltage [J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 5400]. This device structure is mounted in the opticalcavity for investigating optical gain of the spontaneous emission, but optical gain was not obtained. To overcome theproblem, we developed a method for impurity-doping into the SiQD lattice [Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6157].
For preparation of an active layer in which SiQD are densely packed, we investigated the electrophoretic deposition
process for SiQD [Mater. Trans. 2019, 60, 49]. We also developed a chemical method to prepare blue-emitting silica
nanoparticles that exhibit the PLQY of 34% for device fabrication working in the short-visible wavelength region [J.
Mater. Chem. B 2017, 5, 1363].

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