JP7770657B2 - Semiconductor nanoparticles based on AgCu chalcogen compounds - Google Patents
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Description
本発明は、AgCuカルコゲン化合物を主成分とする半導体ナノ粒子に関する。詳しくは、必須のカルコゲン元素としてTeを含み、長波長領域において好適な光応答性を有するAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子に関する。 The present invention relates to semiconductor nanoparticles primarily composed of an AgCu chalcogen compound. More specifically, the present invention relates to semiconductor nanoparticles composed of an AgCu chalcogen compound that contains Te as an essential chalcogen element and has favorable photoresponsiveness in the long wavelength region.
半導体は、ナノスケールの微小粒子とすることで量子閉じ込め効果を発現し、粒径に応じたバンドギャップを示す。そのため、半導体ナノ粒子の組成と粒径を制御してバンドギャップを調節することで、発光波長や吸収波長を任意に設定することができるようになる。この特性を利用した半導体ナノ粒子は、量子ドット(QD:Quantum Dot)とも称されており、様々な技術分野での活用が期待されている。半導体ナノ粒子の応用例としては、例えば、ディスプレイ装置や生体関連物質検出用マーカー物質等に利用される発光素子、蛍光物質への活用が検討されている。 When semiconductors are made into nanoscale particles, they exhibit a quantum confinement effect and exhibit a band gap that corresponds to their particle size. Therefore, by adjusting the band gap through controlling the composition and particle size of semiconductor nanoparticles, it becomes possible to set the emission wavelength and absorption wavelength as desired. Semiconductor nanoparticles that utilize this property are also known as quantum dots (QDs), and are expected to be used in a variety of technical fields. Applications of semiconductor nanoparticles under consideration include, for example, light-emitting elements used in display devices and marker substances for detecting biological substances, as well as fluorescent materials.
半導体ナノ粒子は、前記した粒径調整による発光波長が制御可能であることに加えて、その発光ピーク幅が有機色素に比べて十分に狭く安定的であるためである。更に、半導体ナノ粒子は、吸収波長の制御が可能であることに加えて、高い量子効率を有し、吸光係数が高いという特性も有する。こうした特性により半導体ナノ粒子は、太陽電池や各種の光センサ等に搭載される光電変換素子や受光素子への利用も検討されている。 This is because semiconductor nanoparticles not only allow the emission wavelength to be controlled by adjusting the particle size as mentioned above, but also have a sufficiently narrow and stable emission peak width compared to organic dyes. Furthermore, in addition to being able to control the absorption wavelength, semiconductor nanoparticles also have the properties of high quantum efficiency and a high absorption coefficient. Due to these properties, semiconductor nanoparticles are also being considered for use in photoelectric conversion elements and light-receiving elements installed in solar cells and various optical sensors.
特に、半導体ナノ粒子は、近赤外線領域(NIR)や短波赤外線領域(SWIR)に対応する光センサの受光素子への応用が期待されている。これら長波長領域の光に対応できる光センサは、LIDAR(Light Detection and Ranging)やSWIRイメージセンサに搭載されている。LIDARは、自動車自動運転・ドローン・船舶等におけるリモートセンシングシステムであり、近年の自動運転技術の発展において重要なデバイスとなっている。最近では、LIDARは、スマートフォンやタブレット等における顔認証技術や拡張現実(AR)技術への応用もなされている。また、SWIRイメージセンサは、食品検査、農業分野、ドローン等の分野において、今後需要が高まることが予測されるデバイスである。 In particular, semiconductor nanoparticles are expected to be applied to the light-receiving elements of optical sensors that respond to light in the near-infrared (NIR) and short-wave infrared (SWIR) regions. Optical sensors that can respond to light in these long-wavelength regions are installed in LIDAR (Light Detection and Ranging) and SWIR image sensors. LIDAR is a remote sensing system used in autonomous driving automobiles, drones, ships, etc., and has become an important device in the recent development of autonomous driving technology. Recently, LIDAR has also been applied to facial recognition technology and augmented reality (AR) technology in smartphones and tablets. Furthermore, demand for SWIR image sensors is expected to increase in the future in fields such as food inspection, agriculture, and drones.
上記のような光学デバイスのセンサの受光素子には、これまではSi薄膜の適用例が多かった。しかし、Si薄膜によるセンサは、900nm以上の長波長域で感度が大きく低下するので、上記のアプリケーションには適合し難い。そこで、半導体ナノ粒子を利用した受光素子の開発が期待されている。 Until now, silicon thin films have often been used as light-receiving elements in sensors for optical devices such as those described above. However, sensors based on silicon thin films have a significant drop in sensitivity in the long wavelength range of 900 nm or longer, making them unsuitable for the above applications. Therefore, there is hope for the development of light-receiving elements that use semiconductor nanoparticles.
半導体ナノ粒子の構成に関しては、これまでいくつかの半導体化合物が検討されている。近赤外線領域(NIR)や短波赤外線領域(SWIR)の長波長領域において光応答性を有する半導体化合物として、PbS、PbSe、CdHgTe、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te、AgInSe2、AgInTe2、CuInSe2、CuInTe2、InAs等の金属カルコゲナイド化合物が知られている(特許文献1~4)。本願出願人も、特許文献5においてAgAuS系化合物を主成分とする半導体ナノ粒子を開示している。 Several semiconductor compounds have been investigated for the composition of semiconductor nanoparticles. Metal chalcogenide compounds such as PbS, PbSe, CdHgTe, Ag 2 S, Ag 2 Se, Ag 2 Te, AgInSe 2 , AgInTe 2 , CuInSe 2 , CuInTe 2 , and InAs are known as semiconductor compounds that are photoresponsive in the long wavelength region of the near-infrared region (NIR ) and short-wave infrared region (SWIR) (Patent Documents 1 to 4). The applicant of the present application also disclosed semiconductor nanoparticles mainly composed of AgAuS-based compounds in Patent Document 5.
上記した半導体化合物は、所望の波長領域で光応答性を有するが、冒頭で述べたディスプレイ装置や生体関連物質検出用マーカー等の用途への適用を考慮すると、障害になる事由を有するものが多い。例えば、Pbは、欧州のRoHS指令(Restriction of the use of certain Hazardous Substances
in electrical and electronic equipment)により、環境負荷の観点から電気・電子機器への使用制限が規定されている。そのため、金属成分としてPbを含む化合物からなる半導体ナノ粒子は、電気・電子分野への広範な利用が期待し難い。また、生体関連分野への半導体ナノ粒子の利用を考慮すると、重金属であるCdやHg等を含む化合物の利用も難しい。
The above-mentioned semiconductor compounds have photoresponsiveness in a desired wavelength region, but many of them have reasons that can be an obstacle when considering applications such as the display devices and markers for detecting biological substances mentioned at the beginning. For example, Pb is a hazardous substance that is prohibited by the European RoHS Directive (Restriction of the use of certain Hazardous Substances).
The EPA (Regulations on Electrical and Electronic Equipment) stipulates restrictions on the use of semiconductor nanoparticles in electrical and electronic equipment from the viewpoint of environmental impact. Therefore, it is difficult to expect that semiconductor nanoparticles made of compounds containing Pb as a metal component will be widely used in the electrical and electronic fields. Furthermore, when considering the use of semiconductor nanoparticles in bio-related fields, it is also difficult to use compounds containing heavy metals such as Cd and Hg.
また、上記した半導体化合物は、長波長領域における光応答性を有するが、より長波長側の光応答性を発揮し得るものへの要請が高まっている。最近の自動車の自動運転技術の発展は目覚ましく、ドライバーによる運転を前提としない自動運転レベル(レベル4、5)に対応する必要がある。この場合、LIDARには太陽光・自然光の影響を受け難いより長波長域での応答性が重要となる。そのため、量子ドット技術はいまだ研究段階にあるといえる。そして、実用性を考慮しながら、より長波長域で応答性を発揮できる半導体ナノ粒子が必要である。 In addition, while the semiconductor compounds mentioned above are responsive to light in the long-wavelength range, there is a growing demand for compounds that can exhibit light responsiveness at even longer wavelengths. Autonomous driving technology has made remarkable progress in recent years, and it is necessary to support autonomous driving levels (levels 4 and 5) that do not require a human driver to drive. In this case, it is important for LIDAR to have a responsiveness in the longer wavelength range, which is less susceptible to the influence of sunlight and natural light. For this reason, quantum dot technology is still in the research stage. Therefore, semiconductor nanoparticles that can exhibit responsiveness in the longer wavelength range while taking practicality into consideration are needed.
本発明は、以上のような背景の下になされたものであり、各種規制に対する実用性への配慮がなされると共に、好適な光応答性を有する新規な半導体化合物からなる半導体ナノ粒子を提案する。特に、本発明は、近赤外線領域(NIR)及び短波赤外線領域(SWIR)の長波長領域で好適な光吸収特性を示すと共に、発光も発現し得る半導体ナノ粒子を提示する。 The present invention was made against the background described above and proposes semiconductor nanoparticles made of novel semiconductor compounds that take into consideration practicality in compliance with various regulations and have suitable photoresponsiveness. In particular, the present invention proposes semiconductor nanoparticles that exhibit suitable light absorption characteristics in the long wavelength regions of the near-infrared region (NIR) and short-wave infrared region (SWIR), and are also capable of emitting light.
上記課題の解決手段の検討に際し、本発明者等は、本願出願人による先行技術(特許文献5)に関連するAgAuS化合物からなる半導体ナノ粒子に着目した。Ag及びAuは、環境負荷や毒性等の規制対応の観点から好適に利用できる金属であり、AgAuS化合物は、光応答性を発揮し得る半導体化合物である。もっとも、従来のAgAuS化合物のナノ粒子は、赤外線領域(NIR)及び短波赤外線領域(SWIR)での光応答性に課題を残していた。上記の本願出願人の先行技術では、AgAuS化合物にIn等の金属を添加してAgAuS系の多元化合物を適用することで、半導体ナノ粒子の吸収波長を長波長側にシフトさせている。 In considering solutions to the above problems, the present inventors focused on semiconductor nanoparticles made of AgAuS compounds, which are related to the applicant's prior art (Patent Document 5). Ag and Au are metals that can be used favorably in terms of complying with regulations regarding environmental impact and toxicity, and AgAuS compounds are semiconductor compounds that can exhibit photoresponsiveness. However, conventional AgAuS compound nanoparticles have issues with photoresponsiveness in the near infrared (NIR) and shortwave infrared (SWIR) regions. In the applicant's prior art, the absorption wavelength of the semiconductor nanoparticles is shifted to longer wavelengths by adding a metal such as In to the AgAuS compound to create an AgAuS-based multi-component compound.
本発明者等は、上記の従来技術であるAgAuS化合物という遷移金属カルコゲン化合物を参考にしつつ、2方向のアプローチに基づき遷移金属カルコゲン化合物への長波長領域での光応答性の付与を図ることとした。 The inventors, while taking inspiration from the AgAuS compound, a transition metal chalcogen compound, which is a conventional technology mentioned above, decided to impart photoresponsiveness in the long wavelength region to transition metal chalcogen compounds through a two-pronged approach.
第1のアプローチは、カルコゲン元素として、S(硫黄)よりも質量の大きい元素であるTe(テルル)を必須の構成として適用することである。これは、遷移金属と結合するカルコゲン元素の質量を増大させることで、化合物を形成したときに各遷移金属元素とカルコゲン元素との間の軌道エネルギー差が縮小し、これによって光応答性が長波長側にシフトすると推定されるからである。 The first approach is to use Te (tellurium), an element with a larger mass than S (sulfur), as an essential component of the chalcogen element. This is because by increasing the mass of the chalcogen element that bonds with the transition metal, the orbital energy difference between each transition metal element and the chalcogen element is reduced when a compound is formed, which is presumed to shift the photoresponse to longer wavelengths.
そして、第2のアプローチとして、カルコゲン化合物の遷移金属成分の好適化であり、具体的には、AgとAuとの組み合わせに替えてAgとCuとの組み合わせを適用することである。Cuは、Auと同じ第11族元素であり、同様の電子構造を有することから、カルコゲン化合物としたときに好適な光半導体となる可能性を有する。そして、Cuは人体の必須元素の一つであるので生体適合性が良好である。 The second approach is to optimize the transition metal component of the chalcogen compound, specifically by replacing the combination of Ag and Au with a combination of Ag and Cu. Cu is a Group 11 element, just like Au, and has a similar electronic structure, making it potentially suitable as an optical semiconductor when made into a chalcogen compound. Furthermore, Cu is one of the essential elements of the human body, and therefore has good biocompatibility.
そこで本発明者等は、Teを必須のカルコゲン元素とするAgCuカルコゲン化合物のナノ粒子の合成の可否、及び、その光応答性について検討した(以下、カルコゲン元素をChと称することがある)。その結果、1200nm以上の長波長領域に吸収端を有する光吸収特性を有すると共に発光現象も発現し得るAgCuカルコゲン化合物を見出し、本発明に想到した。 The inventors therefore investigated the feasibility of synthesizing nanoparticles of an AgCu chalcogen compound containing Te as the essential chalcogen element, and their photoresponsiveness (hereinafter, the chalcogen element will be referred to as Ch). As a result, they discovered an AgCu chalcogen compound that has optical absorption characteristics with an absorption edge in the long wavelength region of 1200 nm or more, and is also capable of exhibiting luminescence, leading to the present invention.
即ち、本発明は、Ag、Cu、カルコゲン元素からなる下記式で示されるAgCuカルコゲン化合物を含む半導体ナノ粒子であって、前記カルコゲン元素は、必須のカルコゲン元素としてTeを含み、前記AgCuカルコゲン化合物を90原子%以上含む半導体ナノ粒子である。 That is, the present invention provides semiconductor nanoparticles containing an AgCu chalcogen compound represented by the following formula, which is composed of Ag, Cu, and a chalcogen element, and in which the chalcogen element contains Te as an essential chalcogen element, and the semiconductor nanoparticles contain 90 atomic % or more of the AgCu chalcogen compound.
以下、本発明に係るTeを必須のカルコゲン元素とするAgCuカルコゲン化合物を主成分とする半導体ナノ粒子の構成及びその製造方法について説明する。 The following describes the structure and manufacturing method of semiconductor nanoparticles based on an AgCu chalcogen compound containing Te as an essential chalcogen element according to the present invention.
A.本発明に係る半導体ナノ粒子の構成
A-1.半導体ナノ粒子の化学組成
上記のとおり、本発明に係る半導体ナノ粒子は、AgCuカルコゲン化合物を主成分とする。このAgCuカルコゲン化合物は、Ag、Cu、カルコゲン元素Chの原子数を、それぞれx、y、zとしたときにAgxCuyChzで表すことができる。そして、AgCuCh化合物の組成に関し、Agの原子数xとCuの原子数yとの比(原子比)は、1.0≦x/y≦10.0とする。本発明者等が検討した範囲において、この組成範囲にあるAgCuカルコゲン化合物のナノ粒子は、1200nm以上の長波長領域における好適な光吸収特性を発揮する。また、この組成範囲のAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子は、発光も発現し得る。そして、AgとCuとの原子比x/yが変化することで、AgCuカルコゲン化合物ナノ粒子の光応答特性が変化する。AgとCuとの原子比x/yは、3.0以上5.0以下とするのがより好ましく、これにより、1200nm以上の長波長域で発光ピークが観察され得る。
A. Structure of the Semiconductor Nanoparticles According to the Present Invention A-1. Chemical Composition of the Semiconductor Nanoparticles As described above, the semiconductor nanoparticles according to the present invention are primarily composed of an AgCu chalcogen compound. This AgCu chalcogen compound can be expressed as Ag x Cu y Ch z , where x, y, and z are the atomic numbers of Ag, Cu, and the chalcogen element Ch, respectively. With respect to the composition of the AgCuCh compound, the ratio (atomic ratio) of the number of Ag atoms x to the number of Cu atoms y is 1.0≦x/y≦10.0. Within the range investigated by the present inventors, AgCu chalcogen compound nanoparticles within this composition range exhibit favorable light absorption characteristics in the long-wavelength region of 1200 nm or more. Furthermore, AgCu chalcogen compound nanoparticles within this composition range can also emit light. Furthermore, by changing the atomic ratio x/y of Ag to Cu, the photoresponse characteristics of the AgCu chalcogen compound nanoparticles change. The atomic ratio x/y of Ag to Cu is more preferably 3.0 or more and 5.0 or less, which allows an emission peak to be observed in the long wavelength region of 1200 nm or more.
本発明で適用されるAgCuカルコゲン化合物のカルコゲン元素(Ch)は、Teを必須とするカルコゲン元素である。上記したように、カルコゲン元素の中で比較的質量の大きいTeを適用することで、光応答性を示す波長を長波長側にシフトさせることができる。本発明のAgCuカルコゲン化合物において、カルコゲン元素は、遷移金属であるAg及びCuに対して電荷補償がなされるように結合している。そして、カルコゲン元素の原子数zと遷移金属成分(Ag及びCu)の原子数(x+y)との比は、0.2≦z/(x+y)≦1.0を満たす。この原子比z/(x+y)は、0.3以上0.7以下(0.3≦z/(x+y)≦0.7)が好ましく、0.5以上0.7以下(0.5≦z/(x+y)≦0.7)がより好ましい。 The chalcogen element (Ch) of the AgCu chalcogen compound used in the present invention is a chalcogen element that requires Te. As described above, by using Te, which has a relatively large mass among chalcogen elements, the wavelength at which the photoresponse is exhibited can be shifted to longer wavelengths. In the AgCu chalcogen compound of the present invention, the chalcogen element is bonded to the transition metals Ag and Cu so as to achieve charge compensation. The ratio of the number of atoms z of the chalcogen element to the number of atoms (x + y) of the transition metal components (Ag and Cu) satisfies 0.2≦z/(x + y)≦1.0. This atomic ratio z/(x + y) is preferably 0.3 to 0.7 (0.3≦z/(x + y)≦0.7), and more preferably 0.5 to 0.7 (0.5≦z/(x + y)≦0.7).
また、本発明のAgCuカルコゲン化合物中のカルコゲン元素は、Teを必須とするとあることから、Teのみでも良いがTe以外の他のカルコゲン元素を含んでいても良い。本発明のAgCuカルコゲン化合物において、Teに加えて他のカルコゲン元素が含まれるのは、合成過程で使用する保護剤や溶媒等にカルコゲン元素が含まれているとき、これがTeと共に遷移金属成分と結合することに起因する。こうした過程でTeと共に含まれ得る他のカルコゲン元素としては、S又はSeが好ましい。本発明のAgCuカルコゲン化合物にTe以外の他のカルコゲン元素が含まれており、Teの原子数zTeとしたとき、全カルコゲン元素の原子数(z)に対するTeの原子数(zTe)の比zTe/zは、0.2以上0.4以下であるものが好ましく、0.25以上0.35以下がより好ましい。後述するように、本発明者等の検討では、カルコゲン元素としてTeと共に他のカルコゲン元素が含まれるとき、Teの原子比によって光吸収特性が変化する。 Furthermore, since Te is an essential chalcogen element in the AgCu chalcogen compound of the present invention, Te may be the only element, but other chalcogen elements other than Te may also be included. The reason why other chalcogen elements are included in the AgCu chalcogen compound of the present invention in addition to Te is that when chalcogen elements are contained in protective agents, solvents, etc. used in the synthesis process, these elements bond with the transition metal component together with Te. The other chalcogen elements that may be included together with Te in this process are preferably S or Se. When the AgCu chalcogen compound of the present invention contains other chalcogen elements other than Te, and the number of Te atoms is zTe , the ratio zTe /z of the number of Te atoms (zTe) to the number of all chalcogen atoms ( z ) is preferably 0.2 or more and 0.4 or less, more preferably 0.25 or more and 0.35 or less. As will be described later, the inventors have found that when other chalcogen elements are contained in addition to Te as a chalcogen element, the light absorption characteristics change depending on the atomic ratio of Te.
尚、以上で説明したAgCuカルコゲン化合物の組成とは、半導体ナノ粒子中のAgCuカルコゲン化合物の全体の組成である。本発明に適用されるAgCuカルコゲン化合物は、単一相で構成されていても、複数相から構成されていても良い。例えば、カルコゲン元素がTeのみであるとき、AgCuカルコゲン化合物(AgxCuyTez)がとり得る具体的な化学組成は、Ag、Cu、Teの価数によっていくつか挙げられ、AgCuTe(x=1、y=1、z=1)やAgCuTe2(x=1、y=1、z=2)等の量論組成のカルコゲン化合物がある。また、カルコゲン元素としてTeに加えてS及び/又はSeが含まれるときには、これらについての量論組成のカルコゲン化合物(AgCuS(x=1、y=1、z=1)やAgCuSe(x=1、y=1、z=1)等)がある。本発明の半導体ナノ粒子中のAgCuカルコゲン化合物は、これら量論組成の化合物が単相又は複数相混合の状態で構成される。また、上記のような量論組成にない化合物を含んでいても良い。半導体ナノ粒子中のAgCuカルコゲン化合物全体において、x、y、zが上記条件の範囲内にあれば良い。 The composition of the AgCu chalcogen compound described above refers to the overall composition of the AgCu chalcogen compound in the semiconductor nanoparticles. The AgCu chalcogen compound applied to the present invention may be composed of a single phase or multiple phases. For example, when the chalcogen element is only Te, the AgCu chalcogen compound (Ag x Cu y Te z ) can have several specific chemical compositions depending on the valences of Ag, Cu, and Te, including chalcogen compounds with stoichiometric compositions such as AgCuTe (x = 1, y = 1, z = 1) and AgCuTe 2 (x = 1, y = 1, z = 2). Furthermore, when the chalcogen element contains S and/or Se in addition to Te, chalcogen compounds with stoichiometric compositions for these elements (such as AgCuS (x = 1, y = 1, z = 1) and AgCuSe (x = 1, y = 1, z = 1)) are also available. The AgCu chalcogen compound in the semiconductor nanoparticles of the present invention is composed of these stoichiometric compounds in a single phase or a mixed state of multiple phases. It may also contain compounds that do not have the above-mentioned stoichiometric composition. It is sufficient that x, y, and z are within the above-mentioned ranges for the entire AgCu chalcogen compound in the semiconductor nanoparticles.
本発明に係る半導体ナノ粒子は、AgCuカルコゲン化合物を主成分とし、90原子%以上のAgCuカルコゲン化合物で構成される。半導体ナノ粒子は、AgCuカルコゲン化合物のみからなっていても良い。半導体ナノ粒子は、AgCuカルコゲン化合物を95原子%以上含むものがより好ましい。本発明に係る半導体ナノ粒子は、AgCuカルコゲン化合物を構成するAg、Cu、Teを必須とするカルコゲン元素以外の元素を含むことがある。例えば、AgCuカルコゲン化合物を合成する際の溶媒の構成元素や、原料となるAg、Cu、Teのそれぞれの前駆物質に含まれる元素が半導体ナノ粒子に含まれることがある。必須構成元素であるAg、Cu、カルコゲン元素以外に含まれる可能性のある元素としては、C、P、Cl、Br、I等が挙げられ、これらの元素の半導体ナノ粒子中の含有量は、10質量%未満であれば許容される。尚、ここで示した化合物及び元素の組成値は、半導体ナノ粒子に関する値であって、後述する保護剤及びその構成元素の含有量は含まれない。 The semiconductor nanoparticles of the present invention are primarily composed of AgCu chalcogen compounds, with at least 90 atomic % of the AgCu chalcogen compounds being the primary component. The semiconductor nanoparticles may be composed solely of AgCu chalcogen compounds. More preferably, the semiconductor nanoparticles contain at least 95 atomic % of AgCu chalcogen compounds. The semiconductor nanoparticles of the present invention may contain elements other than the essential chalcogen elements Ag, Cu, and Te that constitute the AgCu chalcogen compounds. For example, the semiconductor nanoparticles may contain elements contained in the solvent used to synthesize the AgCu chalcogen compounds or in the precursors of the raw materials Ag, Cu, and Te. Elements other than the essential constituent elements Ag, Cu, and chalcogen elements that may be contained include C, P, Cl, Br, I, etc., and the content of these elements in the semiconductor nanoparticles is acceptable as long as they are less than 10 mass %. The compositional values of the compounds and elements shown here are those for the semiconductor nanoparticles and do not include the content of the protective agent and its constituent elements, as described below.
A-2.本発明に係る半導体ナノ粒子の構造
上記したように、本発明に適用されるAgCuカルコゲン化合物は、単一相又は複数相で構成される。複数相からなる半導体ナノ粒子の態様として、いわゆるコアシェル構造をとることができる。コアシェル構造の例としては、Ag、Cu、Teを含むAgCuカルコゲン化合物からなるコア(コア化合物)と、コア化合物とは組成が異なるAgCuカルコゲン化合物やAg、Cu、Teのいずれかを含まない化合物がシェル(シェル化合物)とからなり、シェル化合物がコア化合物の表面の少なくとも一部を被覆する構造がある。また、コアシェル構造のような複数相の規則的な組み合わせでなくとも、組成の異なる複数相がランダムに分布していても良い。尚、Cuリッチ、Ag及びTeリッチとは、当該相におけるCu、Ag及びTeの組成比が50原子%より大きいことを意味する。
A-2. Structure of the Semiconductor Nanoparticles According to the Present Invention As described above, the AgCu chalcogen compound applied to the present invention is composed of a single phase or multiple phases. Semiconductor nanoparticles composed of multiple phases can have a so-called core-shell structure. An example of a core-shell structure is a structure comprising a core (core compound) composed of an AgCu chalcogen compound containing Ag, Cu, and Te, and a shell (shell compound) composed of an AgCu chalcogen compound or a compound not containing Ag, Cu, or Te, whose composition is different from that of the core compound, and the shell compound covers at least a portion of the surface of the core compound. Furthermore, instead of a regular combination of multiple phases like the core-shell structure, multiple phases with different compositions may be randomly distributed. Cu-rich, Ag- and Te-rich, and the terms "Cu-rich" and "Ag- and Te-rich" mean that the composition ratio of Cu, Ag, and Te in the phase is greater than 50 atomic %.
本発明に係る半導体ナノ粒子の形状は、球形状の他、キューブ形状、ロッド形状のものであっても良い。球形状、キューブ形状の半導体ナノ粒子は、平均粒径が2nm以上20nm以下であるものが好ましい。半導体ナノ粒子の粒径は、量子閉じ込め効果によるバンドギャップの調整作用と関連する。バンドギャップの調整による好適な光吸収特性を発揮する上では、前記の平均粒径とするのが好ましい。半導体ナノ粒子の平均粒径は、複数(100個以上が好ましい)の半導体ナノ粒子をTEM等の電子顕微鏡により観察し、各粒子の粒径等を測定して粒子数平均を算出することで得ることができる。尚、粒径とは、長径(長軸)と短径(短軸)との平均値として測定きる。 The semiconductor nanoparticles according to the present invention may be spherical, cubic, or rod-shaped. Spherical and cubic semiconductor nanoparticles preferably have an average particle size of 2 nm or more and 20 nm or less. The particle size of the semiconductor nanoparticles is related to the band gap adjustment effect due to the quantum confinement effect. The above average particle size is preferable for achieving favorable light absorption characteristics through band gap adjustment. The average particle size of the semiconductor nanoparticles can be obtained by observing multiple semiconductor nanoparticles (preferably 100 or more) using an electron microscope such as a TEM, measuring the particle size of each particle, and calculating the particle number average. The particle size can be measured as the average value of the major diameter (long axis) and minor diameter (short axis).
また、本発明に係る半導体ナノ粒子の組成及び構造の解析においては、走査透過型電子顕微鏡(Scanning TEM)が好適に使用できる。特に、高角度散乱環状暗視野走査透過顕微鏡(High Angle Annular Dark Field Scanning TEM:HAADF-STEM)によれば、ナノ粒子の組成情報を反映した散乱像を得ることができ、エネルギー分散型X線分光装置(EDS、EDX)等との組み合わせにより、Ag、Cu、Teの分布状態やナノ粒子全体の組成を把握することができる。 In addition, a scanning transmission electron microscope (scanning TEM) can be suitably used to analyze the composition and structure of the semiconductor nanoparticles according to the present invention. In particular, a high-angle annular dark-field scanning transmission microscope (HAADF-STEM) can obtain scattering images that reflect the compositional information of the nanoparticles, and when combined with an energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS, EDX), it is possible to understand the distribution of Ag, Cu, and Te and the overall composition of the nanoparticles.
A-3.本発明に係る半導体ナノ粒子の光応答性
これまで述べたとおり、半導体ナノ粒子は、粒径に応じた量子閉じ込め効果によってバンドギャップが調整され、光応答性が変化する。本発明に係る半導体ナノ粒子の光吸収特性についてみると、吸収スペクトルの長波長側の吸収端波長が1200nm以上であるものが好ましい。これにより、半導体ナノ粒子は、可視光領域から近赤外領域の光に対する吸収性を発揮する。より好ましい態様として、本発明に係る半導体ナノ粒子は、長波長側の吸収端波長が1400nm以上とすることができる。
A-3. Photoresponsiveness of semiconductor nanoparticles according to the present invention As described above, the band gap of semiconductor nanoparticles is adjusted by the quantum confinement effect according to the particle size, and the photoresponsiveness changes. Regarding the light absorption characteristics of the semiconductor nanoparticles according to the present invention, the absorption edge wavelength on the long wavelength side of the absorption spectrum is preferably 1200 nm or more. This allows the semiconductor nanoparticles to exhibit absorption for light in the visible light region to the near-infrared region. In a more preferred embodiment, the semiconductor nanoparticles according to the present invention can have an absorption edge wavelength on the long wavelength side of 1400 nm or more.
また、本発明に係る半導体ナノ粒子は、発光現象も発現し得る。このときの発光スペクトルには、1000nm以上の波長域に発光ピークがみられる。本発明に係る半導体ナノ粒子は、好ましい態様としては、1200nm以上、より好ましくは、1400nm以上の長波長領域で発光ピークを示すことができる。 The semiconductor nanoparticles of the present invention can also exhibit a luminescence phenomenon. The emission spectrum exhibits an emission peak in the wavelength region of 1000 nm or more. In a preferred embodiment, the semiconductor nanoparticles of the present invention can exhibit an emission peak in the long wavelength region of 1200 nm or more, more preferably 1400 nm or more.
A-4.本発明に係る半導体ナノ粒子の利用態様
本発明に係る半導体ナノ粒子を適宜の基材・担体に塗布・担持することで、上述した光センサ素子等の各種用途に応用することができる。この基材や担体の構成や形状・寸法には特に制限はない。板状又は箔・フィルム上の基材として、例えば、ガラス、石英、シリコン、セラミックスもしくは金属等が例示される。また、粒状・粉末状の担体として、ZnO、TiO2、WO3、SnO2、In2O3、Al2O3等の無機酸化物が例示される。また、半導体ナノ粒子を前記無機酸化物担体に担持し、更に、基材に固定しても良い。
A-4. Use of the Semiconductor Nanoparticles According to the Present Invention The semiconductor nanoparticles according to the present invention can be applied to various applications such as the above-mentioned optical sensor elements by coating and supporting them on an appropriate substrate or carrier. There are no particular limitations on the configuration, shape, or dimensions of this substrate or carrier. Examples of plate-shaped or foil-like substrates include glass, quartz, silicon, ceramics, and metals. Examples of granular or powdered carriers include inorganic oxides such as ZnO, TiO 2 , WO 3 , SnO 2 , In 2 O 3 , and Al 2 O 3. Alternatively, the semiconductor nanoparticles may be supported on the inorganic oxide carrier and then fixed to a substrate.
また、半導体ナノ粒子を基材・担体に塗布・担持する際には、上述したように、半導体ナノ粒子を適宜の分散媒に分散させた溶液・スラリー・インクが使用されることが多い。この溶液等の分散媒としては、クロロホルム、トルエン、シクロヘキサン、ヘキサン等が適用できる。そして、半導体ナノ粒子の溶液等の塗布方法としては、ディッピング、スピンコート法、また担持の方法としては、滴下法、含浸法、吸着法等の各種方法が適用できる。 When applying or supporting semiconductor nanoparticles on a substrate or carrier, as mentioned above, a solution, slurry, or ink in which the semiconductor nanoparticles are dispersed in an appropriate dispersion medium is often used. Chloroform, toluene, cyclohexane, hexane, etc. can be used as the dispersion medium for this solution. Dipping and spin coating methods can be used to apply the semiconductor nanoparticle solution, and various methods such as dropping, impregnation, and adsorption can be used to support the semiconductor nanoparticles.
尚、本発明に係る半導体ナノ粒子は、その合成過程や上記のように分散媒に分散させたときの凝集を抑制するため保護剤を含んでいることが好ましい。この保護剤としては、アルキル鎖炭素数が4以上20以下のアルキルアミン、アルケニル鎖炭素数が4以上20以下のアルケニルアミン、アルキル鎖炭素数が3以上20以下のアルキルカルボン酸、アルケニル鎖炭素数が3以上20以下のアルケニルカルボン酸、アルキル鎖炭素数が4以上20以下のアルカンチオールの少なくともいずれかが好ましい。これらの保護剤は、半導体ナノ粒子の表面に結合して少なくとも一部を被覆し、分散液で半導体ナノ粒子の凝集を抑制して均一な溶液等とする。また、半導体ナノ粒子の合成工程で反応系に原料と共に保護剤を添加することで、好適な平均粒径のナノ粒子が合成される。尚、保護剤は、前記のアルキルアミン、アルケニルアミン、アルキルカルボン酸、アルケニルカルボン酸、アルカンチオールを単独又は複数組み合わせて適用することができる。 The semiconductor nanoparticles according to the present invention preferably contain a protective agent to suppress aggregation during their synthesis or when dispersed in a dispersion medium as described above. This protective agent is preferably at least one of the following: alkylamines with alkyl chain carbon atoms of 4 to 20; alkenylamines with alkenyl chain carbon atoms of 4 to 20; alkylcarboxylic acids with alkyl chain carbon atoms of 3 to 20; alkenylcarboxylic acids with alkenyl chain carbon atoms of 3 to 20; and alkanethiols with alkyl chain carbon atoms of 4 to 20. These protective agents bond to the surface of the semiconductor nanoparticles to coat at least a portion of them, suppressing aggregation of the semiconductor nanoparticles in the dispersion and forming a uniform solution. Furthermore, adding the protective agent to the reaction system along with the raw materials during the semiconductor nanoparticle synthesis process allows the synthesis of nanoparticles with an appropriate average particle size. The protective agent can be any of the alkylamines, alkenylamines, alkylcarboxylic acids, alkenylcarboxylic acids, and alkanethiols, either singly or in combination.
B.本発明に係る半導体ナノ粒子の製造方法
次に、本発明に係る半導体ナノ粒子の製造方法について説明する。本発明者等は、上記した組成のAgCuカルコゲン化合物の合成は、Ag、Cu、Teのそれぞれの構成元素を含む化合物を前駆体(Ag前駆体、Cu前駆体、Te前駆体)とし、それらを同一の反応系に導入して同時に加熱して反応させることが好ましいことを見出している。以下、このAgCuカルコゲン化合物の合成法を適用する半導体ナノ粒子の製造方法について説明する。
B. Method for Producing Semiconductor Nanoparticles According to the Present Invention Next, a method for producing semiconductor nanoparticles according to the present invention will be described. The present inventors have discovered that, in the synthesis of an AgCu chalcogen compound having the above-described composition, it is preferable to use compounds containing Ag, Cu, and Te as precursors (Ag precursor, Cu precursor, Te precursor), introduce these precursors into the same reaction system, and heat and react them simultaneously. Below, a method for producing semiconductor nanoparticles using this AgCu chalcogen compound synthesis method will be described.
B-1.原料(Ag前駆体、Cu前駆体、Te前駆体)
原料となるAg前駆体、Cu前駆体、Te前駆体としては、それぞれ、Ag塩又はAg錯体と、Cu塩又はCu錯体と、Te化合物が適用される。Ag前駆体及びCu前駆体は、1価のAg、1価のCuを含む塩又は錯体が好ましい。
B-1. Raw materials (Ag precursor, Cu precursor, Te precursor)
The Ag precursor, Cu precursor, and Te precursor used as raw materials are, respectively, an Ag salt or Ag complex, a Cu salt or Cu complex, and a Te compound. The Ag precursor and Cu precursor are preferably salts or complexes containing monovalent Ag and monovalent Cu.
Ag前駆体としては、Ag塩又はAg錯体が適用される。Ag前駆体は1価のAgを含む塩又は錯体が好ましい。Ag前駆体の好適な具体例としては、酢酸銀(Ag(OAc))、硝酸銀、炭酸銀、酸化銀、シュウ酸銀、塩化銀、ヨウ化銀、シアン化銀(I)塩、ジエチルジチオカルバミン酸銀等が挙げられる。 The Ag precursor is preferably an Ag salt or Ag complex. The Ag precursor is preferably a salt or complex containing monovalent Ag. Specific examples of suitable Ag precursors include silver acetate (Ag(OAc)), silver nitrate, silver carbonate, silver oxide, silver oxalate, silver chloride, silver iodide, silver(I) cyanide, and silver diethyldithiocarbamate.
Cu前駆体としては、Cu塩又はCu錯体が適用される。Cu前駆体は1価のCuを含む塩又は錯体が好ましい。但し、Cu前駆体については、2価のCuを含む塩又は錯体を用いることもできる。半導体ナノ粒子の合成過程で、溶媒や共存するTe前駆体等により2価Cuが還元されて1価のCuとなるからである。Cu前駆体の好適な具体例としては、酢酸銅、塩化銅、ヨウ化銅、臭化銅等が挙げられる。 A Cu salt or Cu complex is used as the Cu precursor. The Cu precursor is preferably a salt or complex containing monovalent Cu. However, a salt or complex containing divalent Cu can also be used as the Cu precursor. This is because, during the synthesis of semiconductor nanoparticles, divalent Cu is reduced to monovalent Cu by the solvent or the coexisting Te precursor. Specific examples of suitable Cu precursors include copper acetate, copper chloride, copper iodide, and copper bromide.
Te前駆体となるTe化合物としては、酸化テルル(TeO2)、テルル酸(Te(OH)6)、亜テルル酸ナトリウム(Na2TeO3)等のTe化合物が適用できる。 As the Te compound that serves as the Te precursor, tellurium oxide (TeO 2 ), telluric acid (Te(OH) 6 ), sodium tellurite (Na 2 TeO 3 ), and the like can be used.
B-2.AgCuカルコゲン化合物の反応系の形成
AgCuカルコゲン化合物の合成に際しては、上記したAg前駆体とCu前駆体とTe前駆体とが混合されてなる単一の反応系を形成してから反応させる。このとき、別々に用意したAg前駆体、Cu前駆体、Te前駆体を順次混合しても良く、混合の順序については特に限定されない。また、AgCuカルコゲン化合物の遷移金属成分となるAg前駆体とCu前駆体との混合物を金属源前駆体として調整し、金属源前駆体とTe前駆体とを混合して反応系を形成しても良い。
B-2. Formation of a reaction system of an AgCu chalcogen compound When synthesizing an AgCu chalcogen compound, the above-mentioned Ag precursor, Cu precursor, and Te precursor are mixed to form a single reaction system, which is then reacted. At this time, the Ag precursor, Cu precursor, and Te precursor that have been prepared separately may be mixed sequentially, and the order of mixing is not particularly limited. Alternatively, a mixture of an Ag precursor and a Cu precursor that will become the transition metal component of the AgCu chalcogen compound may be prepared as a metal source precursor, and the metal source precursor and Te precursor may be mixed to form a reaction system.
合成されるAgCuカルコゲン化合物(AgxCuyChz)のAgとCuとの原子比(x/y)は、Ag前駆体とCu前駆体との仕込み量の比により調整可能である。AgとCuとの原子比(x/y)を所定範囲とする本発明のAgCuカルコゲン化合物の合成のための仕込み量の比は、Ag前駆体中のAg原子の原子数をa、Cu前駆体中のCu原子の原子数をbとしたとき、それらの比(a/b:以下、この比をAg仕込み比と称する)を1以上10以下となるように設定することが好ましく、2以上4以下とするのがより好ましい。 The atomic ratio (x/ y ) of Ag to Cu in the synthesized AgCu chalcogen compound (AgxCuyChz ) can be adjusted by the ratio of the amounts of the Ag precursor and the Cu precursor charged. The ratio of the amounts charged for synthesizing the AgCu chalcogen compound of the present invention, in which the atomic ratio (x/y) of Ag to Cu falls within a predetermined range, is preferably set so that the ratio (a/b: hereinafter referred to as the Ag charge ratio) is 1 to 10, more preferably 2 to 4, where a is the number of Ag atoms in the Ag precursor and b is the number of Cu atoms in the Cu precursor.
また、反応系中のTe前駆体の仕込み量は、合成されるAgCuカルコゲン化合物(AgxCuyChz)のカルコゲン元素中のTe原子数(zTe)に影響を及ぼし得る。本発明者等の検討によれば、Te前駆体中のTe原子の原子数をcとし、上記したCu前駆体中のCu原子の原子数bを基準としたとき、それらの比(c/b:以下、この比をTe仕込み比と称するときがある)を0.1以上2以下となるように設定することが好ましく、0.1以上1以下とするのがより好ましい。 Furthermore, the amount of Te precursor added to the reaction system can affect the number of Te atoms ( zTe ) in the chalcogen elements of the AgCu chalcogen compound ( AgxCuyChz ) being synthesized. According to the studies of the present inventors, when the number of Te atoms in the Te precursor is c and the number of Cu atoms in the Cu precursor described above is b, the ratio (c/b: hereinafter, this ratio may be referred to as the Te addition ratio) is preferably set to 0.1 or more and 2 or less, more preferably 0.1 or more and 1 or less.
また、上記したように、本発明の半導体ナノ粒子は、AgCuカルコゲン化合物に保護剤が結合していることが好ましい。また、この保護剤がカルコゲン元素を含んでいるとき、当該カルコゲン元素が本発明のAgCuカルコゲン化合物のカルコゲン元素の一部を形成し得る。そこで、上記した反応系には、Ag前駆体、Cu前駆体、Te前駆体と共に保護剤を添加することが好ましい。保護剤として、アルキル鎖炭素数が4以上20以下のアルキルアミン、アルケニル鎖炭素数が4以上20以下のアルケニルアミン、アルキル鎖炭素数が3以上20以下のアルキルカルボン酸、アルケニル鎖炭素数が3以上20以下のアルケニルカルボン酸、アルキル鎖炭素数が4以上20以下のアルカンチオールの少なくともいずれかを添加することが好ましい。 As described above, the semiconductor nanoparticles of the present invention preferably have a protective agent bonded to the AgCu chalcogen compound. Furthermore, when this protective agent contains a chalcogen element, the chalcogen element can form part of the chalcogen element of the AgCu chalcogen compound of the present invention. Therefore, it is preferable to add a protective agent to the above-described reaction system along with the Ag precursor, Cu precursor, and Te precursor. It is preferable to add at least one of the following protective agents: an alkylamine having an alkyl chain carbon number of 4 to 20, an alkenylamine having an alkenyl chain carbon number of 4 to 20, an alkylcarboxylic acid having an alkyl chain carbon number of 3 to 20, an alkenylcarboxylic acid having an alkenyl chain carbon number of 3 to 20, or an alkanethiol having an alkyl chain carbon number of 4 to 20.
半導体ナノ粒子の合成における反応系は、無溶媒でナノ粒子を生成することも可能であるが、溶媒を使用することが好ましい。溶媒を使用する場合は、オクタデセン、テトラデカン、オレイン酸、オレイルアミン、ドデカンチオール、あるいはこれらの混合物等が適用できる。 The reaction system used to synthesize semiconductor nanoparticles can produce nanoparticles without a solvent, but it is preferable to use a solvent. If a solvent is used, octadecene, tetradecane, oleic acid, oleylamine, dodecanethiol, or a mixture of these can be used.
B-3.AgCuカルコゲン化合物の合成条件
Ag前駆体、Cu前駆体、Te前駆体、及び保護剤で構成される反応系を加熱することでAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子が合成される。このときの加熱温度(反応温度)は、100℃以上200℃以下とする。100℃未満では合成反応が進行し難い。一方、200℃を超えると、粒子形状が不安定なナノ粒子が形成されることがある。より好適な反応温度は、100℃以上150℃以下である。
B-3. AgCu chalcogen compound synthesis conditions AgCu chalcogen compound nanoparticles are synthesized by heating a reaction system consisting of an Ag precursor, a Cu precursor, a Te precursor, and a protective agent. The heating temperature (reaction temperature) at this time is 100°C or higher and 200°C or lower. If the temperature is lower than 100°C, the synthesis reaction does not proceed easily. On the other hand, if the temperature exceeds 200°C, nanoparticles with unstable particle shapes may be formed. A more suitable reaction temperature is 100°C or higher and 150°C or lower.
また、反応時間(加熱時間)は、原料の仕込み量等によって調整可能であるが、5分以上120分以下とするのが好ましい。反応時間は、より好ましくは、10分以上とし、更に好ましくは15分以上とする。尚、AgCuカルコゲン化合物ナノ粒子ナノ粒子の合成反応を進行させる間、反応系を攪拌することが好ましい。 The reaction time (heating time) can be adjusted depending on the amount of raw materials charged, etc., but is preferably 5 minutes or more and 120 minutes or less. The reaction time is more preferably 10 minutes or more, and even more preferably 15 minutes or more. It is preferable to stir the reaction system while the synthesis reaction of AgCu chalcogen compound nanoparticles proceeds.
AgCuカルコゲン化合物ナノ粒子の合成反応の終了後は、必要に応じて反応系を冷却し、半導体ナノ粒子として回収することができ。このとき、貧溶媒となるアルコール(エタノール、メタノール等)を添加してナノ粒子を沈殿させる、あるいは、遠心分離等により半導体ナノ粒子を沈殿させて回収し、更にアルコール(エタノール、メタノール等)等で一旦粒子を洗浄したのち、クロロホルムなどの良溶媒中に均一に分散させても良い。 After the synthesis reaction of AgCu chalcogen compound nanoparticles is complete, the reaction system can be cooled as needed, and the resulting semiconductor nanoparticles can be recovered. At this point, the nanoparticles can be precipitated by adding a poor solvent, such as alcohol (ethanol, methanol, etc.), or the semiconductor nanoparticles can be precipitated and recovered by centrifugation or other methods, and the particles can then be washed with alcohol (ethanol, methanol, etc.) and then uniformly dispersed in a good solvent such as chloroform.
以上説明したように、本発明は、Teを必須のカルコゲン元素とするAgCuカルコゲン化合物(AgxCuyChz)を主成分とする半導体ナノ粒子である。本発明に係る半導体ナノ粒子は、好適な光応答性を有し、使用規制等を考慮した実用性も有する。そして、本発明に係る半導体ナノ粒子は、近赤外線領域(NIR)及び短波赤外線領域(SWIR)の長波長領域における受光素子や発光素子等の用途に対応可能となっている As described above, the present invention relates to semiconductor nanoparticles whose main component is an AgCu chalcogen compound (Ag x Cu y Ch z ) containing Te as an essential chalcogen element. The semiconductor nanoparticles according to the present invention have favorable photoresponsiveness and are also practical in consideration of usage regulations, etc. Furthermore, the semiconductor nanoparticles according to the present invention are applicable to applications such as light receiving elements and light emitting elements in the long wavelength region of the near infrared region (NIR) and short wave infrared region (SWIR).
第1実施形態:以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、AgCuカルコゲン化合物(AgxCuyChz)からなる半導体ナノ粒子を合成し、その外観等の確認を行うと共に、光応答性特性を評価した。尚、本実施形態では、AgとCuとの原子比(x/y)を変化させたAgCuカルコゲン化合物のナノ粒子を合成した。 First Embodiment : Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, semiconductor nanoparticles made of an AgCu chalcogen compound ( AgxCuyChz ) were synthesized, and their appearance and photoresponsive properties were evaluated. In this embodiment, nanoparticles of an AgCu chalcogen compound were synthesized with different atomic ratios of Ag and Cu (x / y).
本実施形態におけるAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子の合成は、遷移金属成分となるAg前駆体とCu前駆体との混合物を金属源前駆体として予め調整し、その後、金属源前駆体とTe前駆体とを混合・反応して半導体ナノ粒子を合成した。 In this embodiment, semiconductor nanoparticles made of an AgCu chalcogen compound were synthesized by first preparing a mixture of Ag precursor and Cu precursor, which serve as transition metal components, as a metal source precursor. The metal source precursor was then mixed and reacted with a Te precursor to synthesize the semiconductor nanoparticles.
Ag前駆体として酢酸銀(Ag(OAc))と、Cu前駆体として酢酸銅(Cu(OAc))とを溶媒・保護剤である1-ドデカンチオール(DDT)3mLに溶解・混合して金属源前駆体を調製した。このとき、溶液中のAgとCuとの合計含有量が金属換算で0.08mmolとなるように設定した。そして、Agの仕込み比(a/b)が、3/1、2.5/1.5、2/2、1.5/2.5となるようにして酢酸銀と酢酸銅を混合した。この金属源前駆体の準備する一方で、酸化テルル(TeO2)0.2mmolを溶媒・保護剤であるDDT2mLに溶解し、窒素雰囲気下で100℃、5分加熱してTe前駆体の溶液を調整した。 A metal source precursor was prepared by dissolving and mixing silver acetate (Ag(OAc)) as an Ag precursor and copper acetate (Cu(OAc)) as a Cu precursor in 3 mL of 1-dodecanethiol (DDT), a solvent and protective agent. The total content of Ag and Cu in the solution was set to 0.08 mmol in terms of metal. The silver acetate and copper acetate were mixed so that the Ag charging ratios (a/b) were 3/1, 2.5/1.5, 2/2, and 1.5/2.5. While this metal source precursor was being prepared, 0.2 mmol of tellurium oxide (TeO 2 ) was dissolved in 2 mL of DDT, a solvent and protective agent, and heated at 100°C for 5 minutes under a nitrogen atmosphere to prepare a Te precursor solution.
AgCuカルコゲン化合物ナノ粒子の合成は、まず、金属源前駆体(Ag、Cu)の溶液を窒素雰囲気下、150℃で5分間加熱した。そして、ここに上記Te前駆体溶液をシリンジで注入した。その後、窒素雰囲気下で反応温度を150℃として15分間加熱しながら撹拌した。反応終了後は、放冷後に5分間4000rpmで遠心分離を行い上澄み液と沈殿とを分離した。そして、上澄み液に貧溶媒としてエタノール/トルエンを4cm3加えて沈殿を生じさせた後、5分間4000rpmで遠心分離を行って沈殿を回収してAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子を得た。 To synthesize AgCu chalcogen compound nanoparticles, first, a solution of metal source precursors (Ag, Cu) was heated at 150°C for 5 minutes under a nitrogen atmosphere. The Te precursor solution was then injected into the solution using a syringe. The reaction temperature was then increased to 150°C under a nitrogen atmosphere, and the mixture was stirred while being heated for 15 minutes. After the reaction was completed, the mixture was allowed to cool and then centrifuged at 4000 rpm for 5 minutes to separate the supernatant and precipitate. 4 cm3 of ethanol/toluene was added to the supernatant as a poor solvent to generate a precipitate, which was then centrifuged at 4000 rpm for 5 minutes to recover the precipitate, yielding AgCu chalcogen compound nanoparticles.
以上の操作で得られたAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子をクロロホルム3cm3に分散させてAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子の分散液を得た。この分散液をサンプル瓶に移し替えて窒素置換を行った後、遮光して冷蔵保管した。 The AgCu chalcogen compound nanoparticles obtained by the above procedure were dispersed in 3 cm3 of chloroform to obtain a dispersion of semiconductor nanoparticles made of an AgCu chalcogen compound. This dispersion was transferred to a sample bottle and purged with nitrogen, and then stored in a refrigerator in a dark place.
[半導体ナノ粒子のTEM観察]
本実施形態で合成したAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子(Ag仕込み比:3/1、2.5/1.5、2/2、1.5/2.5)について、TEM観察を行った。図1に、本実施形態で製造した各半導体ナノ粒子のTEM像を示す(倍率は、各写真のスケールバーを参照)。図1を参照すると、Ag仕込み比を3/1として合成したAgCuカルコゲン化合物では、略球形のナノ粒子が多くみられておる。Ag仕込み比が低くなる(Cuの割合が大きくなる)と、それに従って、不定形のナノ粒子が増加する傾向にある。
[TEM Observation of Semiconductor Nanoparticles]
TEM observation was performed on semiconductor nanoparticles composed of the AgCu chalcogen compound synthesized in this embodiment (Ag charge ratio: 3/1, 2.5/1.5, 2/2, 1.5/2.5). Figure 1 shows TEM images of each semiconductor nanoparticle produced in this embodiment (see the scale bar in each photograph for magnification). Referring to Figure 1, in the AgCu chalcogen compound synthesized with an Ag charge ratio of 3/1, many nearly spherical nanoparticles are observed. As the Ag charge ratio decreases (the proportion of Cu increases), there is a tendency for the number of amorphous nanoparticles to increase accordingly.
[半導体ナノ粒子の組成分析]
本実施形態で合成したAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子(Ag仕込み比:3/1、2.5/1.5、2/2、1.5/2.5)について、SEM-EDS分析による組成分析を行った。各半導体ナノ粒子の組成の測定結果を表1に示す。組成分析の結果は、本実施形態及び以下の各実施形態において、ナノ粒子全体に対する原子%で表示する。表1には、組成分析結果に基づき算出されるAg原子数(x)とCu原子数(y)との比x/y及びカルコゲン元素の原子数(z)と遷移金属成分の原子数(x+y)との比z/(x+y)を併せて示した。
[Composition analysis of semiconductor nanoparticles]
Composition analysis was performed by SEM-EDS analysis on semiconductor nanoparticles composed of an AgCu chalcogen compound (Ag charging ratios: 3/1, 2.5/1.5, 2/2, 1.5/2.5) synthesized in this embodiment. The results of measuring the composition of each semiconductor nanoparticle are shown in Table 1. In this embodiment and each of the following embodiments, the results of the composition analysis are expressed in atomic % relative to the total nanoparticles. Table 1 also shows the ratio x/y of the number of Ag atoms (x) to the number of Cu atoms (y), and the ratio z/(x+y) of the number of atoms of the chalcogen element (z) to the number of atoms of the transition metal component (x+y), calculated based on the composition analysis results.
表1からわかるように、Ag仕込み比(a/b)の増大により、当然に、AgCuカルコゲン化合物のAg原子数(x)とCu原子数(y)との比(x/y)が大きくなる。また、カルコゲン元素の原子数(z)と遷移金属成分(Ag及びCu)の原子数(x+y)との比については、Ag仕込み比が変化しても大きく変動がないことが確認される。そして、本実施形態で合成したAgCuカルコゲン化合物は、カルコゲン元素としてTeを必須としつつ、他のカルコゲン元素としてSを含むことが確認される。更に、No.4を除き、Te原子数のカルコゲン元素全体に対する(zTe/z)は、Ag仕込み比が変化しても大きな変動はない。No.4のAgCuカルコゲン化合物は、Ag仕込み比が最小(a/b:1.5/2.5)であり、TEM観察の結果(図1)を参照すると、2相分離がみられており、これのみ傾向が異なっていると考えられる。 As can be seen from Table 1, an increase in the Ag charge ratio (a/b) naturally increases the ratio (x/y) of the number of Ag atoms (x) to the number of Cu atoms (y) in the AgCu chalcogen compound. It was also confirmed that the ratio of the number of atoms (z) of the chalcogen element to the number of atoms (x + y) of the transition metal component (Ag and Cu) does not vary significantly even when the Ag charge ratio is changed. It was also confirmed that the AgCu chalcogen compound synthesized in this embodiment contains Te as an essential chalcogen element, while also containing S as another chalcogen element. Furthermore, except for No. 4, the ratio of the number of Te atoms to the total number of chalcogen elements (z Te /z) does not vary significantly even when the Ag charge ratio is changed. The AgCu chalcogen compound No. 4 has the smallest Ag content ratio (a/b: 1.5/2.5), and when the TEM observation results (FIG. 1) are referred to, two-phase separation is observed, and this is thought to be the only difference in tendency.
[吸収スペクトル及び発光スペクトルの測定]
次に、各半導体ナノ粒子についての光応答性を評価するため、吸収スペクトル測定と発光スペクトル測定を行った。吸収スペクトルは、紫外可視分光光度計(アジレント・テクノロジー株式会社製、Agilent 8453製)を用いて、波長範囲を400nm~1600nmとして測定した。また、発光スペクトルは、浜松ホトニクス株式会社製ダイオードアレイ分光光度計(PMA-12、C10027-02)を用いた。サンプルをクロロホルム溶液(n=1.4429)で365nmでの吸光度が0.1となるように調整して測定を行った。
[Measurement of absorption spectrum and emission spectrum]
Next, absorption and emission spectra were measured to evaluate the photoresponsiveness of each semiconductor nanoparticle. The absorption spectrum was measured using a UV-visible spectrophotometer (Agilent Technologies, Inc., Agilent 8453) in the wavelength range of 400 nm to 1600 nm. The emission spectrum was measured using a diode array spectrophotometer (PMA-12, C10027-02) manufactured by Hamamatsu Photonics K.K. The sample was dissolved in chloroform (n = 1.4429) and adjusted so that the absorbance at 365 nm was 0.1, and then the measurement was performed.
本実施形態で製造した各半導体ナノ粒子の吸収スペクトルの測定結果を図2に示し、発光スペクトルの測定結果を図3に示す。また、これらに基づいて測定される各半導体ナノ粒子の長波長側の吸収端波長と発光スペクトルのピーク波長を表2に示す。 The measurement results of the absorption spectrum of each semiconductor nanoparticle produced in this embodiment are shown in Figure 2, and the measurement results of the emission spectrum are shown in Figure 3. Furthermore, the absorption edge wavelength on the long wavelength side and the peak wavelength of the emission spectrum of each semiconductor nanoparticle measured based on these are shown in Table 2.
図2及び表2の吸収スペクトルの測定結果を参照すると、いずれの半導体ナノ粒子においても、1400nm以上の領域で吸収端を示す光吸収特性を有する。また、いずれにおいても、800nm~950nmの波長で励起子ピークと考えられる小さなピークを示しながら1400nm付近に吸収ピークが発現している。AgCuカルコゲン化合物(AgxCuyChz)の組成に関し、AgとCuとの原子比(x/y)による変化をみると、x/yが上昇しAgの原子比が高くなることで吸収端の長波長側へのシフトがみられる。 Referring to the absorption spectrum measurement results in Figure 2 and Table 2, all semiconductor nanoparticles have optical absorption characteristics that show an absorption edge in the region of 1400 nm or more. Furthermore, all of them exhibit a small peak thought to be an exciton peak at wavelengths of 800 nm to 950 nm, while an absorption peak appears near 1400 nm. Regarding the composition of the AgCu chalcogen compound (Ag x Cu y Ch z ), when the atomic ratio of Ag to Cu (x/y) is examined, a shift in the absorption edge toward longer wavelengths is observed as x/y increases and the atomic ratio of Ag becomes higher.
また、本実施形態の半導体ナノ粒子では、いずれも発光の発現が確認されている。図3及び表2の発光スペクトルの測定結果を参照すると、1000nm以上の波長域での発光ピークが確認された。特に、Agの原子比が高い半導体ナノ粒子(No.1)の発光ピーク波長が長波長側にある。この半導体ナノ粒子では、1200nm以上の領域での発光ピークが観察された。 All of the semiconductor nanoparticles of this embodiment were confirmed to emit light. Referring to the emission spectrum measurement results in Figure 3 and Table 2, an emission peak was confirmed in the wavelength region of 1000 nm or more. In particular, the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles (No. 1) with a high Ag atomic ratio is on the long wavelength side. An emission peak was observed in the region of 1200 nm or more for these semiconductor nanoparticles.
以上の光応答性の評価結果から、本実施形態で合成したAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子は、吸収端が1200nm以上であり長波長領域での良好な光吸収性を発揮するといえる。特に、No.1のAg仕込み比3/1のAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子(x/y=4)は、長波長側吸収端波長が1500nm以上にあり、発光特性でも1200nm以上のピーク波長を示す良好なものであった。 These photoresponsiveness evaluation results indicate that the semiconductor nanoparticles composed of the AgCu chalcogen compound synthesized in this embodiment have an absorption edge of 1200 nm or more and exhibit good light absorption in the long-wavelength region. In particular, No. 1 AgCu chalcogen compound nanoparticles with an Ag loading ratio of 3/1 (x/y = 4) had a long-wavelength absorption edge wavelength of 1500 nm or more and exhibited good emission characteristics, with a peak wavelength of 1200 nm or more.
第2実施形態:本実施形態では、Teの仕込み比を調整して各種組成のAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子を合成した。本実施形態で適用した半導体ナノ粒子の合成方法は、基本的には第1実施形態と同様であり、金属源前駆体の溶液にTe前駆体の溶液を添加して加熱・反応してAgCuカルコゲン化合物のナノ粒子を得た。本実施形態では、Te前駆体添加時の仕込み量を調整して、Te前駆体中のTe原子の原子数cと金属源前駆体中のCu原子の原子数bとの比であるTe仕込み比(c/b)が1/4、1/2、1/1、2/1となるようにして合成反応を行った。合成後は、第1実施形態と同様に分離・精製してAgCuカルコゲン化合物のナノ粒子を得た。尚、Ag仕込み比(a/b)は、3/1とし、他の反応条件は第1実施形態と同じとした。 Second Embodiment : In this embodiment, semiconductor nanoparticles composed of AgCu chalcogen compounds of various compositions were synthesized by adjusting the Te charge ratio. The semiconductor nanoparticle synthesis method applied in this embodiment is basically the same as that in the first embodiment. A solution of a Te precursor was added to a solution of a metal source precursor, and the solution was heated and reacted to obtain nanoparticles of an AgCu chalcogen compound. In this embodiment, the amount of Te precursor added was adjusted to perform the synthesis reaction so that the Te charge ratio (c/b), which is the ratio of the number of Te atoms in the Te precursor, c, to the number of Cu atoms in the metal source precursor, b, was 1/4, 1/2, 1/1, or 2/1. After synthesis, the nanoparticles were separated and purified in the same manner as in the first embodiment to obtain nanoparticles of an AgCu chalcogen compound. The Ag charge ratio (a/b) was 3/1, and the other reaction conditions were the same as in the first embodiment.
[半導体ナノ粒子の組成分析]
本実施形態で合成したAgCuカルコゲン化合物からなる半導体ナノ粒子(Te仕込み比:1/4、1/2、1/1、2/1)について、SEM-EDS分析による組成分析を行った。各半導体ナノ粒子の組成の測定結果を表3に示す。
[Composition analysis of semiconductor nanoparticles]
The composition of the semiconductor nanoparticles (Te content ratio: 1/4, 1/2, 1/1, 2/1) composed of the AgCu chalcogen compound synthesized in this embodiment was analyzed by SEM-EDS. The results of the composition measurement for each semiconductor nanoparticle are shown in Table 3.
表3を参照すると、Te仕込み比(c/b)が増大しても、カルコゲン元素の原子数(z)と遷移金属成分(Ag、Cu)の原子数(x+y)との比(z/(x+y))に大きな変動はない。Te仕込み比の増大は、Te原子数のカルコゲン元素全体の原子数に対する割合(zTe/z)の増大に繋がっている。また、Te仕込み比の増大は、AgとCuとの原子比x/yの低下にも繋がる傾向も伺える。 Referring to Table 3, even if the Te content ratio (c/b) increases, there is no significant change in the ratio (z/(x+y)) of the number of atoms of the chalcogen element (z) to the number of atoms of the transition metal component (Ag, Cu) (x+y). An increase in the Te content ratio leads to an increase in the ratio (z Te /z) of the number of Te atoms to the total number of atoms of the chalcogen element. It also appears that an increase in the Te content ratio also tends to lead to a decrease in the atomic ratio x/y of Ag to Cu.
[吸収スペクトル及び発光スペクトルの測定]
次に、本実施形態で製造した各半導体ナノ粒子についての光応答性の評価として吸収スペクトル測定と発光スペクトル測定を行った。これらの測定方法は、第1実施形態と同様である。これらの測定結果を図4及び図5に示し、各半導体ナノ粒子の長波長側の吸収端波長と発光スペクトルのピーク波長を表4に示す。
[Measurement of absorption spectrum and emission spectrum]
Next, absorption spectrum and emission spectrum measurements were performed to evaluate the photoresponsiveness of each semiconductor nanoparticle produced in this embodiment. These measurement methods were the same as those in the first embodiment. The results of these measurements are shown in Figures 4 and 5, and the absorption edge wavelength on the long wavelength side and the peak wavelength of the emission spectrum of each semiconductor nanoparticle are shown in Table 4.
図4及び表4の吸収スペクトルの測定結果を参照すると、Te仕込み比を変化させた半導体ナノ粒子のいずれにおいても、励起子ピークを示しながら1400nm付近に吸収ピークが発現している。そして、長波長側吸収端は、いずれも1500nm以上の領域にある。特に、Te仕込み比が低い(AgCuカルコゲン化合物中のTeの原子比が低い)半導体ナノ粒子(No.5)は、吸収端波長の更なる長波長化が観られた。 Referring to the absorption spectrum measurement results in Figure 4 and Table 4, all of the semiconductor nanoparticles with different Te loading ratios exhibit an absorption peak near 1400 nm, while also exhibiting an exciton peak. Furthermore, the long-wavelength absorption edge is in the region of 1500 nm or higher in all cases. In particular, the semiconductor nanoparticles (No. 5) with a low Te loading ratio (low atomic ratio of Te in the AgCu chalcogen compound) exhibited a further shift in the absorption edge wavelength.
図5及び表4の発光スペクトルの測定結果を参照すると、No.5~No.7(c/b:1/4~1/1)の半導体ナノ粒子の発光スペクトル曲線は、同様の傾向を示し差異はさほどない。Te仕込み比が高い(c/b:2/1)No.8の半導体ナノ粒子は、明瞭なピークがみられなかった。 Referring to the emission spectrum measurement results in Figure 5 and Table 4, the emission spectrum curves of semiconductor nanoparticles No. 5 to No. 7 (c/b: 1/4 to 1/1) show similar trends with little difference. Semiconductor nanoparticle No. 8, which has a high Te loading ratio (c/b: 2/1), did not show a clear peak.
第3実施形態:本実施形態では、AgCuカルコゲン化合物ナノ粒子の合成条件を変化させたときに得られる半導体ナノ粒子の光応答性を検討した。 Third Embodiment : In this embodiment, the photoresponsiveness of semiconductor nanoparticles obtained when the synthesis conditions for AgCu chalcogen compound nanoparticles were changed was examined.
まず、反応系が形成される前後における温度の影響について検討した。ここでは、第1実施形態のAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子の合成工程において、金属源前駆体溶液にTe前駆体溶液を添加する前の金属源前駆体溶液の加熱温度(T1)と、Te前駆体溶液の添加後の加熱温度(反応温度:T2)を調整した。具体的には、(i)T1=T2=150℃、(ii)T1=150℃、T2=120℃、(iii)T1=T2=120℃の3条件でAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子を合成した。この検討におけるそれぞれの加熱時間は、第1実施形態と同じとした。 First, the effects of temperature before and after the formation of a reaction system were investigated. Here, in the synthesis process for AgCu chalcogen compound nanoparticles of the first embodiment, the heating temperature (T1) of the metal source precursor solution before adding the Te precursor solution to the metal source precursor solution and the heating temperature (reaction temperature: T2) after adding the Te precursor solution were adjusted. Specifically, AgCu chalcogen compound nanoparticles were synthesized under three conditions: (i) T1 = T2 = 150°C, (ii) T1 = 150°C and T2 = 120°C, and (iii) T1 = T2 = 120°C. The heating times for each of these conditions were the same as in the first embodiment.
また、本実施形態では、金属源前駆体溶液へのTe前駆体溶液の添加後の加熱時間(反応時間)の影響も検討した。この検討では、反応時間を5min、10min、20min、40min、80minとしてAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子を合成した。この検討における加熱温度は、T1=T2=120℃とした。 In this embodiment, the effect of the heating time (reaction time) after adding the Te precursor solution to the metal source precursor solution was also investigated. In this study, AgCu chalcogen compound nanoparticles were synthesized using reaction times of 5, 10, 20, 40, and 80 minutes. The heating temperatures in this study were T1 = T2 = 120°C.
尚、それぞれの検討において、上記した反応条件以外の合成方法・条件は、第1実施形態と同じとし、Ag仕込み比(a/b)は、3/1とした。 In each study, the synthesis method and conditions other than the above-mentioned reaction conditions were the same as those in the first embodiment, and the Ag feed ratio (a/b) was 3/1.
本実施形態の検討結果について、まず、反応系形成前後の温度について説明する。図6は、上記した(i)~(iii)の加熱条件により合成されたAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子のTEM像である。このTEM像から、反応系形成前後の加熱温度(T1及びT2)を共に120℃とする(iii)の条件において、安定した粒子形状のナノ粒子が合成されることが分かる。そして、ナノ粒子の形状は、150℃での加熱を含むことで不安定化する傾向にある。 Regarding the results of this study, we will first explain the temperatures before and after forming the reaction system. Figure 6 is a TEM image of AgCu chalcogen compound nanoparticles synthesized under the heating conditions (i) to (iii) described above. This TEM image shows that nanoparticles with a stable particle shape are synthesized under condition (iii), in which the heating temperatures (T1 and T2) before and after forming the reaction system are both 120°C. Furthermore, the shape of the nanoparticles tends to become unstable when heating at 150°C is included.
そこで、反応系形成前後の加熱温度が同じ(i)の条件(T1=T2=150℃)と(iii)の条件(T1=T2=120℃)の半導体ナノ粒子について、EDSによる組成分析を行った。その結果を表5に示す。表5から、これらのAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子は、粒子形状に差異はあるものの、組成については大きな差異はないことが分かった。 Therefore, composition analysis was performed using EDS on semiconductor nanoparticles prepared under conditions (i) (T1 = T2 = 150°C) and (iii) (T1 = T2 = 120°C), in which the heating temperatures before and after reaction system formation were the same. The results are shown in Table 5. Table 5 shows that although there were differences in particle shape, there were no significant differences in composition between these AgCu chalcogen compound nanoparticles.
また、これら2つの半導体ナノ粒子の吸収スペクトル及び発光スペクトルの測定結果を図7、図8及び表6に示す。 The measurement results of the absorption and emission spectra of these two semiconductor nanoparticles are shown in Figures 7, 8, and Table 6.
図7、表6の吸収スペクトルの測定結果をみると、(i)、(iii)の加熱条件による半導体ナノ粒子の吸収特性は、全体的には類似した曲線となる。但し、反応系形成前後の加熱温度を120℃とする(iii)の半導体ナノ粒子では、吸収ピークの強度が明確に強くなっており、吸収端波長も長波長となっている。そして、図8、表6の発光スペクトルの測定結果を参照すると、反応系形成前後の加熱温度を120℃とする(iii)の半導体ナノ粒子における発光ピーク波長が大きく(200nm以上)長波長側にシフトしている。 Looking at the absorption spectrum measurement results in Figure 7 and Table 6, the absorption characteristics of semiconductor nanoparticles under heating conditions (i) and (iii) form similar curves overall. However, for semiconductor nanoparticles (iii) where the heating temperature was 120°C before and after reaction system formation, the absorption peak intensity is clearly stronger and the absorption edge wavelength is also longer. Furthermore, looking at the emission spectrum measurement results in Figure 8 and Table 6, the emission peak wavelength for semiconductor nanoparticles (iii) where the heating temperature was 120°C before and after reaction system formation is significantly shifted (by 200 nm or more) to the longer wavelength side.
次に、反応時間による影響の検討結果について説明する。図9は、反応時間を5min~40min(T1=T2=120℃)として合成したAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子のTEM像である。図9から、反応時間を長時間とすることで、粒子形状が球形に近づくことが分かる。また、これらの半導体ナノ粒子のEDSによる組成分析結果を表7に示す。表7を参照すると、反応時間が増大しても遷移金属成分(Ag、Cu)とカルコゲン元素との原子比(z/(x+y))に大きな差は生じない。また、遷移金属成分中のAgの原子比(x/y)も3.0~5.0の範囲内でさほど大きな差はない。 Next, we will explain the results of an investigation into the effect of reaction time. Figure 9 is a TEM image of AgCu chalcogen compound nanoparticles synthesized over reaction times of 5 to 40 minutes (T1 = T2 = 120°C). Figure 9 shows that increasing the reaction time results in particle shapes that approach spheres. Table 7 also shows the results of compositional analysis of these semiconductor nanoparticles by EDS. Table 7 shows that increasing the reaction time does not result in a significant difference in the atomic ratio (z/(x + y)) of the transition metal components (Ag, Cu) to the chalcogen elements. Furthermore, the atomic ratio (x/y) of Ag in the transition metal components does not vary significantly within the range of 3.0 to 5.0.
反応時間を5min~40min(T1=T2=120℃)として合成したAgCuカルコゲン化合物ナノ粒子について、吸収スペクトルの測定結果を図10に、発光スペクトルの測定結果を図11に示し、これらを纏めたものを表8に示す。 For AgCu chalcogen compound nanoparticles synthesized with reaction times of 5 to 40 minutes (T1 = T2 = 120°C), the absorption spectrum measurement results are shown in Figure 10, and the emission spectrum measurement results are shown in Figure 11. These results are summarized in Table 8.
図10の吸収スペクトルについてみると、反応時間80minを除くと、各半導体ナノ粒子の吸収特性に大きな差はない。また、図11の発光スペクトルの測定結果をみると、吸収スペクトルの結果と同様に、発光スペクトル曲線に差異はなく、発光ピーク波長もほぼ同じであるといえる。 Looking at the absorption spectra in Figure 10, there is no significant difference in the absorption characteristics of each semiconductor nanoparticle, except for the 80-minute reaction time. Furthermore, looking at the emission spectrum measurement results in Figure 11, as with the absorption spectrum results, there is no difference in the emission spectrum curves, and the emission peak wavelengths are also roughly the same.
本実施形態で検討した合成条件に関する検討結果をまとめると、金属源前駆体の加熱温度及び反応温度に関しては、150℃(第1実施形態)に対して比較的低温の120℃とするのがより好ましいといえる。また、反応時間については、長時間とすることで粒子の球形化がみられて好ましいといえるが、粒子の外形以外の特性に差異は少ない。反応時間については、比較的自由に設定可能であると考えられる。半導体ナノ粒子の合成条件は、金属源前駆体及びTe前駆体における遷移金属・カルコゲン元素の濃度や反応系のスケールによって調整すべきであるが、本実施形態の結果を参照することができる。 Summarizing the results of the study on synthesis conditions investigated in this embodiment, it can be said that a relatively low heating temperature and reaction temperature of 120°C for the metal source precursor is more preferable than 150°C (first embodiment). Furthermore, a longer reaction time is preferable because it results in spherical particles, but there is little difference in properties other than the particle shape. It is believed that the reaction time can be set relatively freely. The synthesis conditions for semiconductor nanoparticles should be adjusted depending on the concentrations of the transition metal and chalcogen elements in the metal source precursor and Te precursor, as well as the scale of the reaction system, but the results of this embodiment can be used as a reference.
以上説明したように、本発明に係るAgCuカルコゲン化合物よりなる半導体ナノ粒子は、良好な光応答性を発揮し得る。このAgCuカルコゲン化合物は、使用規制への対応や重金属の使用回避についても考慮されている。本発明に係る半導体ナノ粒子は、ディスプレイ装置や生体関連物質検出用マーカー物質等に利用される発光素子、蛍光物質や、太陽電池や光センサ等に搭載される光電変換素子や受光素子への応用が期待される。特に、本発明は、近赤外線領域(NIR)や短波赤外線領域(SWIR)の長波長領域における光吸収特性の向上が図られている。このことから、本発明は、上記した光素子の中でも近赤外領域での応答性が重視されるLIDAR、SWIRイメージセンサに適用される受光素子に特に有用である。 As described above, semiconductor nanoparticles made of the AgCu chalcogen compound according to the present invention can exhibit excellent photoresponsiveness. This AgCu chalcogen compound is also designed to comply with usage regulations and avoid the use of heavy metals. The semiconductor nanoparticles according to the present invention are expected to be applied to light-emitting elements and fluorescent materials used in display devices and marker substances for detecting biological substances, as well as photoelectric conversion elements and photodetectors mounted in solar cells and optical sensors. In particular, the present invention aims to improve light absorption characteristics in the long wavelength range of the near-infrared region (NIR) and shortwave infrared region (SWIR). Therefore, the present invention is particularly useful for photodetectors used in LIDAR and SWIR image sensors, among the above-mentioned optical elements, where responsiveness in the near-infrared region is important.
Claims (8)
前記カルコゲン元素は、必須のカルコゲン元素としてTeを含み、
前記AgCuカルコゲン化合物を90原子%以上含む半導体ナノ粒子。
the chalcogen element contains Te as an essential chalcogen element,
The semiconductor nanoparticles contain 90 atomic % or more of the AgCu chalcogen compound.
3. The semiconductor nanoparticles according to claim 1, wherein the peak wavelength of the emission spectrum is 1000 nm or more.
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