JP4538646B2 - Method for producing highly efficient phosphor - Google Patents
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Description
本発明は、発光効率が向上した蛍光体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a phosphor with improved luminous efficiency.
II〜IV半導体(CdX:XはS、Se又はTe)のナノ結晶は、量子ドット(QDot:Quantum Dot)として知られ、そのサイズに依存したオプトエレクトロニクス特性及び光ルミネセンス(PL:photoluminescence)特性を有することから、技術的応用が期待されている(例えば非特許文献1)。発光性量子ドットにおいて、非飽和結合を有する表面原子は、電子及び孔に対する非発光性再結合トラップ(nonradiative recombination trap)としてはたらく。表面に捕捉された電子及び孔は、初期励起状態にまで熱活性化されて遅延励起子を生じるか、又はさらに熱活性化されて最終的には微弱な深い捕捉状態からの発光を生じる(例えば非特許文献2)。この複雑な崩壊のダイナミクスは、低い発光効率を引き起こし、量子ドットの発光デバイスへの適用を阻むものである。 Nanocrystals of II-IV semiconductors (CdX: X is S, Se or Te) are known as quantum dots (QDot: Quantum Dot), and their size-dependent optoelectronic and photoluminescence (PL) characteristics Therefore, technical application is expected (for example, Non-Patent Document 1). In luminescent quantum dots, surface atoms with unsaturated bonds act as non-radiative recombination traps for electrons and holes. Electrons and holes trapped on the surface are either thermally activated to the initial excited state to produce delayed excitons, or are further thermally activated to eventually emit light from a weak deep trapped state (e.g. Non-patent document 2). This complex decay dynamics causes low luminous efficiency and prevents the application of quantum dots to light emitting devices.
量子ドットから完全な励起子PLを生じるには、最適な表面構造が必要である。最適な表面構造を得るために、コア及びコア/シェル量子ドット合成における温度と同様、前駆物質の特性及び濃度、ならびに配位性有機溶媒の選択について注目が集まっている。また、発光効率を高める方法として、量子ドットの表面に保護層(シェル)を形成することが知られている(例えば、非特許文献3)。 An optimal surface structure is required to produce a complete exciton PL from a quantum dot. In order to obtain an optimal surface structure, attention is focused on the properties and concentrations of precursors, as well as the choice of coordinating organic solvents, as well as the temperature in core and core / shell quantum dot synthesis. In addition, as a method for increasing luminous efficiency, it is known to form a protective layer (shell) on the surface of quantum dots (for example, Non-Patent Document 3).
従来のシェルを形成する方法では、TOPとTOPOの混合溶媒に溶解させたコア量子ドットに、シェルを合成するための前駆体を加えていた。TOPOの融点が50℃付近であることから、反応の際、通常100〜260℃程度の高温にまで加熱することが通例であった。 In the conventional method for forming a shell, a precursor for synthesizing a shell is added to a core quantum dot dissolved in a mixed solvent of TOP and TOPO. Since the melting point of TOPO is around 50 ° C., it was customary to heat to a high temperature of about 100 to 260 ° C. during the reaction.
この様な背景から、TOPO以外の有機溶媒を用い、室温程度の低温で基材(コア)である量子ドット表面に保護層を合成することによって、良好な表面構造を作ることは、まだ行われていない。
本発明は、(i)基材と、(ii)金属化合物及び/又は(iii)5B族もしくは6B族元素化合物を有機溶媒に加え、0〜50℃程度の低温で反応させることを特徴とする、発光効率が向上した蛍光体(高効率蛍光体)の製造方法を提供することを主な目的とする。 The present invention is characterized in that (i) a substrate, (ii) a metal compound and / or (iii) a group 5B or group 6B element compound is added to an organic solvent and reacted at a low temperature of about 0 to 50 ° C. The main object of the present invention is to provide a method for producing a phosphor (high efficiency phosphor) with improved luminous efficiency.
本発明者らは、室温にて、金属化合物及び/又は5B族もしくは6B族元素化合物を含み、不活性ガスで飽和されたクロロホルム、ヘキサン及び1−ブタノール等の有機溶媒中で非精製CdX量子ドットを12時間静置したところ、1)発光効率の増加、2)粒子の成長及び3)サイズ分布の集束が起きることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have obtained unpurified CdX quantum dots in an organic solvent such as chloroform, hexane, and 1-butanol containing a metal compound and / or a group 5B or group 6B element compound and saturated with an inert gas at room temperature. Was allowed to stand for 12 hours, and it was found that 1) an increase in luminous efficiency, 2) particle growth and 3) focusing of the size distribution occurred, and the present invention was completed.
本発明は、以下の高効率蛍光体の製造方法を提供するものである。
項1.基材と、金属化合物、5B族元素化合物及び6B族元素化合物からなる群より選択される少なくとも1種を有機溶媒の存在下に、反応温度0〜50℃にて反応させ、基材の表面に金属、5B族及び6B族からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む化合物の保護層を形成することを特徴とする、基材の表面に保護層を有する蛍光体の製造方法。
項2.反応温度が10〜30℃である、項1に記載の蛍光体の製造方法。
項3.基材が、ナノ粒子である項1又は2に記載の蛍光体の製造方法。
項4.基材が、CdSe又はCdTeである項1〜3に記載の蛍光体の製造方法。
項5.ナノ粒子の平均粒子径が、1〜30nmである、項1〜4に記載の蛍光体の製造方法。
項6.金属化合物が、金属塩又は金属酸化物である、項1〜5に記載される蛍光体の製造方法。
項7.(ii)の金属化合物において、金属元素がGa又はInであり、5B族元素が、P、As及びSbからなる群より選択される少なくとも1種である、項1〜6に記載の蛍光体の製造方法。
項8.(ii)の金属化合物において、金属元素がCd又はZnであり、6B族元素が、S、Se及びTeからなる群より選択される少なくとも1種である、項1〜6に記載の蛍光体の製造方法。
項9.有機溶媒が、クロロホルム、ヘキサン及び1−ブタノールからなる群より選択される少なくとも1種である項1〜8に記載の蛍光体の製造方法。
項10.得られるナノ粒子が示す発光スペクトルにおいて、半値幅が40nm以下であることを特徴とする、項1〜9に記載の蛍光体の製造方法。
The present invention provides the following high-efficiency phosphor manufacturing method.
Item 1. A base material is reacted with at least one selected from the group consisting of a metal compound, a group 5B element compound, and a group 6B element compound in the presence of an organic solvent at a reaction temperature of 0 to 50 ° C. A method for producing a phosphor having a protective layer on the surface of a substrate, comprising forming a protective layer of a compound containing at least one element selected from the group consisting of metal, group 5B and group 6B.
Item 2. Item 2. The method for producing a phosphor according to Item 1, wherein the reaction temperature is 10 to 30 ° C.
Item 5. Item 5. The method for producing a phosphor according to Item 1, wherein the average particle diameter of the nanoparticles is 1 to 30 nm.
Item 6. Item 6. The method for producing a phosphor according to Items 1 to 5, wherein the metal compound is a metal salt or a metal oxide.
Item 7. Item 7. The phosphor according to Items 1 to 6, wherein the metal compound of (ii) is Ga or In, and the Group 5B element is at least one selected from the group consisting of P, As, and Sb. Production method.
Item 9. Item 9. The method for producing a phosphor according to Item 1-8, wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of chloroform, hexane and 1-butanol.
Item 10. Item 10. The method for producing a phosphor according to Items 1 to 9, wherein an emission spectrum of the obtained nanoparticles has a half-value width of 40 nm or less.
本発明の蛍光体の製造方法では、基材として量子ドット、金属イオンの供給源として金属化合物及び/又は5B族/6B族原子の供給源として5B族/6B族元素化合物化合物を使用する。 In the method for producing the phosphor of the present invention, a quantum dot is used as a base material, a metal compound is used as a source of metal ions, and / or a group 5B / 6B element compound compound is used as a source of group 5B / 6B atoms.
[基材]
本発明において、基材は、従来公知のナノ粒子からなる量子ドットの製造方法に従って得ることができ、例えば、配位性有機溶媒に溶解させた金属化合物と、5B族元素化合物又は6B族元素化合物の供給源となる液体化合物を、約100〜200℃、好ましくは約110〜150℃で不活性ガス雰囲気下にて反応させることによって得られる。
[Base material]
In the present invention, the substrate can be obtained according to a conventionally known method for producing quantum dots made of nanoparticles. For example, a metal compound dissolved in a coordinating organic solvent and a group 5B element compound or a group 6B element compound It is obtained by reacting the liquid compound serving as the supply source of the reaction at about 100 to 200 ° C., preferably about 110 to 150 ° C. in an inert gas atmosphere.
(1)金属化合物:金属化合物の金属としては、例えば、2B〜3B族原子があげられる。この様な金属としては、例えば、ZnおよびCd(2B族);GaおよびIn(3B族)があげられる。 (1) Metal compound: Examples of the metal of the metal compound include 2B to 3B group atoms. Examples of such metals include Zn and Cd (Group 2B); Ga and In (Group 3B).
金属化合物としては、例えば、金属酸化物または金属塩化合物があげられる。金属酸化物としては、各金属における種々の酸化状態の酸化物が広く使用できる。 Examples of the metal compound include a metal oxide or a metal salt compound. As the metal oxide, oxides of various oxidation states in each metal can be widely used.
金属塩化合物としては、各金属の有機酸塩(例えば酢酸塩、プロピオン酸塩等のモノカルボン酸塩、グリコール酸塩、乳酸塩等のヒドロキシカルボン酸塩、コハク酸塩等のジカルボン酸塩、クエン酸塩等のポリカルボン酸塩、メタンスルホン酸塩、トルエンスルホン酸塩等の脂肪族又は芳香族のスルホン酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩等)、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩、臭化水素酸塩、フッ酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩等の無機酸塩があげられる。 Examples of metal salt compounds include organic acid salts of each metal (for example, monocarboxylates such as acetate and propionate, hydroxycarboxylates such as glycolate and lactate, dicarboxylates such as succinate, Polycarboxylates such as acid salts, aliphatic or aromatic sulfonates such as methanesulfonate and toluenesulfonate, carbonates, bicarbonates, etc.), nitrates, sulfates, hydrochlorides, hydrogen bromides Examples thereof include inorganic acid salts such as acid salts, hydrofluoric acid salts, perchloric acid salts and phosphates.
(2)配位性有機溶媒:配位性有機溶媒としては、例えば、トリ−n−オクチルホスフィン(TOP)、酸化トリ−n−オクチルホスフィン(TOPO)等があげられ、これらの混合溶液を用いることもできる。また、金属化合物の溶解を助けるため、配位性有機溶媒に、例えば、ステアリン酸等の脂肪酸、ヘキサデシルアミン(HDA)等のアミン類を添加してもよい。 (2) Coordinating organic solvent: Examples of the coordinating organic solvent include tri-n-octylphosphine (TOP), oxidized tri-n-octylphosphine (TOPO) and the like, and a mixed solution thereof is used. You can also. In addition, in order to help dissolution of the metal compound, for example, fatty acids such as stearic acid and amines such as hexadecylamine (HDA) may be added to the coordinating organic solvent.
配位性溶媒に金属化合物を溶解させる場合、例えばカドミウムの場合、酢酸カドミウム二水和物(0.5〜2g程度、好ましくは1〜1.5g程度)を、100〜260℃程度、好ましくは110〜180℃程度に加熱したTOP(1〜4ml程度、好ましくは1〜3ml程度)及びTOPO(1〜4g程度、好ましくは1〜3g程度)の混合溶液に、不活性ガス雰囲気下で溶解させることができる。 When a metal compound is dissolved in a coordinating solvent, for example, in the case of cadmium, cadmium acetate dihydrate (about 0.5 to 2 g, preferably about 1 to 1.5 g) is about 100 to 260 ° C., preferably Dissolve in a mixed solution of TOP (about 1 to 4 ml, preferably about 1 to 3 ml) and TOPO (about 1 to 4 g, preferably about 1 to 3 g) heated to about 110 to 180 ° C. under an inert gas atmosphere. be able to.
(3)5B族元素化合物又は6B族元素化合物:5B族元素化合物又は6B族元素化合物の供給源となる化合物は、固体状態である場合、5B族元素化合物又は6B族元素化合物を、前述の配位性有機溶媒に不活性ガス雰囲気下にて、溶解させ、その後、室温まで冷却して用いることが好ましい。 (3) Group 5B element compound or group 6B element compound: When the compound serving as the source of the group 5B element compound or group 6B element compound is in a solid state, the group 5B element compound or group 6B element compound is replaced with the above-mentioned arrangement. It is preferable to dissolve in a neutral organic solvent under an inert gas atmosphere, and then cool to room temperature.
5B族原子(P、As、Sb等)の供給源である化合物としては、例えば、{(R)3Si}2X(Xは5B族原子を示し、Rは同一または異なったC1〜C20のアルキル基またはフェニル基を示す)で表されるシリル基を含む化合物を使用することができる。この様な化合物としては、トリス(トリメチルシリル)ホスファイド(P(TMS)3)、トリス(トリメチルシリル)アルセナイド(As(TMS)3)、トリス(トリメチルシリル)アンチモナイド(Sb(TMS)3)等を用いることが好ましい。 Examples of the compound that is a source of a group 5B atom (P, As, Sb, etc.) include {(R) 3 Si} 2 X (X represents a group 5B atom, and R represents the same or different C 1 to C A compound containing a silyl group represented by 20 ) represents an alkyl group or a phenyl group. As such a compound, tris (trimethylsilyl) phosphide (P (TMS) 3 ), tris (trimethylsilyl) arsenide (As (TMS) 3 ), tris (trimethylsilyl) antimonide (Sb (TMS) 3 ) or the like may be used. preferable.
6B族原子(S、Se、Te等)の供給源である化合物としては、例えば、(R’)3PX’(X’は、6B族原子を示し、R’は同一または異なってC1〜C20のアルキル基またはフェニル基を示す)で表されるホスフィン化合物を使用することができる。このような化合物として、セレン化トリブチルホスフィン、セレン化トリオクチルホスフィン、硫黄化トリブチルホスフィン、硫黄化トリオクチルホスフィン、テルル化トリブチルホスフィン、テルル化トリオクチルホスフィン等を用いることが好ましい。 Examples of the compound that is a source of a 6B group atom (S, Se, Te, etc.) include (R ′) 3 PX ′ (X ′ represents a 6B group atom, and R ′ is the same or different, and C 1 to A phosphine compound represented by (C 20 represents an alkyl group or a phenyl group). As such a compound, it is preferable to use tributylphosphine selenide, trioctylphosphine selenide, tributylphosphine sulfurated, trioctylphosphine sulfurated, tributylphosphine telluride, trioctylphosphine telluride, or the like.
さらに、他の6B族原子の供給源の化合物として、例えば、{(R’’)3Si}3X’’(X’’は6B族原子を示し、R’’は同一または異なったC1〜C20のアルキル基またはフェニル基を示す)で表されるシリル基を含む化合物を使用することができる。この様な化合物としては、ビス(トリメチルシリル)サルファイド(S(TMS)2)、ビス(トリメチルシリル)セレナイド(Se(TMS)2)、ビス(トリメチルシリル)テルライド(Te(TMS)2)等を用いることが好ましい。 Further, as a source compound of another group 6B atom, for example, {(R ″) 3 Si} 3 X ″ (X ″ represents a group 6B atom, and R ″ is the same or different C 1. a compound containing a silyl group represented by an alkyl group or a phenyl group -C 20) can be used. As such a compound, bis (trimethylsilyl) sulfide (S (TMS) 2 ), bis (trimethylsilyl) selenide (Se (TMS) 2 ), bis (trimethylsilyl) telluride (Te (TMS) 2 ) or the like may be used. preferable.
(4)不活性ガス:不活性ガスとしては、例えば、Ar、Kr、Xe等を用いることができる。この反応では、トリオクチルホスフィンの酸化を防ぐために空気中の酸素を除くこと、すなわち脱空気を行うことが好ましい。例えば、最も簡単な方法として、はじめにアルゴンを三方フラスコに流入させて空気を追出し、一旦空気を追出した後は、三方フラスコの1端に取り付けたガス溜め用のゴム風船をアルゴンで満たす。この状態でアルゴンの供給を停止し、フラスコ内部を空気から遮断する。アルゴンの比重は空気よりも大きいため、フラスコを静止しておけば空気が浸入する可能性は極めて小さいものと考えられる。 (4) Inert gas: As the inert gas, for example, Ar, Kr, Xe or the like can be used. In this reaction, in order to prevent the oxidation of trioctylphosphine, it is preferable to remove oxygen in the air, that is, to remove air. For example, as the simplest method, argon is first introduced into a three-way flask to expel air, and once the air has been expelled, a gas balloon rubber balloon attached to one end of the three-way flask is filled with argon. In this state, the supply of argon is stopped and the inside of the flask is shut off from the air. Since the specific gravity of argon is greater than that of air, it is considered that the possibility of air entering is very small if the flask is kept stationary.
(5)金属化合物と5B族元素化合物又は6B族元素化合物の組み合わせ:金属化合物の金属として2B族原子、好ましくはCd又はZnから選ばれた少なくとも1種を使用する場合、6B族原子として、好ましくはS、Se及びTeの中から選ばれた少なくとも1種から構成される供給源の化合物が好ましく使用できる。 (5) A combination of a metal compound and a group 5B element compound or a group 6B element compound: When using at least one selected from a group 2B atom, preferably Cd or Zn, as the metal of the metal compound, Is preferably a source compound composed of at least one selected from S, Se and Te.
金属化合物の金属として3B族原子、好ましくはGaおよびInの中から選ばれた少なくとも1種を使用する場合、5B族原子として、好ましくはP、AsおよびSbの中から選ばれた少なくとも1種から構成される化合物を好ましく使用できる。 When at least one selected from the group 3B atoms, preferably Ga and In, is used as the metal of the metal compound, the group 5B atoms are preferably selected from at least one selected from P, As and Sb. The constituted compound can be preferably used.
例えば、セレン化トリオクチルホスフィン(TOPSe)の場合、セレンペレットをアルゴン雰囲気下において、好ましくは100〜200℃、より好ましくは150℃にて、好ましくは30分〜3時間、より好ましくは2(実施例1参照)時間、強く攪拌しながら、トリオクチルホスフィンに溶解することによって製造することができる。該溶解温度は、セレンペレットがトリオクチルホスフィンに溶解する温度であれば特に限定されない。 For example, in the case of trioctylphosphine selenide (TOPSe), the selenium pellet is preferably 100 to 200 ° C., more preferably 150 ° C., preferably 30 minutes to 3 hours, more preferably 2 (implemented) in an argon atmosphere. See Example 1) Can be prepared by dissolving in trioctylphosphine with vigorous stirring over time. The dissolution temperature is not particularly limited as long as the selenium pellets are dissolved in trioctylphosphine.
(6)平均粒子径:量子ドットの平均粒子径は、約1〜30nm、好ましくは約2〜10nmであることが望ましい。量子ドットの粒子径の計測には、例えば、透過型電子顕微鏡の画像等を用いた画像解析法、動的光散乱法、レーザ回折/散乱式測定方等を使用することができる。好ましい測定方法としては、透過型電子顕微鏡の画像による画像解析法があげられる。 (6) Average particle size: The average particle size of the quantum dots is about 1 to 30 nm, preferably about 2 to 10 nm. For the measurement of the particle diameter of the quantum dots, for example, an image analysis method using an image of a transmission electron microscope, a dynamic light scattering method, a laser diffraction / scattering measurement method, or the like can be used. A preferable measurement method is an image analysis method using an image of a transmission electron microscope.
この様にして得られる量子ドットの表面は、発光を阻害するような欠陥が存在する。発光を阻害するような欠陥とは、発光性量子ドットの表面に存在する非飽和結合を有する原子を指す。この様な表面原子は、電子及び孔に対する非発光性再結合トラップ(nonradiative recombination trap)として作用する。表面に存在するトラップに捕捉された電子及び孔は、初期励起状態にまで熱活性化されて遅延された励起子PLを生じるか、又はさらに熱活性化されて最終的にはより低いエネルギーのトラップに捕捉され、そこから微弱な発光を生じる。 The surface of the quantum dot obtained in this way has defects that inhibit light emission. A defect that inhibits light emission refers to an atom having an unsaturated bond present on the surface of the light-emitting quantum dot. Such surface atoms act as non-radiative recombination traps for electrons and holes. Electrons and holes trapped in the traps present on the surface are either thermally activated to the initial excited state, resulting in delayed exciton PL, or further thermally activated to eventually lower energy traps. It produces a weak light emission from the light.
[保護層の形成]
有機溶媒に溶解した金属化合物イオン及び5B族又は6B族元素のイオンは、飽和溶液からの単結晶の成長と同様に、基材である量子ドットの表面を被覆する。これにより、基材表面に存在する発光を阻害するような欠陥が除去され、発光効率が向上すると考えられている。本発明では、基材となる量子ドットの表面を覆う層を、保護層と呼ぶ。
[Formation of protective layer]
The metal compound ions and group 5B or group 6B element ions dissolved in the organic solvent cover the surface of the quantum dots as the substrate, as in the growth of a single crystal from a saturated solution. Thereby, it is considered that defects that inhibit the light emission present on the surface of the substrate are removed, and the light emission efficiency is improved. In the present invention, the layer that covers the surface of the quantum dots that are the base material is called a protective layer.
上記の方法で得られたナノ粒子を基材(コア)とし、金属化合物及び/又は5B族又は6B族元素化合物と共に有機溶媒中にて低温で反応させる、すなわち、基材表面にシェルを形成することで、発光効率が高められた蛍光体を得ることができる。 The nanoparticles obtained by the above method are used as a base material (core), and reacted with a metal compound and / or a group 5B or 6B element compound in an organic solvent at a low temperature, that is, a shell is formed on the surface of the base material. Thus, a phosphor with improved luminous efficiency can be obtained.
金属化合物及び5B族又は6B族元素化合物としては、上記(1)及び(3)に記載されるものを使用することができる。これらの化合物が固体である場合には、トリオクチルホスフィン(TOP)等の保護層形成時の反応温度において液体である配位性有機溶媒に溶解させて用いることが好ましい。また、金属化合物あるいは、5B族又は6B族元素化
合物のいずれか1種を用いて保護層を形成することが可能であるが、金属化合物と5B族又は6B族元素化合物のいずれか1種を組み合わせて用いた方が、発光効率が高く、好ましい。
As a metal compound and a 5B group or 6B group element compound, what is described in said (1) and (3) can be used. When these compounds are solid, it is preferable to use them by dissolving them in a coordinating organic solvent that is liquid at the reaction temperature when forming a protective layer such as trioctylphosphine (TOP). In addition, a protective layer can be formed using any one of a metal compound or a group 5B or 6B element compound, but any combination of a metal compound and a group 5B or 6B element compound is used. Are preferably used because of their high luminous efficiency.
本発明の高効率蛍光体は、基材に金属化合物及び/又は5B族又は6B族元素化合物によって保護層を形成することによって得られるが、該保護層は、基材となる化合物と同一の化合物でもよく、あるいは異なる化合物で形成されていてもよい。本発明において、コアとなる基材と同じ化合物でシェルを形成した場合の保護層形成を、ホモエピタキシー(homoepitaxy)、基材を形成する化合物とシェルとなる化合物が異なる場合の保護層形成を、ヘテロエピタキシー(heteroepitaxy)と呼ぶことがある。 The high-efficiency phosphor of the present invention can be obtained by forming a protective layer on a base material with a metal compound and / or a group 5B or 6B element compound, and the protective layer is the same compound as the base compound Or may be formed of different compounds. In the present invention, the protective layer formation when the shell is formed of the same compound as the core substrate, homoepitaxy, and the protective layer formation when the compound forming the substrate and the shell compound are different, Sometimes called heteroepitaxy.
保護層における金属化合物と5B族又は6B族元素化合物の組み合わせのとして、例えば、金属化合物の金属元素にGa及びInの中から選ばれた少なくとも1種と、5B族元素にP及びAsから選ばれた少なくとも1種を用いる場合;金属化合物の金属元素にCd及びZnから選ばれた少なくとも1種、6B族元素にS、Se及びTeから選ばれた少なくとも1種を用いる場合があげられる。 As a combination of the metal compound and the group 5B or 6B element compound in the protective layer, for example, at least one selected from Ga and In as the metal element of the metal compound and P and As as the group 5B element A case where at least one selected from Cd and Zn is used as the metal element of the metal compound and at least one selected from S, Se and Te is used as the group 6B element.
また、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロパノール、1−ブタノール、イソブタノール、エチレングリコール、ベンジルアルコール等のアルコール類;ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、イソオクタン、ノルマルデカン等のアルカン類;CCl4、CHCl3、CH2Cl2、CH3Cl等のハロゲン化炭素;ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、エチルベンゼン、メチルナフタレン等の芳香族炭化水素等を使用することができ、好ましくは、CHCl3、ヘキサン及び1−ブタノールである。有機溶媒は、例えば、Ar、Kr、Xe等不活性ガスによって飽和されていることが好ましい。 Organic solvents include methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol, 1-butanol, isobutanol, ethylene glycol, benzyl alcohol and other alcohols; hexane, cyclohexane, heptane, isooctane, normal decane and other alkanes; CCl 4 , halogenated carbon such as CHCl 3 , CH 2 Cl 2 , CH 3 Cl; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, ethylbenzene, methylnaphthalene, etc. can be used, preferably CHCl 3 , hexane and 1-butanol. The organic solvent is preferably saturated with an inert gas such as Ar, Kr, or Xe.
保護層の形成において低温とは、温度0〜50℃程度、好ましくは5〜49℃程度、より好ましくは10〜30℃程度、さらに好ましくは20〜25℃程度を指し、有機溶媒の沸点以下になるように調整することが好ましい。 In the formation of the protective layer, the low temperature means a temperature of about 0 to 50 ° C., preferably about 5 to 49 ° C., more preferably about 10 to 30 ° C., more preferably about 20 to 25 ° C., and below the boiling point of the organic solvent. It is preferable to adjust so that it becomes.
この温度にて、有機溶媒中で6〜15時間程度、好ましくは12時間程度、基材、金属化合物及び/又は5B族又は6B族元素化合物を反応させ、基材表面に保護層を形成させる。低温(特に、室温:23℃程度)での合成は、反応混合物中の温度勾配を排除すると考えられるため、好ましい。また、反応の間は、静置することが好ましく、紫外線等による影響を避けるため、暗闇であることが好ましい。 At this temperature, the substrate, the metal compound and / or the group 5B or group 6B element compound are reacted in the organic solvent for about 6 to 15 hours, preferably about 12 hours, to form a protective layer on the substrate surface. A synthesis at a low temperature (particularly room temperature: about 23 ° C.) is preferable because it is considered to eliminate a temperature gradient in the reaction mixture. Moreover, it is preferable to leave still during reaction, and it is preferable that it is dark in order to avoid the influence by ultraviolet rays etc.
保護層の形成方法としては、例えば、1ブタノール中でCdSeの基材にCdSeの保護層を形成する場合であれば、1ブタノールを10mL使用するとして、基材としてCdSeナノ粒子を1〜10μmol程度、好ましくは5.0μmol程度に対し、金属化合物として(CH3COO)2Cd・2H2O(分子量266.4)を0.01〜0.5g程度、好ましくは0.05g程度及び6B族元素化合物の供給源としてTOPSe(分子量448.96、比重1.25)を10〜1000L程度、好ましくは500L程度用いる。有機溶媒としては、クロロホルムをはじめ上記の有機溶媒を使用することができる。 As a method for forming the protective layer, for example, when a CdSe protective layer is formed on a CdSe substrate in 1 butanol, 10 mL of 1 butanol is used, and about 1 to 10 μmol of CdSe nanoparticles are used as the substrate. Preferably, the amount of (CH 3 COO) 2 Cd · 2H 2 O (molecular weight 266.4) is about 0.01 to 0.5 g, preferably about 0.05 g, and 6B group element, with respect to about 5.0 μmol. As a compound supply source, TOPSe (molecular weight: 448.96, specific gravity: 1.25) is used at about 10 to 1000 L, preferably about 500 L. As the organic solvent, chloroform and the above organic solvents can be used.
溶液中でナノ粒子のCdSeは2原子分子としての“CdSe”として存在しているのではなく、ナノ粒子として分散している。従って、上記のCdSeナノ粒子のモル数は、2原子分子あるいは原子としての“CdSe”のモル数(分子あるいは原子の数)ではなく、“ナノ粒子”としてのモル数(粒子の数)で表される。一般に、1個のナノ粒子には、そのサイズに依存して数100〜数万のCdおよびSe原子が含まれている。 In the solution, nanoparticles of CdSe do not exist as “CdSe” as a diatomic molecule, but are dispersed as nanoparticles. Therefore, the number of moles of the above CdSe nanoparticles is not represented by the number of moles of “CdSe” (number of molecules or atoms) as a diatomic molecule or atom but the number of moles (number of particles) as “nanoparticle”. Is done. In general, one nanoparticle contains several hundred to several tens of thousands of Cd and Se atoms depending on its size.
各反応物質の混合は、ガラス容器に反応物質および有機溶媒を入れて超音波で分散させた。 For mixing of each reactant, a reactant and an organic solvent were placed in a glass container and dispersed with an ultrasonic wave.
保護層は、単独の基材の表面を覆うことが好ましいが、ナノサイズであって発光するものであれば、数個の基材が凝集/接近し、その表面に保護層が形成されていてもよい。 The protective layer preferably covers the surface of a single substrate, but if it is nano-sized and emits light, several substrates are aggregated / approached, and the protective layer is formed on the surface. Also good.
例えば、1−ブタノールを有機溶媒として使用する場合、(CH3COO)2Cdは、1−ブタノールに対して溶解度が低いため、あらかじめTOP又はエタノール等に溶解させて用いるとよい。他の化合物を用いて本発明の高効率蛍光体を形成する場合には、上記のCdSeの例を参考にして行うことができる。 For example, when 1-butanol is used as an organic solvent, (CH 3 COO) 2 Cd has a low solubility in 1-butanol, so it is preferable to use it by dissolving it in TOP or ethanol in advance. When the highly efficient phosphor of the present invention is formed using other compounds, it can be carried out with reference to the above-mentioned example of CdSe.
保護層が粒子の表面に形成されていることは、吸収スペクトルのシフト、発光スペクトルの赤方偏移又は発光効率増加を測定することによって間接的に確認される。保護層が形成された場合、保護層形成前に比べ、発光スペクトルは極大値が約2nm以上赤方偏移し、吸収スペクトルは、約2nm以上赤方偏移する。また、発光効率は、保護層形成前に比べ約1.2倍以上増加する。 The formation of the protective layer on the surface of the particles is indirectly confirmed by measuring the shift of the absorption spectrum, the red shift of the emission spectrum, or the increase of the luminous efficiency. When the protective layer is formed, the emission spectrum has a maximum value of about 2 nm or more red-shifted, and the absorption spectrum is about 2 nm or more red-shifted before the protective layer is formed. Further, the luminous efficiency is increased by about 1.2 times or more compared with that before the protective layer is formed.
保護層形成後の平均粒子径は、約2〜4nm、好ましくは約2.4〜3.0nmである。本発明の方法によれば、粒子径分布が狭いため、単色の蛍光体を得ることができる。基材表面に形成される保護層の膜厚は、保護層を構成する元素がCd又はSeであれば、その原子サイズで1〜3層程度であることが好ましい。また、基材:保護層の重量比は、約24:1〜20:1の範囲であることが好ましい。 The average particle size after the protective layer is formed is about 2 to 4 nm, preferably about 2.4 to 3.0 nm. According to the method of the present invention, since the particle size distribution is narrow, a monochromatic phosphor can be obtained. If the element which comprises a protective layer is Cd or Se, the film thickness of the protective layer formed in the base-material surface is preferable that it is about 1-3 layers by the atomic size. Also, the weight ratio of the substrate: protective layer is preferably in the range of about 24: 1 to 20: 1.
本発明の他の実施態様として、Cd、Se、Te等の基材表面の保護層形成に必要なイオンの供給源として、TOPO、TOP等に溶解された金属化合物及び/又は5B族又は6B族元素化合物の混合溶液を用いてもよい。該混合溶液の調製は、上記[基材]において記載される方法に従えばよい。 As another embodiment of the present invention, as a source of ions necessary for forming a protective layer on the surface of a substrate such as Cd, Se, Te, etc., a metal compound dissolved in TOPO, TOP, etc. and / or a group 5B or 6B A mixed solution of elemental compounds may be used. The mixed solution may be prepared according to the method described in the above [Substrate].
TOPO、TOP等の配位性有機溶媒には、金属化合物の溶解を助けるため、例えば、ステアリン酸等の脂肪酸、ヘキサデシルアミン(HDA)等のアミン類を添加してもよい。 For example, fatty acids such as stearic acid and amines such as hexadecylamine (HDA) may be added to the coordinating organic solvent such as TOPO and TOP in order to help dissolve the metal compound.
また、基材となる量子ドットは、1−ブタノール、メタノール、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロパノール、1−ブタノール、イソブタノール、エチレングリコール、ベンジルアルコール等のアルコール類又はこれらの混合溶液で精製したものを使用してもよいが、非精製のものを用いてもよい。非精製の量子ドットには、TOPおよびTOPOに加え、基材形成の際に反応しなかったイオン(Cdイオン、Seイオン、Teイオン等)が含まれていることから、Cd、Se、Te等の金属イオンを新たに添加しなくても基材表面に保護層を形成することが可能である。 Moreover, the quantum dot used as a base material was refine | purified with alcohols, such as 1-butanol, methanol, methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol, 1-butanol, isobutanol, ethylene glycol, benzyl alcohol, or these mixed solutions. Although a thing may be used, a non-purified thing may be used. In addition to TOP and TOPO, non-purified quantum dots contain ions that did not react during substrate formation (Cd ions, Se ions, Te ions, etc.), so Cd, Se, Te, etc. It is possible to form a protective layer on the surface of the substrate without newly adding a metal ion.
保護層が形成され、基材表面の欠陥が修復されたナノ粒子の発光効率は、金属化合物イオン、5B族又は6B族イオンを別々に添加した場合は、保護層形成前のものに比べて1.2倍程度以上、好ましくは2倍程度以上になることが望ましい。また、金属化合物イオン及び5B族又は6B族イオンを両方添加した場合は、保護層形成前のものに比べて2倍程度以上、好ましくは4倍程度以上になることが望ましい。 The luminous efficiency of the nanoparticles in which the protective layer is formed and the defects on the surface of the base material are repaired is 1 in comparison with that before forming the protective layer when the metal compound ion, group 5B or group 6B ion is added separately. It is desirable that it be about twice or more, preferably about twice or more. Further, when both the metal compound ion and the 5B group or 6B group ion are added, it is desirably about twice or more, preferably about four times or more, compared with that before forming the protective layer.
また、本発明の方法によってえられた高効率蛍光体は、その発光スペクトルにおいて、半値幅が、約60nm以下、好ましくは約50nm以下、より好ましくは約40nm以下であることが望ましい。量子ドットは、サイズに依存してその発光色を系統的に変えることが可能である。発光スペクトルの幅が狭いと、異なるサイズの量子ドットを用いて異なる生体分子を標識し、その発光色の違いによって、例えば細胞内等において生体分子を区別することができる。さらに、本発明の方法に従ってナノ粒子表面に保護層を形成した場合、その発光特性は、極めて安定であり、約6ヶ月、好ましくは約2ヶ月経過しても発光効率に変化がないことを特徴とする。 In addition, the high efficiency phosphor obtained by the method of the present invention desirably has a half-value width of about 60 nm or less, preferably about 50 nm or less, more preferably about 40 nm or less in the emission spectrum. Quantum dots can change their emission color systematically depending on their size. When the width of the emission spectrum is narrow, different biomolecules can be labeled using quantum dots of different sizes, and the biomolecules can be distinguished, for example, in a cell by the difference in emission color. Furthermore, when a protective layer is formed on the nanoparticle surface according to the method of the present invention, the light emission characteristics are extremely stable, and the light emission efficiency does not change even after about 6 months, preferably about 2 months. And
本発明によれば、量子ドットを基材とし、その表面に保護層を形成することによって、発光効率の高い蛍光体を得ることができる。保護層形成のため、高温で反応させることが必要であった従来の方法と異なり、本発明の蛍光体の製造方法は、室温程度の低温にて静置するという、極めて簡易且つ安全な方法で量子ドットの表面に保護層を形成することが可能である。 According to the present invention, a phosphor with high luminous efficiency can be obtained by using quantum dots as a base material and forming a protective layer on the surface thereof. Unlike the conventional method that required a reaction at a high temperature to form a protective layer, the phosphor production method of the present invention is an extremely simple and safe method of standing at a low temperature of about room temperature. It is possible to form a protective layer on the surface of the quantum dots.
また、本発明の方法によって得られる蛍光体は、狭い粒子径分布を示し、これにより単色の蛍光を発光する。さらに、本発明の方法によって得られる蛍光体は、極めて安定であり、長期間にわたって高い発光率を維持することができる。 Moreover, the phosphor obtained by the method of the present invention exhibits a narrow particle size distribution, thereby emitting monochromatic fluorescence. Furthermore, the phosphor obtained by the method of the present invention is extremely stable and can maintain a high light emission rate over a long period of time.
以下、実施例をあげて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。また、実施例においてXはSe又はTeを表す。 Hereinafter, although an example is given and explained in detail, the present invention is not limited to these examples. In the examples, X represents Se or Te.
[CdX量子ドットの合成]
Se(0.7896g)又はTe(1.276g)ペレットをTOP(7.4g)に、150℃にてアルゴン雰囲気下で2時間溶解させ、その後TOP溶液を室温まで冷却することによって、トリ−n−オクチルホスフィンセレニウム(TOPSe)及びトリ−n−オクチルホスフィンテルリウム(TOPTe)のストック溶液を調製した。
[Synthesis of CdX quantum dots]
Tri-n by dissolving Se (0.7896 g) or Te (1.276 g) pellets in TOP (7.4 g) at 150 ° C. under an argon atmosphere for 2 hours and then cooling the TOP solution to room temperature. -Stock solutions of octylphosphine selenium (TOPSe) and tri-n-octylphosphine tellurium (TOPTe) were prepared.
(CH3COO)2Cd(1g)を、三方丸底フラスコ中で、120℃でアルゴン雰囲気下にて、TOP(〜2ml)及びTOPO(〜2g)の混合溶液に溶解した。TOPSe(〜4ml)又はTOPTe(〜4ml)を、120℃に保たれた(CH3COO)2Cd/TOP/TOPO溶液に注入し、CdSe及びCdTe量子ドットをそれぞれ製造した。反応を、120℃にて30分間継続させ、PL(Photoluminescece)スペクトルの極大値が、CdSeで〜550nm、CdTeで〜600nmの単分散CdX量子ドットを合成した。 (CH 3 COO) 2 Cd (1 g) was dissolved in a mixed solution of TOP (˜2 ml) and TOPO (˜2 g) in a three-way round bottom flask at 120 ° C. under an argon atmosphere. TOPSe (˜4 ml) or TOPTe (˜4 ml) was injected into a (CH 3 COO) 2 Cd / TOP / TOPO solution maintained at 120 ° C. to produce CdSe and CdTe quantum dots, respectively. The reaction was continued at 120 ° C. for 30 minutes to synthesize monodisperse CdX quantum dots having PL (Photoluminescence) spectrum maximum values of ˜550 nm for CdSe and ˜600 nm for CdTe.
[発光効率に対する影響]
反応溶液を室温まで冷却した後、Cdイオン、Seイオン、Teイオン又は酸素のどの因子が発光効率に必須であるかを見出すため、非精製CdX量子ドットを、アルゴン及び酸素で飽和したクロロホルム、ヘキサン又は1−ブタノール中にそれぞれ溶解し、静置した。さらに、精製する又は精製しないことによる発光効率に対する影響を比較するため、上記のように調製されたCdX量子ドットを、1−ブタノール及びメタノールを用いて精製した。
[Influence on luminous efficiency]
After cooling the reaction solution to room temperature, in order to find out which factor of Cd ion, Se ion, Te ion, or oxygen is essential for the luminous efficiency, the non-purified CdX quantum dots were mixed with chloroform and hexane saturated with argon and oxygen. Alternatively, each was dissolved in 1-butanol and allowed to stand. Furthermore, in order to compare the influence on the luminous efficiency by purifying or not purifying, the CdX quantum dots prepared as described above were purified using 1-butanol and methanol.
Cdイオン、Seイオン、Teイオン又は酸素のどの因子が発光効率の増強に必須であるかを見出すため、精製されたCdSe量子ドットを、アルゴン又は酸素で飽和された有機溶媒に溶解し、12時間静置した。CdX量子ドットのルミネセンス特性に対する静置の影響は、UV−Vis吸収(日立U−4100分光光度計)及びPLスペクトロメーター(日立F−4500蛍光分光光度計)を使用して調べた。 In order to find out which factor of Cd ion, Se ion, Te ion or oxygen is essential for enhancing luminous efficiency, the purified CdSe quantum dots are dissolved in an organic solvent saturated with argon or oxygen for 12 hours. Left to stand. The effect of standing on the luminescence properties of CdX quantum dots was investigated using UV-Vis absorption (Hitachi U-4100 spectrophotometer) and PL spectrometer (Hitachi F-4500 fluorescence spectrophotometer).
上記の様に調製され、静置した量子ドットの発光効率を、試料のスペクトルの積分強度(面積)を、発光効率が既知の標準物質の積分強度(面積)と比較することによって測定した。 The luminous efficiency of the quantum dots prepared and left as described above was measured by comparing the integrated intensity (area) of the spectrum of the sample with the integrated intensity (area) of a standard substance having a known luminous efficiency.
CdSeの発光効率の評価にクマリン540(エタノール中にて発光効率0.62)、CdTeの発光効率の評価にローダミンB(エタノール中にて発光効率0.65)を、それぞれ参照試料として使用した。 Coumarin 540 (emission efficiency 0.62 in ethanol) was used for evaluation of CdSe emission efficiency, and rhodamine B (emission efficiency 0.65 in ethanol) was used as a reference sample for evaluation of CdTe emission efficiency.
[非精製CdX量子ドットにおける保護層形成]
CdXコア量子ドット上におけるCdイオン及びSeイオン又はTeイオンによる保護層形成を、精製CdX量子ドットの1−ブタノール溶液中へのCdイオン及びSeイオン又はTeイオンの添加によって同定した。
[Protection layer formation in non-purified CdX quantum dots]
Protection layer formation by Cd ions and Se ions or Te ions on CdX core quantum dots was identified by the addition of Cd ions and Se ions or Te ions into 1-butanol solution of purified CdX quantum dots.
各イオンを添加することのPL及び精製したCdX量子ドットの吸収特性に対する影響を比較するため、3つの試料を調製した。アルゴンで飽和された1−ブタノール溶液(10mL)中に精製したCdSe量子ドット(5.1μmol)を含む各試料を、アルゴン雰囲気下にてガラスボトルに調製した。以下、CdSeの場合について、1つ目のボトルには、TOPSe(500μL)のみ、2つ目のボトルには(CH3COO)2Cd・2H2O(0.05g)のみを加え、5分間、超音波で分散させた。3つ目のボトルには、TOPSe(500μL)及び(CH3COO)2Cd・2H2O(0.05g)を加え、超音波で分散させた。1−ブタノールに対する(CH3COO)2Cd・2H2Oの溶解度が低いため、1−ブタノールに溶解させる前に、(CH3COO)2Cd・2H2OをTOP又はメタノールに溶解した。全ての試料について、室温にて12時間、暗闇で静置した。 Three samples were prepared to compare the effect of adding each ion on PL and the absorption properties of purified CdX quantum dots. Each sample containing purified CdSe quantum dots (5.1 μmol) in a 1-butanol solution (10 mL) saturated with argon was prepared in a glass bottle under an argon atmosphere. Hereinafter, in the case of CdSe, only TOPSe (500 μL) is added to the first bottle, and (CH 3 COO) 2 Cd · 2H 2 O (0.05 g) is added to the second bottle for 5 minutes. And dispersed with ultrasonic waves. To the third bottle, TOPSe (500 μL) and (CH 3 COO) 2 Cd · 2H 2 O (0.05 g) were added and dispersed with ultrasound. Since the solubility of (CH 3 COO) 2 Cd · 2H 2 O in 1-butanol was low, (CH 3 COO) 2 Cd · 2H 2 O was dissolved in TOP or methanol before being dissolved in 1-butanol. All samples were left in the dark for 12 hours at room temperature.
図1及び図2は、室温にて、アルゴンで飽和された有機溶媒中で12時間静置した後の非精製CdSe及びCdTe量子ドットのPLスペクトル及び吸収スペクトルにおける変化を示す。 1 and 2 show changes in PL and absorption spectra of unpurified CdSe and CdTe quantum dots after standing for 12 hours in an organic solvent saturated with argon at room temperature.
PLスペクトル及び吸収スペクトルの両方の赤方偏移(red shift)、PLスペクトルの半価幅(fwhm)の減少ならびにクロロホルム中で0.11から0.27及び1−ブタノール中で0.05から0.12のCdSe効率の増強;ならびにヘキサン中で0.15から0.41、クロロホルム中で0.08から0.30及び1−ブタノール中で0.05から0.14のCdTeの発光効率の増強が見られた。 Red shift of both PL spectrum and absorption spectrum, reduction of half width (fwhm) of PL spectrum and 0.11 to 0.27 in chloroform and 0.05 to 0 in 1-butanol .12 enhancement of CdSe efficiency; and enhancement of CdTe emission efficiency of 0.15 to 0.41 in hexane, 0.08 to 0.30 in chloroform and 0.05 to 0.14 in 1-butanol. It was observed.
アルゴン又は酸素で飽和された有機溶媒中で静置された試料では、PLスペクトル及び吸収スペクトルにおいて変化は観察されなかった。また、発光効率においても変化は観察されなかった。PLスペクトル及び吸収スペクトルにおいて観察された赤方偏移は、CdX量子ドットの成長にのみ起因し得る。CdX量子ドットの成長の源は、非精製CdX量子ドット中に残された未反応Cdイオン及びXイオンであろう。TOPO及びTOPによって配位されたCdイオン及びXイオンは、直ちにクロロホルム、ヘキサン及び1−ブタノール中に溶解する。これらの有機溶媒に溶解したCdイオン及びXイオンは、飽和溶液からの単結晶の成長と同様の方法で、CdX量子ドットの表面の原子状態を被覆した。 No changes were observed in the PL and absorption spectra for samples that were allowed to stand in an organic solvent saturated with argon or oxygen. In addition, no change was observed in the luminous efficiency. The red shift observed in the PL and absorption spectra can only be attributed to the growth of CdX quantum dots. The source of CdX quantum dot growth will be unreacted Cd ions and X ions left in the unpurified CdX quantum dots. Cd ions and X ions coordinated by TOPO and TOP are immediately dissolved in chloroform, hexane and 1-butanol. Cd ions and X ions dissolved in these organic solvents covered the atomic state on the surface of the CdX quantum dots in the same manner as the growth of single crystals from a saturated solution.
表面の原子状態を被覆することは、表面トラップを除去する。これは、発光効率を増強する可能性のある作用である。 Covering the atomic state of the surface removes surface traps. This is an action that may enhance the luminous efficiency.
CdXの成長及び表面の保護層形成に加え、CdX集合における粒子サイズ分布の基準であるスペクトルfwhmも、静置する時間に伴って減少した。集合におけるサイズ分布の減少は、集束(focusing)として知られている。成長と分解の間の平衡状態で規定される量子ドットの臨界的サイズは、あらゆる前駆物質凝集(precursor concentration)の成長するコロイド溶液に存在する。コロイド溶液中の粒子の本質的な多分散性は、より小さな粒子を犠牲にした、臨界的サイズよりも大きい粒子の成長に由来する。この成長は、オストワルトライプニング(Ostwald ripening)と呼ばれ、このオストワルトライプニングの間、より大きな粒子は正の成長率を有し、より小さな粒子は負の成長率を有する。この相反する作用は、集合内での分散(defocusing)と呼ばれるサイズ分布の拡大を生じる。特に、該溶液中に存在するナノ結晶の初期サイズが、臨界的サイズよりもわずかに大きい場合には、成長コロイド溶液中でさえも、サイズ分布の集束が起きる。サイズ分布の集束及び分散は、現在のところ、高温(>180℃)におけるナノ結晶の成長においてのみ観察されており、室温でオスワルトライプニング及びサイズ分布の集束については、報告されていなかった。 In addition to the growth of CdX and the formation of a protective layer on the surface, the spectrum fwhm, which is the basis of the particle size distribution in the CdX aggregate, also decreased with the standing time. The reduction of the size distribution in the set is known as focusing. The critical size of the quantum dots, defined by the equilibrium between growth and decomposition, exists in the growing colloidal solution of any precursor concentration. The intrinsic polydispersity of the particles in the colloidal solution stems from the growth of particles larger than the critical size at the expense of smaller particles. This growth is called Ostwald ripening, during which larger particles have a positive growth rate and smaller particles have a negative growth rate. This contradictory effect results in an expansion of the size distribution called dispersion within the set. In particular, if the initial size of the nanocrystals present in the solution is slightly larger than the critical size, focusing of the size distribution occurs even in the growing colloidal solution. Size distribution focusing and dispersion are currently only observed in nanocrystal growth at high temperatures (> 180 ° C.), and Oswald tripping and size distribution focusing at room temperature have not been reported.
Cdイオン及びSeイオン又はTeイオンの結晶成長に対する影響を調べる前に、CdイオンあるいはSeイオン又はTeイオンを添加せずに、クロロホルム、ヘキサン又は1−ブタノール中における精製CdX量子ドットの12時間静置に対するコントロール試験を行った。 Before investigating the effects of Cd ions and Se ions or Te ions on crystal growth, leave purified CdX quantum dots in chloroform, hexane or 1-butanol for 12 hours without adding Cd ions, Se ions or Te ions. A control test was conducted.
アルゴン又は酸素で飽和された試料において、PLスペクトル及び吸収スペクトルの赤方偏移ならびにPLスペクトルのfwhmにおける変化は見られなかった。発光効率は、12時間静置した後の試料において〜1.2倍の増強を示した。しかし、この増強は、非精製CdX量子ドットのものよりも小さかった(図1及び図2参照)。この小さな増強は、おそらく、有機溶媒中における表面原子構造の転位又は緩和によるものである。さらに重要なことには、12時間の静置の前及び後において、アルゴン又は酸素で飽和された試料間で、精製CdX量子ドットの発光効率における変化は見られなかった。 In samples saturated with argon or oxygen, no red shift of the PL and absorption spectra and no change in fwhm of the PL spectrum was seen. Luminous efficiency showed a ~ 1.2 fold enhancement in the sample after standing for 12 hours. However, this enhancement was smaller than that of unpurified CdX quantum dots (see FIGS. 1 and 2). This small enhancement is probably due to dislocation or relaxation of the surface atomic structure in the organic solvent. More importantly, there was no change in the luminous efficiency of the purified CdX quantum dots between samples saturated with argon or oxygen before and after standing for 12 hours.
添加されたCdイオン及びSeイオン又はTeイオンの存在下で、CdX量子ドットに保護層が形成されるというアイデアを確認するため、Cdイオン及びSeイオン又はTeイオンを、有機溶媒中の精製量子ドットに異なる濃度で加えた。 In order to confirm the idea that a protective layer is formed on a CdX quantum dot in the presence of added Cd ions and Se ions or Te ions, Cd ions and Se ions or Te ions are purified with a purified quantum dot in an organic solvent. At different concentrations.
図3は、CdSeの場合の結果である。アルゴンで飽和された1−ブタノール中で12時間静置し、Cdイオン又はSeイオンあるいは、Cd及びSeの両方のイオンを添加した、CdSe量子ドットのPLスペクトル及び吸収スペクトル(挿入図)を示す。静置は、常に、アルゴンで飽和された1−ブタノール中で実施されたが、発光効率は、1−ブタノール又はクロロホルム中で計測された。 FIG. 3 shows the results for CdSe. The PL spectrum and the absorption spectrum (inset) of a CdSe quantum dot which left standing in 1-butanol saturated with argon for 12 hours and added Cd ion or Se ion or both ions of Cd and Se are shown. Standing was always carried out in 1-butanol saturated with argon, but the luminous efficiency was measured in 1-butanol or chloroform.
Seイオンの添加は、1−ブタノール中で0.05から0.07、クロロホルム中で0.11から0.14の発光効率の増強を引き起こした。PLスペクトル最高値及びfwhmにおける変化は、観察されなかった。Seイオンの添加に伴う発光効率の増強は、何もイオンを添加しないで処理されたものと同程度であった。また、Cdイオンの添加は、1−ブタノール中で0.05から0.13、クロロホルム中で0.11から0.18の発光効率の増強を引き起こした。この増強は、Seイオンを添加された試料よりも大きい。Cdイオンの添加に伴う発光効率の増強は、励起子フリー電子相互作用による。この場合も、PLスペクトル最高値及びfwhmにおける変化は観察されなかった。 The addition of Se ions caused an increase in luminous efficiency of 0.05 to 0.07 in 1-butanol and 0.11 to 0.14 in chloroform. No changes in PL spectral maximum and fwhm were observed. The increase in luminous efficiency associated with the addition of Se ions was comparable to that processed without the addition of any ions. Also, the addition of Cd ions caused an increase in luminous efficiency of 0.05 to 0.13 in 1-butanol and 0.11 to 0.18 in chloroform. This enhancement is greater than the sample to which Se ions were added. The enhancement of luminous efficiency associated with the addition of Cd ions is due to exciton free electron interaction. Again, no changes in PL spectrum peak and fwhm were observed.
より幅広いバンドギャップ材料を用いた、報告されている全ての表面保護層形成の方法において、サイズ分布は増加するが、Cdイオン又はSeイオンのみを用いた静置においては、サイズ分布の増加は観察されない。さらに重要なことには、Cdイオン及びSeイオンの両方の添加は、PLスペクトル及び吸収スペクトルの赤方偏移に加え、1−ブタノール中で0.05から0.20、クロロホルム中で0.11から0.27の発光効率のさらなる増強を示した。しかし、原因は不明であるが、PLスペクトルのfwhmは、図1及び図2における観察に反して変化しなかった。PLスペクトル及び吸収スペクトルの赤方偏移は、1−ブタノール中におけるCdSe粒子の成長による。発光効率の増強は、表面の被覆による。 The size distribution increases in all reported methods for forming a surface protective layer using a wider band gap material, but the increase in size distribution is observed when standing with only Cd ions or Se ions. Not. More importantly, the addition of both Cd and Se ions adds 0.05 to 0.20 in 1-butanol and 0.11 in chloroform in addition to the red shift of the PL and absorption spectra. Showed a further enhancement in luminous efficiency of 0.27 to 0.27. However, although the cause is unknown, the fwhm of the PL spectrum did not change contrary to the observation in FIG. 1 and FIG. The red shift of the PL and absorption spectra is due to the growth of CdSe particles in 1-butanol. The enhancement of luminous efficiency is due to the surface coating.
増強された発光効率は、12時間静置した後も安定であった。吸収スペクトル及びPLスペクトル、また発光効率における変化は、2ヶ月後でも観察されなかった。 The enhanced luminous efficiency was stable after standing for 12 hours. No changes in absorption spectrum and PL spectrum, or emission efficiency were observed even after 2 months.
1−ブタノール中へのCdイオン及びSeイオン又はTeイオンの添加は、CdXコア量子ドット上のCdX層(保護層)の蓄積を導く。この蓄積は、同じタイプの基体上のエピタキシャル薄膜の成長に類似する。この様な理由から、これをホモエピタキシー(homoepitaxy)と呼ぶ。 Addition of Cd ions and Se ions or Te ions into 1-butanol leads to the accumulation of the CdX layer (protective layer) on the CdX core quantum dots. This accumulation is similar to the growth of epitaxial thin films on the same type of substrate. For this reason, this is called homoepitaxy.
CdX量子ドットにおいて、報告されているコア/シェル構造としては、CdS/Cd(OH)2、CdS/HgS、CdSe/PbS、CdSe/CdS、CdSe/ZnS及びCdSe/ZnSeがあげられる。それらは、全て発光効率の増強、PL安定性の増強及び発光寿命の減少を示した。しかし、格子定数における不整合から生じる不均一なコア/シェル接合部分での歪みは、最終発光効率における主要な役割を果たすと推測される。一方、エピタキシャル層が同一材料上に形成される、ホモエピタキシーは、コア/シェル接合部分での格子歪みを回避する、半導体産業において公知の方法である。以上の結果は、CdX量子ドットのホモエピタキシャルな保護層形成についての初めての報告である。 In CdX quantum dots, reported core / shell structures include CdS / Cd (OH) 2 , CdS / HgS, CdSe / PbS, CdSe / CdS, CdSe / ZnS, and CdSe / ZnSe. They all showed enhanced luminous efficiency, enhanced PL stability and decreased luminescence lifetime. However, distortion at the non-uniform core / shell junction resulting from mismatch in lattice constant is assumed to play a major role in the final luminous efficiency. On the other hand, homoepitaxy, in which the epitaxial layers are formed on the same material, is a known method in the semiconductor industry that avoids lattice distortion at the core / shell junction. The above results are the first reports on the homoepitaxial protective layer formation of CdX quantum dots.
CdX量子ドットの発光効率は、室温での有機溶媒中における静置による成長及びサイズ分布の集束に伴って増強される。本実施例より、発光効率増強ならびに溶液中のCdイオン及びSeイオン又はTeイオン濃度間に、明確な関係があることが見出された。また、Cdイオン及びSeイオン又はTeイオンによる保護層形成は、クロロホルム、ヘキサン、1−ブタノール等の有機溶媒中において室温で、CdX量子ドットの成長を導く。さらに、ホモエピタキシャルな保護層を形成されたCdX量子ドットは、安定なPLを示す。 Luminous efficiency of CdX quantum dots is enhanced with growth by standing in an organic solvent at room temperature and focusing of the size distribution. From this example, it was found that there is a clear relationship between the luminous efficiency enhancement and the Cd ion and Se ion or Te ion concentration in the solution. In addition, formation of a protective layer by Cd ions and Se ions or Te ions leads to the growth of CdX quantum dots in an organic solvent such as chloroform, hexane, 1-butanol at room temperature. Furthermore, CdX quantum dots formed with a homoepitaxial protective layer exhibit stable PL.
有機溶媒中における室温でのCdX量子ドットの表面保護層形成は、安全且つ環境に優しい表面保護層形成を提供するものである。 Surface protection layer formation of CdX quantum dots at room temperature in an organic solvent provides safe and environmentally friendly surface protection layer formation.
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