JP2006291175A - Blue light-emitting phosphor dispersed with semiconductor nanoparticles - Google Patents
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Abstract
【課題】水溶液中で高い発光効率を有する青色発光半導体ナノ粒子及びその製造方法、更に該青色発光半導体ナノ粒子をガラスマトリックスに保持してなる高い発光効率を有する蛍光体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを持ち水中に分散させた状態での発光効率が35%以上である硫化カドミウム、セレン化亜鉛等のII族-IV族半導体ナノ粒子で、該半導体ナノ粒子は、II族元素含有水溶性化合物とIV族元素化合物の分散水溶液をpH9.5〜11.5とし、紫外光照射することにより製造される。更に該半導体ナノ粒子を、オルガノアルコキシシランを用いたゾルゲル法によりガラスマトリックス中に分散しすることにより、ガラスマトリックス中に分散された蛍光体が得られる。
【選択図】なしDisclosed are a blue light emitting semiconductor nanoparticle having high light emission efficiency in an aqueous solution and a method for producing the same, and a phosphor having high light emission efficiency obtained by holding the blue light emitting semiconductor nanoparticle in a glass matrix and a method for producing the same. .
Group II-IV semiconductor nanoparticles, such as cadmium sulfide and zinc selenide, having a light emission peak in the wavelength range of 400 to 500 nanometers and a light emission efficiency of 35% or more when dispersed in water. The semiconductor nanoparticles are produced by irradiating ultraviolet light with a group II element-containing water-soluble compound and a group IV element compound dispersed aqueous solution having a pH of 9.5 to 11.5. Furthermore, the phosphor dispersed in the glass matrix can be obtained by dispersing the semiconductor nanoparticles in the glass matrix by a sol-gel method using organoalkoxysilane.
[Selection figure] None
Description
本発明は、青色発光の半導体ナノ粒子、該半導体ナノ粒子が分散した蛍光体、その製造方法、及び該蛍光体を用いた発光デバイスに関する。 The present invention relates to blue-emitting semiconductor nanoparticles, a phosphor in which the semiconductor nanoparticles are dispersed, a method for producing the same, and a light-emitting device using the phosphor.
半導体ナノ粒子は、新しいタイプの蛍光体として、その用途の研究が進んでいる。この半導体ナノ粒子は、いわゆる量子サイズ効果により、同じ材料で出来ていても粒径が小さくなるほどバンドギャップが広がって短波長側の発光を示すようになる。このような半導体ナノ粒子は、今日、コロイド法によって作製され、水溶液中での作製と有機溶液中での作製の2種類に分けられる。 Semiconductor nanoparticles have been studied for their use as a new type of phosphor. Due to the so-called quantum size effect, the semiconductor nanoparticles exhibit light emission on the short wavelength side because the band gap increases as the particle size decreases, even if they are made of the same material. Such semiconductor nanoparticles are produced today by a colloidal method, and are divided into two types: production in an aqueous solution and production in an organic solution.
水溶液中で作製されるものとしては、テルル化カドミウムが代表的なものとして知られており、最近の改良により発光効率60%程度が得られるようになった(特許文献1及び非特許文献1)。しかし、発光色は緑色から赤色までで、波長500ナノメートル以下の青色
や紫色の発光は困難であった。一つの原因として、短波長発光では一般に、励起子のエネルギーが高くなって失活しやすくなることが挙げられる。なお、非特許文献2は、青色発光のテルル化カドミウムナノ粒子分散水溶液が得られたと報告しているが、この方法は再現が難しく、また青色領域の発光効率は20%程度とされている。
Cadmium telluride is known as a typical product prepared in an aqueous solution, and a luminous efficiency of about 60% can be obtained by recent improvements (
一方で、有機溶液での作製方法に関しては、有機金属を熱分解して半導体ナノ粒子を作製する方法が良く知られている(非特許文献3)。この方法で作られるものとしては、セレン化カドミウムが代表的で、多くの研究が行われている。この合成には高価で複雑な実験装置を必要とし、安全面での配慮も欠かせないが、表面を硫化亜鉛などで覆うことで青色から赤色(波長470-620ナノメートル)の領域で発光効率30-50%程度のものが得られる。 On the other hand, with respect to a production method using an organic solution, a method of producing semiconductor nanoparticles by thermally decomposing an organic metal is well known (Non-patent Document 3). Cadmium selenide is a typical product produced by this method, and many studies have been conducted. This synthesis requires expensive and complicated experimental equipment, and safety considerations are indispensable, but the surface is covered with zinc sulfide, etc., so that the luminous efficiency is from blue to red (wavelength 470-620 nanometers). About 30-50% can be obtained.
しかしながら、作製した半導体ナノ粒子はそのままでは、水に分散できない。半導体ナノ粒子が発光効率を保ったまま水に安定に分散できるかどうかは、応用上、重要である。例えば、生体物質の蛍光マーカーとして用いる場合には、水に分散する事が不可欠であるし、透明なマトリックスに固定する場合も、水に分散できれば使えるマトリックスの種類が多くなる。従って、上の方法で作製したセレン化カドミウムの場合は、水に分散させるために多くの工夫がなされてきた。 However, the produced semiconductor nanoparticles cannot be dispersed in water as they are. Whether the semiconductor nanoparticles can be stably dispersed in water while maintaining the luminous efficiency is important for application. For example, when used as a fluorescent marker for biological material, it is indispensable to disperse in water, and when it is fixed to a transparent matrix, the number of types of matrix that can be used increases if it can be dispersed in water. Therefore, in the case of cadmium selenide produced by the above method, many ideas have been made to disperse in water.
その集大成として、特許文献2及び3が挙げられる。これには、作製後の半導体ナノ粒子をチオールなどの界面活性剤で処理することにより、水に分散させることができ、その発光効率も最大で18%程度のものが得られることが記載されている。
最近になって研究が進展し、非特許文献4では、作製後のセレン化亜鉛ナノ粒子の水溶液に光照射することで、発光ピーク波長370nm程度、発光効率として25−30%のナノ粒子
が得られることを報告している。しかし、これは短波長側に移動しすぎており発光ピーク波長が人間の目に感じる範囲には入っていない。また、発光効率も十分ではない。
Recently, research has progressed, and in Non-Patent
さらに、非特許文献5では、セレン化亜鉛ナノ粒子の水溶液に界面活性剤として適量のチオグリセロールを用いることで、発光ピーク波長が470ナノメートル付近のナノ粒子が
得られることを報告している。しかし、その発光効率は10%程度と低いものであった。
Furthermore, Non-Patent Document 5 reports that nanoparticles having an emission peak wavelength of around 470 nanometers can be obtained by using an appropriate amount of thioglycerol as a surfactant in an aqueous solution of zinc selenide nanoparticles. However, the luminous efficiency was as low as about 10%.
ところで、作製した半導体ナノ粒子は、その水溶液乃至水分散体のままでは不安定であ
り、工業的応用には不向きである。このため、作製後の半導体ナノ粒子を高い発光効率のまま固体マトリックスに、特にガラスに保持、安定化することができればその技術的意義は大きい。
本発明は、上記した如き従来技術の現状に鑑みてなされものであり、その主な目的は、水溶液中で高い発光効率を有する青色発光半導体ナノ粒子及びその製造方法を提供することにある。また、該青色発光半導体ナノ粒子をガラスマトリックスに保持してなる高い発光効率を有する蛍光体及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the current state of the prior art as described above, and its main object is to provide blue light emitting semiconductor nanoparticles having high luminous efficiency in an aqueous solution and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a phosphor having a high luminous efficiency obtained by holding the blue light emitting semiconductor nanoparticles in a glass matrix and a method for producing the same.
本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を行い、以下の知見を得た。 The inventor conducted intensive studies to achieve the above-described object, and obtained the following knowledge.
第1の知見は次のようなものである。セレン化亜鉛ナノ粒子の水溶液を作製した後、界面活性剤の量とpHを制御した条件でセレン化亜鉛ナノ粒子に紫外光を照射して粒子を成長させる後処理を行うことにより、人間の目に青色に感じる波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを有し水中で高い発光効率を有する青色発光半導体ナノ粒子が得られることを見出した。 The first finding is as follows. After preparing an aqueous solution of zinc selenide nanoparticles, the post-treatment to grow the particles by irradiating the zinc selenide nanoparticles with ultraviolet light under the condition of controlling the amount and pH of the surfactant, the human eye It was found that blue light-emitting semiconductor nanoparticles having a light emission peak in the wavelength range of 400 to 500 nanometers that feels blue and having high light emission efficiency in water can be obtained.
第2の知見は、紫外光を照射する前のセレン化亜鉛ナノ粒子の内部に、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素、及び/又は、セレンよりも原子量の大きなVI族元素を添加しておくことにより、得られるII-VI族半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動すること
を見出した。半導体ナノ粒子は、全体としてセレン化亜鉛よりも原子量の大きな元素から構成された状態になる。図1に示すように、一般に、II-VI族半導体においては、構成元
素の原子量が大きくなるほど、半導体のバンドギャップが狭くなる関係が知られており、この関係のためバンドギャップが狭くなり、その結果、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動したと考えられる。
The second finding is that a group II element having a larger atomic weight than zinc and / or a group VI element having a larger atomic weight than selenium are added to the inside of the zinc selenide nanoparticles before irradiation with ultraviolet light. As a result, the inventors have found that the emission peak wavelength of the obtained II-VI group semiconductor nanoparticles shifts to a long wavelength. The semiconductor nanoparticles as a whole are composed of elements having a larger atomic weight than zinc selenide. As shown in FIG. 1, generally, in II-VI group semiconductors, it is known that the larger the atomic weight of a constituent element, the narrower the band gap of the semiconductor. As a result, it is considered that the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles has shifted to a long wavelength.
第3の知見は、上記の紫外光照射を行う際に用いる水溶液中に、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素、及び/又は、セレンよりも原子量の大きなVI族元素を添加することにより、得られるII-VI族半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動することを見出した
。このような条件で紫外光照射を行うと、同じく図1で示した関係により半導体ナノ粒子の表面が、原子量の大きな元素の化合物で被覆されることとなり、その結果、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動したと考えられる。
The third finding is obtained by adding a group II element having a larger atomic weight than zinc and / or a group VI element having a larger atomic weight than selenium to the aqueous solution used when the ultraviolet light irradiation is performed. We found that the emission peak wavelength of II-VI group semiconductor nanoparticles shifts to longer wavelengths. When ultraviolet light irradiation is performed under such conditions, the surface of the semiconductor nanoparticles is coated with a compound of an element having a large atomic weight according to the relationship shown in FIG. 1, and as a result, the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles. Is considered to have moved to a longer wavelength.
第4は、上記第3と第4の知見を組み合わせた場合、すなわち、予め原子量の大きな元素を添加して合成したセレン化亜鉛を主成分とするナノ粒子を、原子量の大きな元素を含む水溶液中において紫外光照射を行う場合には、得られるII-VI族半導体ナノ粒子の発光
ピーク波長がより長波長に移動することを見出した。これは、半導体ナノ粒子の内部と表面の両方に、原子量の大きな元素が添加された状態となり、そのような相乗効果の結果、半導体ナノ粒子のバンドギャップが一層狭くなり、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長がより長波長に移動したと考えられる。
Fourth, when the above third and fourth findings are combined, that is, nanoparticles having zinc selenide as a main component synthesized in advance by adding an element having a large atomic weight in an aqueous solution containing the element having a large atomic weight. It was found that the emission peak wavelength of the obtained II-VI group semiconductor nanoparticles shifts to a longer wavelength when ultraviolet light irradiation is carried out at 1. This is a state where an element having a large atomic weight is added both inside and on the surface of the semiconductor nanoparticle, and as a result of such a synergistic effect, the band gap of the semiconductor nanoparticle becomes narrower, and the emission peak of the semiconductor nanoparticle. It is considered that the wavelength has moved to a longer wavelength.
さらに、上記のようにして得られる青色発光半導体ナノ粒子を、所定の条件でガラスマトリックスに保持することにより、高い発光効率を有する蛍光体が得られることも見出した。かかる知見に基づき、さらに研究を行った結果、本発明を完成するに至った。 Furthermore, it has also been found that a phosphor having high luminous efficiency can be obtained by holding the blue light emitting semiconductor nanoparticles obtained as described above in a glass matrix under predetermined conditions. As a result of further research based on this knowledge, the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、下記の青色発光半導体ナノ粒子、蛍光体及びそれらの製造方法を提供する。 That is, the present invention provides the following blue light emitting semiconductor nanoparticles, phosphors, and methods for producing them.
項1.波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを持ち水中に分散させた状態での発光効率が35%以上である半導体ナノ粒子。
項2.水中に分散させた状態での発光効率が45%以上である項1に記載の半導体ナノ粒子。
項3.半導体ナノ粒子がII-VI族半導体ナノ粒子である項1又は2に記載の半導体ナノ
粒子。
項4.半導体ナノ粒子が硫化カドミウム、セレン化亜鉛、セレン化カドミウム及びテルル化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むII-VI族半導体ナノ粒子である項
3に記載の半導体ナノ粒子。
項5.半導体ナノ粒子がセレン化亜鉛である項3に記載の半導体ナノ粒子。
Item 5.
項6.半導体ナノ粒子が硫化カドミウム、セレン化亜鉛、セレン化カドミウム及びテルル化亜鉛からなる群より選ばれる2種以上を含むII-VI族半導体ナノ粒子である項3に記
載の半導体ナノ粒子。
項7.半導体ナノ粒子が2種以上のII族元素及び/又は2種以上のVI族元素を含むII-VI族半導体ナノ粒子である項3に記載の半導体ナノ粒子。
項8.半導体ナノ粒子が、セレン化亜鉛の他に、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素、及び、セレンよりも原子量の大きなVI族元素からなる群から選ばれた少なくとも1種を含むII-VI族半導体ナノ粒子である項3に記載の半導体ナノ粒子。
項9.半導体ナノ粒子が、セレン化亜鉛の他に、カドミウム及び/又はテルルを含む項3に記載の半導体ナノ粒子。
項10.請求項3に記載のII-VI族半導体ナノ粒子を製造する方法であって、(1)II
族元素を含む水溶性化合物と界面活性剤とを溶解したpH6〜7程度の水溶液中に、不活性雰囲気下においてVI族元素化合物を導入してII-VI族半導体ナノ粒子の分散水溶液を作
製し、(2)その後、該II-VI族半導体ナノ粒子の分散水溶液をpH9.5〜11.5と
してこれに紫外光照射することを特徴とする製造方法。
A group VI element compound is introduced into an aqueous solution having a pH of 6 to 7 in which a water-soluble compound containing a group element and a surfactant are dissolved to produce a dispersed aqueous solution of II-VI semiconductor nanoparticles. (2) Thereafter, the aqueous dispersion of the II-VI group semiconductor nanoparticles is adjusted to pH 9.5 to 11.5, and this is irradiated with ultraviolet light.
項11.前記(1)におけるII族元素を含む水溶性化合物が、II族元素の異なる2種以上の水溶性化合物の混合物である項10に記載の製造方法。
項12.前記(1)におけるVI族元素化合物が、VI族元素の異なる2種以上のVI族元素化合物の混合物である項10又は11に記載の製造方法。
項13.前記(2)における該II-VI族半導体ナノ粒子の分散水溶液に、更にII族元素
及び/又はVI族元素を添加して、その後紫外光照射する項10〜12のいずれかに記載の製造方法。
項14.前記(1)において、II族元素を含む水溶性化合物のII族元素が亜鉛であり、VI族元素化合物のVI族元素がセレンであり、前記(2)において、II-VI族半導体(セレ
ン化亜鉛)ナノ粒子の水溶液に、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素、及び、セレンよりも原子量の大きなVI族元素からなる群から選ばれた少なくとも1種を添加し、その後紫外光照射する項10に記載の製造方法。
Item 14. In the above (1), the II group element of the water-soluble compound containing the II group element is zinc, and the VI group element of the VI group element compound is selenium. In the above (2), the II-VI group semiconductor (selenated) Item 10: At least one selected from the group consisting of a group II element having a larger atomic weight than zinc and a group VI element having a larger atomic weight than selenium is added to the aqueous solution of zinc) nanoparticles, and then irradiated with ultraviolet light The manufacturing method as described in.
項15.前記亜鉛よりも原子量の大きなII族元素がカドミウムである項14に記載の製造方法。 Item 15. Item 15. The method according to Item 14, wherein the Group II element having a larger atomic weight than zinc is cadmium.
項16.前記セレンよりも原子量の大きなVI族元素がテルルである項14に記載の製造方法。 Item 16. Item 15. The method according to Item 14, wherein the Group VI element having a larger atomic weight than selenium is tellurium.
項17.ガラスマトリックス中に、波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを持ち発光効率20%以上の半導体ナノ粒子が分散してなる蛍光体。 Item 17. A phosphor in which semiconductor nanoparticles with a light emission peak in the wavelength range of 400 to 500 nanometers and a light emission efficiency of 20% or more are dispersed in a glass matrix.
項18.発光効率30%以上の半導体ナノ粒子が分散してなる項17に記載の蛍光体。 Item 18. Item 18. The phosphor according to Item 17, wherein semiconductor nanoparticles having a luminous efficiency of 30% or more are dispersed.
項19.オルガノアルコキシシランを用いて作製されてなる項17又は18に記載の蛍光体。 Item 19. Item 19. The phosphor according to Item 17 or 18 produced using organoalkoxysilane.
項20.半導体ナノ粒子がII-VI族半導体ナノ粒子である項17、18又は19に記載
の蛍光体。
項21.半導体ナノ粒子が硫化カドミウム、セレン化亜鉛、セレン化カドミウム及びテルル化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むII-VI族半導体ナノ粒子である
項17、18又は19に記載の蛍光体。
Item 21.
項22.半導体ナノ粒子が2種以上のII族元素及び/又は2種以上のVI族元素を含むII-VI族半導体ナノ粒子である項17、18又は19に記載の蛍光体。
Item 22.
項23.項17に記載の蛍光体の製造方法であって、オルガノアルコキシシランを用いたゾルゲル法により項1〜9のいずれかに記載の半導体ナノ粒子をガラスマトリックス中に分散させることを特徴とする製造方法。
Item 23. Item 18. A method for producing a phosphor according to Item 17, wherein the semiconductor nanoparticles according to any one of
尚、本願明細書における「溶液中の半導体ナノ粒子の発光効率」とは、吸収された光子(フォトン)数(ΦA)に対するフォトルミネッセンスとして発光される光子(フォトン
)数(ΦPL)の割合(ΦPL/ΦA)として定義される。この発光効率は、当該技術分野に
おいて標準的に用いられる値であり、「内部量子収率」と同義である。発光効率は、発光効率が既知の色素分子を用いて、該色素分子溶液と測定対象物における励起光波長での吸光度と発光強度とを比較することにより算出される。測定時には、通常は色素分子溶液と測定対象物の励起波長での吸光度を一致させて比較する。(例えば、既報の方法、ドーソンら、ジャーナル オブ フィジカル ケミストリー、72巻、3251ページ(1968年)を参照)。
As used herein, “emission efficiency of semiconductor nanoparticles in solution” is the ratio of the number of photons (Φ PL ) emitted as photoluminescence to the number of photons (Φ A ) absorbed. It is defined as (Φ PL / Φ A ). This luminous efficiency is a value that is used as standard in this technical field, and is synonymous with “internal quantum yield”. Luminous efficiency is calculated by using a dye molecule having a known luminous efficiency and comparing the absorbance at the excitation light wavelength and the emission intensity in the dye molecule solution and the measurement object. At the time of measurement, comparison is usually made by matching the absorbance at the excitation wavelength of the dye molecule solution and the measurement object. (See, for example, previously reported methods, Dawson et al., Journal of Physical Chemistry, 72, 3251 (1968)).
また、本願明細書において、「蛍光体中の半導体ナノ粒子の発光効率」は、蛍光体中の半導体ナノ粒子に吸収された励起光の光子(フォトン)数(ΦA)に対する蛍光体中の該ナノ粒子からフォトルミネッセンスとして放出される光子(フォトン)数(ΦPL)の割合(ΦA/ΦPL)として定義される。具体的には、吸光度と発光効率とが既知の色素分子溶液を入れたガラスセル、及び同一の厚さを有する測定対象物となるガラスを用意し、該色素分子溶液と測定対象物における吸光度と発光強度とを比較することにより算出される値である。 In the present specification, “the luminous efficiency of the semiconductor nanoparticles in the phosphor” refers to the photon number (Φ A ) of excitation light absorbed by the semiconductor nanoparticles in the phosphor. It is defined as the ratio (Φ A / Φ PL ) of the number of photons (Φ PL ) emitted as photoluminescence from the nanoparticles. Specifically, a glass cell containing a dye molecule solution with known absorbance and luminous efficiency, and a glass serving as a measurement object having the same thickness are prepared, and the absorbance in the dye molecule solution and the measurement object is determined. It is a value calculated by comparing the emission intensity.
以下、本発明を詳述する。
I.半導体ナノ粒子
I−1.界面活性剤の量とpHを制御して光照射して作製した半導体ナノ粒子
本発明の半導体ナノ粒子は、水分散性を有し、励起光照射により青色発光性を示しかつ水溶液中で高い発光効率を示す半導体ナノ粒子である。換言すれば、波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを持ち水中に分散させた状態での発光効率が35%以上(特に45%以上)の半導体ナノ粒子である。
The present invention is described in detail below.
I. Semiconductor nanoparticles
I-1. Semiconductor nanoparticles prepared by controlling the amount of surfactant and pH and irradiating light The semiconductor nanoparticles of the present invention have water dispersibility, show blue luminescence when irradiated with excitation light, and emit light in an aqueous solution. Semiconductor nanoparticles exhibiting efficiency. In other words, it is a semiconductor nanoparticle having a light emission peak in the wavelength range of 400 to 500 nanometers and a light emission efficiency of 35% or more (particularly 45% or more) when dispersed in water.
具体的には、直接遷移を示すII-VI族の化合物半導体であって、青色領域で発光するも
のが挙げられる。例えば、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、セレン化カドミウム、テルル化亜鉛などを例示することができる。好ましくはセレン化亜鉛である。なお、本発明の半導体ナノ粒子は、通常界面活性剤を含む水溶液中で安定化されて存在する。
Specific examples include II-VI group compound semiconductors that exhibit direct transition and emit light in the blue region. For example, cadmium sulfide, zinc selenide, cadmium selenide, zinc telluride and the like can be exemplified. Zinc selenide is preferable. The semiconductor nanoparticles of the present invention are usually present in a stabilized state in an aqueous solution containing a surfactant.
本発明の半導体ナノ粒子は、例えば、次のようにして製造することができる。II族元素を含む水溶性化合物と界面活性剤とを溶解したpH6〜7程度の水溶液中に、不活性雰囲気下においてVI族元素化合物を導入してII-VI族半導体ナノ粒子の水溶液を作製し、その
後、該II-VI族半導体ナノ粒子の水溶液をpH10.5〜12としてこれに紫外光照射す
ることにより、本発明の半導体ナノ粒子を製造することができる。
The semiconductor nanoparticles of the present invention can be produced, for example, as follows. An aqueous solution of II-VI group semiconductor nanoparticles was prepared by introducing a VI group element compound in an aqueous solution having a pH of about 6-7 in which a water-soluble compound containing a group II element and a surfactant were dissolved. Then, the semiconductor nanoparticles of the present invention can be produced by irradiating the aqueous solution of the II-VI group semiconductor nanoparticles with ultraviolet light at pH 10.5 to 12.
II族元素を含む水溶性化合物としては、過塩素酸塩が好ましく、例えば、II族元素が亜鉛である場合には、過塩素酸亜鉛を用いることができる。水溶液中のII族元素を含む水溶性化合物の濃度は、通常、0.001〜0.05モル/リットル程度、さらに0.01〜0.02モル/リットル程度、特に0.012〜0.018モル/リットル程度のとすることが好ましい。 As the water-soluble compound containing a group II element, a perchlorate is preferable. For example, when the group II element is zinc, zinc perchlorate can be used. The concentration of the water-soluble compound containing a group II element in the aqueous solution is usually about 0.001 to 0.05 mol / liter, more preferably about 0.01 to 0.02 mol / liter, particularly 0.012 to 0.018. It is preferably about mol / liter.
VI族元素化合物としては、例えば、VI族元素の水素化物などを用いることができ、VI族元素がセレンである場合には、セレン化水素を用いることができる。セレン化水素は、例えばセレン化アルミニウムと硫酸から製造することができる。その他、セレン化水素を水酸化ナトリウムと反応させて得られるセレン化水素ナトリウムの水溶液として用いることも可能である。VI族元素化合物の使用量は、通常、II族イオン1モルに対して、VI族イオンを0.3〜1.5モル程度、さらに0.4〜0.9モル程度とすることが好ましい。 As the group VI element compound, for example, a hydride of a group VI element can be used, and when the group VI element is selenium, hydrogen selenide can be used. Hydrogen selenide can be produced, for example, from aluminum selenide and sulfuric acid. In addition, it is also possible to use it as an aqueous solution of sodium hydrogen selenide obtained by reacting hydrogen selenide with sodium hydroxide. The amount of the group VI element compound used is usually preferably about 0.3 to 1.5 moles, more preferably about 0.4 to 0.9 moles of group VI ions with respect to 1 mole of group II ions.
界面活性剤としては、疎水基であるチオール基と親水基を有するものが好ましい。親水基としては、カルボキシル基などのアニオン性基、アミノ基などのカチオン性基、水酸基などを例示できるが、特に、カルボキシル基などのアニオン性基が好ましい。この界面活性剤の具体例としては、チオグリコール酸、チオグリセロール、メルカプトエチルアミン等を例示できる。界面活性剤の使用量は、水溶液中に含まれるII族元素1モルに対して、モル比で1〜5モル程度、さらに1.5〜3.5モル程度とすればよい。界面活性剤の使用量が上記範囲を上回ると、得られる超微粒子の発光効率が低下する傾向がある。上記使用量範囲を下回ると、発光効率が低下する。これは、界面活性剤の使用量が少なすぎると、超微粒子が凝集しやすくなるためであると考えられる。 As the surfactant, those having a thiol group which is a hydrophobic group and a hydrophilic group are preferable. Examples of the hydrophilic group include an anionic group such as a carboxyl group, a cationic group such as an amino group, and a hydroxyl group, and an anionic group such as a carboxyl group is particularly preferable. Specific examples of this surfactant include thioglycolic acid, thioglycerol, mercaptoethylamine, and the like. The usage-amount of surfactant should just be about 1-5 mol by mole ratio with respect to 1 mol of group II elements contained in aqueous solution, and also about 1.5-3.5 mol. When the usage-amount of surfactant exceeds the said range, there exists a tendency for the luminous efficiency of the ultrafine particle obtained to fall. If the amount is less than the above range, the light emission efficiency is lowered. This is considered to be because the ultrafine particles tend to aggregate when the amount of the surfactant used is too small.
半導体ナノ粒子の製造に用いる水は高純度の水を用いることが好ましい。特に、比抵抗18MΩ・cm以上、且つ水中の有機系化合物の総量(TOC)が5ppb以下、好ましくは3ppb以下の超純水を用いることがより好適である。この様な高純度の水で反応容器等を十分に洗浄し、更に、反応溶媒としても高純度の水を用いることよって、優れた発光性能を有する半導体超微粒子を得ることが可能となる。 The water used for the production of the semiconductor nanoparticles is preferably high-purity water. In particular, it is more preferable to use ultrapure water having a specific resistance of 18 MΩ · cm or more and a total amount (TOC) of organic compounds in water of 5 ppb or less, preferably 3 ppb or less. By sufficiently washing the reaction vessel and the like with such high-purity water and using high-purity water as the reaction solvent, it is possible to obtain semiconductor ultrafine particles having excellent light-emitting performance.
上記反応は、通常、不活性雰囲気下において、II族元素を含む水溶性化合物及び界面活性剤を溶解した水溶液中に、気体状のVI族元素化合物をバブリングさせるか、気体状のVI族化合物を水酸化ナトリウム溶液と反応させて水溶液とした後、注射器等でII族元素を含む水溶性化合物及び界面活性剤を溶解した水溶液中に注入することよって行うことができる。 The above reaction is usually carried out by bubbling a gaseous group VI element compound in an aqueous solution in which a water-soluble compound containing a group II element and a surfactant are dissolved in an inert atmosphere, or by adding a gaseous group VI compound. The reaction can be carried out by reacting with a sodium hydroxide solution to make an aqueous solution and then injecting it into an aqueous solution in which a water-soluble compound containing a group II element and a surfactant are dissolved with a syringe or the like.
不活性雰囲気としては、反応に関与しない気体の雰囲気であればよく、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気を好適に利用できる。 The inert atmosphere may be a gas atmosphere that does not participate in the reaction. For example, an inert gas atmosphere such as argon gas, nitrogen gas, and helium gas can be suitably used.
上記反応は、通常、室温(例えば、10〜30℃程度)において行うことができる。水溶液のpHは6〜7程度、特に6.2〜6.8程度であることが好ましい。反応は、通常、VI族化合物を導入後、10分程度以内に終了する。 The above reaction can usually be performed at room temperature (for example, about 10 to 30 ° C.). The pH of the aqueous solution is preferably about 6 to 7, and particularly preferably about 6.2 to 6.8. The reaction is usually completed within about 10 minutes after introducing the group VI compound.
その後、大気中で還流することにより、所望のサイズの半導体ナノ粒子分散水溶液を得る。該分散水溶液中の該ナノ粒子の濃度は反応条件によって適宜選択されるが、通常、5×10-6モル/リットルから1×10-4モル/リットルであり、典型的には1×10-5モル/リッ
トルから5×10-5モル/リットル程度、特に3×10-5モル/リットル程度である。
Then, the semiconductor nanoparticle dispersion aqueous solution of desired size is obtained by recirculating | refluxing in air | atmosphere. The concentration of the nanoparticles in the dispersion solution but is appropriately selected depending on the reaction conditions, generally from 1 × 10 -4 mol / liter from 5 × 10 -6 mol / l, typically 1 × 10 - From 5 mol / liter to about 5 × 10 −5 mol / liter, in particular, about 3 × 10 −5 mol / liter.
製造される半導体ナノ粒子の粒径は、通常、2〜5 nm程度である。還流時間を長くする
と、粒径を大きくすることができる。単色で発光するナノ粒子を得るためには、還流時間を一定に制御し、その粒径分布の分散の標準偏差が、粒径の平均値に対して20%以下、好ましくは15%以下となる様に調整すればよい。
The particle size of the manufactured semiconductor nanoparticles is usually about 2 to 5 nm. Increasing the reflux time can increase the particle size. In order to obtain nanoparticles emitting in a single color, the reflux time is controlled to be constant, and the standard deviation of the dispersion of the particle size distribution is 20% or less, preferably 15% or less with respect to the average value of the particle size. You just have to make adjustments.
この様にして得られる半導体ナノ粒子の分散水溶液には、通常、原料として用いたII族元素のイオン、界面活性剤、1ナノメートルを下回る微細なクラスターなどが含まれる。この半導体ナノ粒子の分散水溶液を、後述する紫外光照射に供される。なお、この分散水溶液中の半導体ナノ粒子の発光効率は、0〜0.1%程度と非常に低いものである。 The aqueous dispersion of semiconductor nanoparticles obtained in this manner usually contains Group II element ions, surfactants, fine clusters of less than 1 nanometer, etc. used as raw materials. This dispersed aqueous solution of semiconductor nanoparticles is subjected to ultraviolet light irradiation described later. Note that the luminous efficiency of the semiconductor nanoparticles in this dispersed aqueous solution is as low as about 0 to 0.1%.
或いは、還流後の該分散水溶液に含まれるナノ粒子を、粒子径のそろったナノ粒子毎に分離した後、これをII族イオン及び界面活性剤を含む水溶液中に再分散させて後述する紫外光照射に供することできる。この場合、還流後の半導体ナノ粒子の分散水溶液をそのまま紫外光照射に供するよりも、発光効率の高いナノ粒子を選びだせるため好適である。 Alternatively, after the nanoparticles contained in the dispersed aqueous solution after reflux are separated into nanoparticles having a uniform particle size, the nanoparticles are redispersed in an aqueous solution containing a group II ion and a surfactant, and ultraviolet light described later. Can be used for irradiation. In this case, it is preferable to select nanoparticles with high luminous efficiency rather than subjecting the aqueous dispersion of semiconductor nanoparticles after refluxing to ultraviolet light irradiation as it is.
例えば、ナノ粒子の粒径が大きくなるほど溶解度が低くなることを利用して、該ナノ粒子の分散水溶液にイソプロパノールなどの貧溶媒を添加することで、サイズ別にナノ粒子を沈殿させ、これを遠心分離器にかけて分離精製する。精製したナノ粒子を水に再分散させて水溶液とする。該分散水溶液はそのままでもある程度は安定であるが、該分散水溶液に、さらにII族元素を含む水溶性化合物、及び界面活性剤を添加することによって、分散水溶液の安定性を向上させて、凝集を防ぐことができる。II族元素化合物の種類、該化合物の濃度、界面活性剤の量、分散水溶液のpH等は、上述したII-VI族半導体超微粒子を
作製するために用いる水溶液と同様の範囲に調製すればよい。
For example, using the fact that the solubility decreases as the particle size of the nanoparticles increases, by adding a poor solvent such as isopropanol to the aqueous dispersion of the nanoparticles, the nanoparticles are precipitated according to size and centrifuged. Separation and purification in a vessel. The purified nanoparticles are redispersed in water to form an aqueous solution. The dispersion aqueous solution is stable to some extent as it is, but by adding a water-soluble compound containing a group II element and a surfactant to the dispersion aqueous solution, the stability of the dispersion aqueous solution can be improved and aggregation can be achieved. Can be prevented. The type of the group II element compound, the concentration of the compound, the amount of the surfactant, the pH of the aqueous dispersion, etc. may be adjusted in the same range as the aqueous solution used for preparing the above-mentioned II-VI semiconductor ultrafine particles. .
具体的には、II-VI族半導体ナノ粒子(5×10-6〜1.5×10-4モル/リットル程度、好ま
しくは1×10-5〜1.2×10-4モル/リットル程度、より好ましくは2×10-5〜6×10-5モル/リットル程度)、II-VI族半導体ナノ粒子の原料であるII族元素イオン(0.04〜0.
3モル/リットル程度、好ましくは0.06〜0.15モル/リットル程度)及び界面活性剤(水溶液中に含まれるII族元素イオン1モルに対し1.5〜3.5モル程度、好ましくは2.2〜2.8モル程度)を含む水溶液が好適である。
Specifically, II-VI group semiconductor nanoparticles (about 5 × 10 −6 to 1.5 × 10 −4 mol / liter, preferably about 1 × 10 −5 to 1.2 × 10 −4 mol / liter, more preferably 2 × 10 −5 to 6 × 10 −5 mol / liter), a group II element ion (0.04 to 0.
About 3 mol / liter, preferably about 0.06 to 0.15 mol / liter) and surfactant (about 1.5 to 3.5 mol, preferably 1 mol of group II element ions contained in the aqueous solution, An aqueous solution containing about 2.2 to 2.8 moles) is preferred.
特に、II-VI族半導体ナノ粒子が、セレン化亜鉛ナノ粒子の場合、II族元素を含む水溶
性化合物として過塩素酸亜鉛を、界面活性剤としてチオグリコール酸を用いるのが好ましい。
In particular, when the II-VI group semiconductor nanoparticles are zinc selenide nanoparticles, it is preferable to use zinc perchlorate as a water-soluble compound containing a group II element and thioglycolic acid as a surfactant.
以上の方法で得られる半導体ナノ粒子は、水分散性が良好であってほぼ単分散している。この分散水溶液中の半導体ナノ粒子の発光効率は、依然として0〜0.1%程度と非常に低いものである。 The semiconductor nanoparticles obtained by the above method have good water dispersibility and are almost monodispersed. The luminous efficiency of the semiconductor nanoparticles in this dispersed aqueous solution is still very low, about 0 to 0.1%.
続いて、上記で得られたII-VI族半導体ナノ粒子の水溶液をpH9.5〜11.5とし
てこれに紫外光照射することにより、本発明の半導体ナノ粒子を製造する。
Subsequently, the aqueous solution of the II-VI group semiconductor nanoparticles obtained above is adjusted to pH 9.5 to 11.5 and irradiated with ultraviolet light to produce the semiconductor nanoparticles of the present invention.
II-VI族半導体ナノ粒子の水溶液は、上記したように還流後の半導体ナノ粒子の水溶液
、これから半導体ナノ粒子を分離精製した後にII族イオン及び界面活性剤を含む水溶液中に再分散した水溶液のいずれを用いてもよい。好ましくは、該半導体ナノ粒子を再分散した水溶液である。該水溶液中には、II-VI族半導体ナノ粒子(5×10-6〜1.5×10-4モル/
リットル程度、好ましくは1×10-5〜1.2×10-4モル/リットル程度、より好ましくは2×10-5〜6×10-5モル/リットル程度)、II族元素イオン(0.04〜0.3モル/リットル程度、好ましくは0.06〜0.15モル/リットル程度)及び界面活性剤(水溶液中に含まれるII族元素イオン1モルに対し1.5〜3.5モル程度、好ましくは2.2〜2.8モル程度)を含んでいる。
The aqueous solution of group II-VI semiconductor nanoparticles is an aqueous solution of semiconductor nanoparticles after reflux, as described above, and an aqueous solution re-dispersed in an aqueous solution containing group II ions and a surfactant after separation and purification of the semiconductor nanoparticles. Any of them may be used. Preferably, it is an aqueous solution in which the semiconductor nanoparticles are redispersed. The aqueous solution contains II-VI semiconductor nanoparticles (5 × 10 −6 to 1.5 × 10 −4 mol /
About 1 liter, preferably about 1 × 10 −5 to 1.2 × 10 −4 mol / liter, more preferably about 2 × 10 −5 to 6 × 10 −5 mol / liter), group II element ions (0.04 to About 0.3 mol / liter, preferably about 0.06 to 0.15 mol / liter) and surfactant (about 1.5 to 3.5 mol with respect to 1 mol of group II element ions contained in the aqueous solution) Preferably about 2.2 to 2.8 mol).
特に、紫外光照射に先立ち、該水溶液のpHを9.5〜11.5程度(好ましくは、10.5〜11.4程度、より好ましくは10.7〜11.3)のアルカリ性にすることが重要である。水溶液のpHがかかる範囲であれば、紫外光照射により好適に半導体ナノ粒子のサイズが成長するため、発光ピークの波長が400ナノメートル以上となり可視領域の光が増加するとともに、一定時間紫外光を照射したときの発光強度及び発光効率も大きくなる。これに対し、pHがこの範囲より小さいと、発光ピークの波長が400ナノメートル未満となり可視領域の光が少なくなるとともに、一定時間紫外光を照射したときの発光強度も著しく小さくなり、発光効率も低下する。また、pHがこの範囲より大きいと、ナノ粒子の表面に新たな欠陥が生じて発光効率が低下してしまう。具体的には、実施例1の試験例1の図3及び図4を見れば容易に理解できる。 In particular, prior to the irradiation with ultraviolet light, the pH of the aqueous solution should be about 9.5 to 11.5 (preferably about 10.5 to 11.4, more preferably 10.7 to 11.3). is important. If the pH of the aqueous solution is within this range, the size of the semiconductor nanoparticles is suitably grown by irradiation with ultraviolet light. The luminous intensity and luminous efficiency when irradiated are also increased. On the other hand, if the pH is smaller than this range, the wavelength of the emission peak is less than 400 nanometers, the light in the visible region is reduced, the emission intensity when irradiated with ultraviolet light for a certain period of time is significantly reduced, and the luminous efficiency descend. On the other hand, if the pH is larger than this range, a new defect is generated on the surface of the nanoparticle and the luminous efficiency is lowered. Specifically, it can be easily understood by looking at FIGS. 3 and 4 of Test Example 1 of Example 1. FIG.
II-VI族半導体ナノ粒子の水溶液をアルカリ性にする方法は、例えば、水酸化ナトリウ
ム、水酸化カリウム等を加えて上記の範囲のpHになるように調製すればよい。
A method for making the aqueous solution of II-VI group semiconductor nanoparticles alkaline may be prepared, for example, by adding sodium hydroxide, potassium hydroxide or the like so as to have a pH in the above range.
上記の半導体ナノ粒子の水溶液への紫外光の照射は、通常300〜380ナノメートル程度(好ましくは365ナノメートル程度)の波長の光を、30〜200分程度(好ましくは50〜180分
程度)照射するのが好ましい。この様な適切な波長の光を半導体ナノ粒子の水溶液に照射することにより、高い発光効率及び発光強度が達成される。これは、紫外光照射により、界面活性剤によるナノ粒子表面欠陥の修復が促進されるためであると考えられる。また、照射時間を30〜200分程度とするのは、短かすぎると発光効率及び発光強度が上昇せず、
長すぎるとナノ粒子の凝集により沈殿が生じてしまうため好ましくないためである。
Irradiation of the above-mentioned aqueous solution of semiconductor nanoparticles with ultraviolet light usually uses light having a wavelength of about 300 to 380 nanometers (preferably about 365 nanometers) for about 30 to 200 minutes (preferably about 50 to 180 minutes). Irradiation is preferred. By irradiating the aqueous solution of semiconductor nanoparticles with light having such an appropriate wavelength, high luminous efficiency and luminous intensity are achieved. This is considered to be because the repair of the nanoparticle surface defects by the surfactant is promoted by irradiation with ultraviolet light. Moreover, if the irradiation time is about 30 to 200 minutes, if it is too short, the light emission efficiency and light emission intensity will not increase,
This is because if the length is too long, precipitation occurs due to aggregation of the nanoparticles, which is not preferable.
また、照射光強度は、50〜1000mW/cm2程度(好ましくは200〜300mW/cm2程
度)であることが好ましい。この様に光照射を比較的強めにすることにより、ナノ粒子表面欠陥の修復を促進してナノ粒子の凝集を防ぐことができると考えられる。
The irradiation intensity is preferably 50~1000mW / cm 2 about (preferably 200~300mW / cm 2 or so). Thus, it is considered that by relatively strengthening the light irradiation, the repair of the nanoparticle surface defects can be promoted to prevent the aggregation of the nanoparticles.
なお、励起光源としては、キセノンランプ、高圧水銀灯、紫外LED等が例示されるが、
好ましくは高圧水銀灯である。特に、高圧水銀灯からの紫外光で365 nm のみの光を選択
的に照射するのが好適である。
Examples of the excitation light source include a xenon lamp, a high-pressure mercury lamp, and an ultraviolet LED.
A high-pressure mercury lamp is preferable. In particular, it is preferable to selectively irradiate light of only 365 nm with ultraviolet light from a high-pressure mercury lamp.
かかる条件で紫外光照射することにより、波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを有し発光効率が35%以上、更に40%以上、特に40〜55%である半導体ナノ粒子の水溶液が得られる。また、半導体ナノ粒子の直径は、通常、2〜5ナノメートル程度となる。特に、セレン化亜鉛のナノ粒子の場合、かかる効果が顕著に現れる。 By irradiating with ultraviolet light under such conditions, an aqueous solution of semiconductor nanoparticles having a light emission peak in the wavelength range of 400 to 500 nanometers and a light emission efficiency of 35% or more, further 40% or more, particularly 40 to 55% is obtained. It is done. Moreover, the diameter of the semiconductor nanoparticles is usually about 2 to 5 nanometers. In particular, in the case of nanoparticles of zinc selenide, such an effect is remarkable.
また、半導体ナノ粒子の水溶液の光照射時に加熱することで、半導体ナノ粒子の発光波長を長波長側に移動させることも可能である。例えば、半導体ナノ粒子の水溶液の温度(23℃)を40℃に上げて光照射すると、発光波長は430ナノメートル付近にまでシフトする
。これは、加熱により半導体ナノ粒子表面のチオグリコール酸の分解が促進され、ナノ粒子の成長が早まったためと解釈される。従って、半導体ナノ粒子の水溶液への光照射時の温度は、15〜90℃程度、特に20〜80℃程度から好適に選択できる。
Moreover, it is also possible to move the emission wavelength of the semiconductor nanoparticles to the longer wavelength side by heating at the time of light irradiation of the aqueous solution of the semiconductor nanoparticles. For example, when the temperature of an aqueous solution of semiconductor nanoparticles (23 ° C.) is increased to 40 ° C. and light irradiation is performed, the emission wavelength is shifted to around 430 nanometers. This is interpreted as the heating promoted the decomposition of thioglycolic acid on the surface of the semiconductor nanoparticles and accelerated the growth of the nanoparticles. Therefore, the temperature at the time of light irradiation to the aqueous solution of semiconductor nanoparticles can be suitably selected from about 15 to 90 ° C., particularly from about 20 to 80 ° C.
なお、本発明の半導体ナノ粒子は、該ナノ粒子に希土類や遷移金属イオンをドープしなくても上記の様な発光特性を有する点で、従来にはない顕著な作用効果を奏するものである。一般に、希土類や遷移金属イオンをドープした半導体ナノ粒子においては、ドープされた希土類や遷移金属イオンからの発光が観察され、発光の減衰時間がミリ秒からマイクロ秒の範囲で非常に緩慢である。これに対し、本発明のドープしていない半導体ナノ粒子の場合は、その発光の減衰時間は、典型的には10ナノ秒程度と非常に迅速である点で、ドープした半導体ナノ粒子とは大きく違っている。本発明の半導体ナノ粒子では、減衰時間が短く、励起光の増加とともに飽和することなく輝度が上昇するのである。
I−2.2種以上のII族元素及び/又は2種以上のVI族元素を含むII-VI族半導体ナノ粒
子
本発明のII-VI族半導体ナノ粒子は、2種以上のII族元素及び/又は2種以上のVI族元
素をその内部に含んでいても良い。該II-VI族半導体ナノ粒子を構成するII-VI族半導体としては、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、セレン化カドミウム及びテルル化亜鉛からなる群より選ばれる2種以上が挙げられる。このII-VI族半導体ナノ粒子では、単一組成のII-VI族半導体ナノ粒子に比べて、発光ピーク波長が変動する。
In addition, the semiconductor nanoparticles of the present invention exhibit remarkable operational effects that are not heretofore present in that they have the above-mentioned light emission characteristics without doping the nanoparticles with rare earths or transition metal ions. In general, in semiconductor nanoparticles doped with rare earth or transition metal ions, light emission from doped rare earth or transition metal ions is observed, and the decay time of light emission is very slow in the range of milliseconds to microseconds. On the other hand, in the case of the undoped semiconductor nanoparticles of the present invention, the emission decay time is typically as fast as about 10 nanoseconds. different. In the semiconductor nanoparticles of the present invention, the decay time is short, and the luminance increases without saturation as the excitation light increases.
I-2.2 Group II-VI semiconductor nanoparticles containing two or more Group II elements and / or two or more Group VI elements
Child Group II-VI semiconductor nanoparticles of the present invention, two or more Group II elements and / or two or more Group VI element may contain therein. Examples of the II-VI group semiconductor constituting the II-VI group semiconductor nanoparticles include two or more selected from the group consisting of cadmium sulfide, zinc selenide, cadmium selenide and zinc telluride. In the II-VI group semiconductor nanoparticles, the emission peak wavelength varies as compared with the single-group II-VI group semiconductor nanoparticles.
このII-VI族半導体ナノ粒子は、前記のI−1節において記載した半導体ナノ粒子の合
成の工程において、II族元素を含む水溶性化合物として、II族元素の異なる2種以上の水溶性化合物の混合物を用いて、及び/又は、VI族元素化合物として、VI族元素の異なる2種以上のVI族元素化合物の混合物を用いて作製される。
This II-VI group semiconductor nanoparticle is a water-soluble compound containing a group II element in the step of synthesizing the semiconductor nanoparticles described in section I-1 above. And / or as a group VI element compound, a mixture of two or more group VI element compounds having different group VI elements is used.
セレン化亜鉛を主成分とするII-VI族半導体ナノ粒子の例を挙げて、以下具体的に説明
する。
An example of II-VI group semiconductor nanoparticles mainly composed of zinc selenide will be described below in detail.
例えば、セレン化亜鉛とセレン化カドミウムを含むII-VI族半導体ナノ粒子では、セレ
ン化亜鉛ナノ粒子よりも蛍光ピーク波長が長波長側にシフトし、また、セレン化亜鉛とテルル化亜鉛を含むII-VI族半導体ナノ粒子では、セレン化亜鉛ナノ粒子よりも発光ピーク
波長が長波長側にシフトする。つまり、ナノ粒子を構成する元素の原子量が大きくなるため、半導体のバンドギャップが狭くなり、発光ピーク波長が長波長に移動する。
For example, in II-VI group semiconductor nanoparticles containing zinc selenide and cadmium selenide, the fluorescence peak wavelength shifts to a longer wavelength side than zinc selenide nanoparticles, and also includes II containing zinc selenide and zinc telluride. In the -VI group semiconductor nanoparticles, the emission peak wavelength shifts to the longer wavelength side than the zinc selenide nanoparticles. That is, since the atomic weight of the elements constituting the nanoparticles is increased, the band gap of the semiconductor is narrowed, and the emission peak wavelength shifts to a long wavelength.
かかるII-VI族半導体ナノ粒子は、紫外光を照射する前の半導体ナノ粒子として、セレ
ン化亜鉛を用い、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素(例えば、カドミウム)、及び/又は、セレンよりも原子量の大きなVI族元素(例えば、テルル)を添加して作製することができる。
Such II-VI group semiconductor nanoparticles use zinc selenide as semiconductor nanoparticles before irradiation with ultraviolet light, and have a group II element (for example, cadmium) having a larger atomic weight than zinc and / or than selenium. It can be prepared by adding a group VI element having a large atomic weight (for example, tellurium).
亜鉛よりも原子量の大きなII族元素を含む半導体ナノ粒子を合成するには、前記のI−1節において記載した半導体ナノ粒子の合成の工程において、例えば、過塩素酸亜鉛に加えて、過塩素酸カドミウムを混入させたものを用いればよい。ナノ粒子の発光ピーク波長を長波長に移動させるためには、[カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量])で表されるカドミウムの添加率(モル%)を、0.3〜50%、好ましくは5〜25%程度とすればよい。これをセレン化水素と反応させて得られる半導体ナノ粒子は、セレン化亜鉛にセレン化カドミウムが混入したものとなる。 In order to synthesize semiconductor nanoparticles containing a group II element having a larger atomic weight than zinc, in the step of synthesizing semiconductor nanoparticles described in the above section 1-1, for example, in addition to zinc perchlorate, perchlorine What mixed with cadmium acid may be used. In order to move the emission peak wavelength of the nanoparticles to a long wavelength, the addition rate (mol%) of cadmium represented by [amount of cadmium ion] / ([amount of zinc ion] + [amount of cadmium ion]) is 0.3. ˜50%, preferably about 5-25%. Semiconductor nanoparticles obtained by reacting this with hydrogen selenide are those in which cadmium selenide is mixed in zinc selenide.
続いてこの半導体ナノ粒子を紫外光照射することにより本発明の半導体ナノ粒子を得る。作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長は、セレン化亜鉛ナノ粒子のものよりも長波長に移動し、人間の目に感じる範囲となる。具体的には、実施例4を参照すればよい。 Subsequently, the semiconductor nanoparticles of the present invention are obtained by irradiating the semiconductor nanoparticles with ultraviolet light. The emission peak wavelength of the produced semiconductor nanoparticles moves to a longer wavelength than that of the zinc selenide nanoparticles, and is in the range felt by the human eye. Specifically, Example 4 may be referred to.
また、セレンよりも原子量の大きなVI族元素を含む半導体ナノ粒子を合成するには、前記のI−1節において記載した半導体ナノ粒子の合成の工程において、例えば、セレン化水素ガスに加えて、テルル化水素ガスを混入させたものを用いればよい。[テルルイオン量]/([セレンイオン量]+[テルルイオン量])で表されるテルルの添加率(モル%)を、0.3〜70%、好ましくは25〜60%程度とすればよい。これにより、セレン化亜鉛の中
にテルル化亜鉛が混入した半導体ナノ粒子が作製される。
In addition, in order to synthesize semiconductor nanoparticles containing a Group VI element having a larger atomic weight than selenium, in the process of synthesizing semiconductor nanoparticles described in Section I-1, for example, in addition to hydrogen selenide gas, What mixed hydrogen telluride gas may be used. The tellurium addition ratio (mol%) represented by [tellurium ion amount] / ([selenium ion amount] + [tellurium ion amount]) may be 0.3 to 70%, preferably about 25 to 60%. Thereby, semiconductor nanoparticles in which zinc telluride is mixed in zinc selenide are produced.
続いてこの半導体ナノ粒子を紫外光照射することにより本発明の半導体ナノ粒子を得る。この場合も、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長は、セレン化亜鉛ナノ粒子のものよりも長波長に移動し、人間の目に感じる範囲となる。
I−3.II族元素及び/又はVI族元素を含む被膜(シェル)で覆われたII-VI族半導体ナ
ノ粒子
前記のI−1節及びI−2節において得られるII-VI族半導体ナノ粒子を、II族元素及
び/又はVI族元素並びに界面活性剤を含む水溶液中で、紫外光照射することにより、II-VI族半導体ナノ粒子(コア)がII族元素及び/又はVI族元素を含む被膜(シェル)で覆わ
れた、コアシェルタイプのII-VI族半導体ナノ粒子を作製することができる。被膜(シェ
ル)を形成するII族元素又はVI族元素は、芯(コア)のII-VI族半導体ナノ粒子を構成す
るII族元素又はVI族元素と、同一であっても異なっていても良い。
Subsequently, the semiconductor nanoparticles of the present invention are obtained by irradiating the semiconductor nanoparticles with ultraviolet light. Also in this case, the emission peak wavelength of the produced semiconductor nanoparticles moves to a longer wavelength than that of the zinc selenide nanoparticles, and is in the range felt by the human eye.
I-3. Group II-VI semiconductors covered with a coating (shell) containing Group II and / or Group VI elements
By irradiating the II-VI group semiconductor nanoparticles obtained in Sections I-1 and I-2 with ultraviolet light in an aqueous solution containing a Group II element and / or a Group VI element and a surfactant. Core-shell type II-VI group semiconductor nanoparticles in which II-VI group semiconductor nanoparticles (core) are covered with a coating (shell) containing a group II element and / or a group VI element can be produced. The group II element or group VI element forming the coating (shell) may be the same as or different from the group II element or group VI element constituting the core II-VI semiconductor nanoparticles. .
セレン化亜鉛ナノ粒子の表面が硫化亜鉛及び硫化カドミウムで被覆されたナノ粒子の例を挙げて、以下具体的に説明する。 This will be described in detail below by giving examples of nanoparticles in which the surface of zinc selenide nanoparticles is coated with zinc sulfide and cadmium sulfide.
紫外光照射を行う前のII-VI族半導体ナノ粒子として、セレン化亜鉛ナノ粒子を用いる
。このナノ粒子を沈殿させて分離し、それを硫黄を含む界面活性剤であるチオグリコール酸、亜鉛イオン、および、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素(例えば、カドミウム)、及び/又は、セレンよりも原子量の大きなVI族元素(例えば、テルル)を含む水溶液に再分散させて紫外光照射すると、半導体ナノ粒子の表面が原子量の大きな元素の硫化物等で被覆される。この半導体ナノ粒子は、全体としてセレン化亜鉛よりも原子量の大きな元素で被覆された状態になり、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動する。
Zinc selenide nanoparticles are used as group II-VI semiconductor nanoparticles before ultraviolet light irradiation. This nanoparticle is precipitated and separated, from the surfactant containing sulfur, thioglycolic acid, zinc ions, and Group II elements having a higher atomic weight than zinc (eg, cadmium) and / or selenium Further, when redispersed in an aqueous solution containing a group VI element having a large atomic weight (for example, tellurium) and irradiating with ultraviolet light, the surface of the semiconductor nanoparticles is covered with a sulfide of the element having a large atomic weight. The semiconductor nanoparticles are covered with an element having an atomic weight larger than that of zinc selenide as a whole, and the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles moves to a longer wavelength.
例えば、紫外光照射を行う水溶液中に、チオグリコール酸、亜鉛イオンに加えて、カドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として0.1〜10モル%程度添加しておくと、紫外光照射により、コアとなる半導体ナノ粒子の表面が、硫化亜鉛と硫化カドミウムの混合物からな
る層で被覆された半導体ナノ粒子が得られる。そのような原子量の大きなカドミウム化合物の層で被覆されることにより、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動する。具体的には、実施例6を参照すればよい。
I−4.内部に2種以上のII族元素及び/又は2種以上のVI族元素を含むコアに、II族元素及び/又はVI族元素を含む被膜(シェル)を有する半導体ナノ粒子
前記I−2節に従って、予め2種以上のII族元素及び/又は2種以上のVI族元素をその内部に含む半導体ナノ粒子を製造し、後処理工程として、II族元素及び/又はVI族元素を含む水溶液中で紫外光照射を行うと、コアシェルタイプのII-VI族半導体ナノ粒子が製造
される。
For example, in addition to thioglycolic acid and zinc ions, cadmium ions are added to the aqueous solution that is irradiated with ultraviolet light (addition rate of cadmium ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])) When about 0.1 to 10 mol% is added, semiconductor nanoparticles in which the surface of the core semiconductor nanoparticles is coated with a layer made of a mixture of zinc sulfide and cadmium sulfide can be obtained by irradiation with ultraviolet light. . By covering with a layer of such a cadmium compound having a large atomic weight, the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles moves to a long wavelength. Specifically, Example 6 may be referred to.
I-4. Semiconductor nanoparticles having a coating (shell) containing a group II element and / or a group VI element in a core containing two or more group II elements and / or two or more group VI elements therein Manufacturing semiconductor nanoparticles previously containing two or more Group II elements and / or two or more Group VI elements in an aqueous solution containing Group II elements and / or Group VI elements as a post-treatment step. When irradiated with ultraviolet light, core-shell type II-VI semiconductor nanoparticles are produced.
例えば、主としてセレン化亜鉛を含み他にセレン化カドミウム又はテルル化亜鉛を含むコアと、その表面に硫化亜鉛及び硫化カドミウムからなる被膜を有するII-VI属半導体ナ
ノ粒子の例を挙げて、以下説明する。
For example, examples of II-VI group semiconductor nanoparticles having a core mainly containing zinc selenide and additionally containing cadmium selenide or zinc telluride and a coating made of zinc sulfide and cadmium sulfide on the surface thereof will be described below. To do.
この場合、ナノ粒子の内部と表面の両方に、セレン化亜鉛に比べて原子量の大きな元素が含まれる。そのような相乗効果の結果、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が、前記I−2節やI−3節で得られるII-VI属半導体ナノ粒子より一層長波長に移動する。 In this case, an element having an atomic weight larger than that of zinc selenide is contained both inside and on the surface of the nanoparticle. As a result of such a synergistic effect, the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles moves to a longer wavelength than the II-VI group semiconductor nanoparticles obtained in Sections I-2 and I-3.
例えば、前記のI−1節において記載した半導体ナノ粒子の合成の工程において、過塩素酸亜鉛に加えて、過塩素酸カドミウムを混入させたものを用いて、セレン化亜鉛の中にセレン化カドミウムが混入した半導体ナノ粒子を作製する。このナノ粒子を沈殿させて分離し、それを硫黄を含む界面活性剤であるチオグリコール酸と亜鉛イオンとカドミウムイオンを含む水溶液に再分散させて紫外光照射すると、セレン化亜鉛の中にセレン化カドミウムが混入した半導体ナノ粒子(コア)の表面が、硫化亜鉛と硫化カドミウムの混合物からなる層で被覆された半導体ナノ粒子が得られる。 For example, in the step of synthesizing the semiconductor nanoparticles described in the above section I-1, using cadmium perchlorate mixed with cadmium perchlorate in addition to zinc perchlorate, cadmium selenide is used. Semiconductor nanoparticles mixed with are produced. This nanoparticle is precipitated and separated, and it is redispersed in an aqueous solution containing a surfactant containing sulfur, thioglycolic acid, zinc ions and cadmium ions, and irradiated with ultraviolet light to selenize in zinc selenide. Semiconductor nanoparticles in which the surfaces of semiconductor nanoparticles (core) mixed with cadmium are coated with a layer made of a mixture of zinc sulfide and cadmium sulfide are obtained.
例えば、VI族元素化合物としてセレン化水素ガスに加えてテルル化水素ガスを、混入させたものを用いて、セレン化亜鉛の中にテルル化亜鉛が混入した半導体ナノ粒子を作製する。このナノ粒子を沈殿させて分離し、それを硫黄を含む界面活性剤であるチオグリコール酸、亜鉛イオン及びカドミウムイオンを含む水溶液に再分散させて紫外光照射すると、セレン化亜鉛の中にテルル化亜鉛が混入した半導体ナノ粒子(コア)の表面が、硫化亜鉛と硫化カドミウムの混合物からなる層で被覆された半導体ナノ粒子が得られる。 For example, semiconductor nanoparticles in which zinc telluride is mixed in zinc selenide are produced using a mixture of hydrogen telluride gas in addition to hydrogen selenide gas as a group VI element compound. When the nanoparticles are precipitated and separated, they are redispersed in an aqueous solution containing a surfactant containing sulfur, thioglycolic acid, zinc ions and cadmium ions, and irradiated with ultraviolet light to tellurize into zinc selenide. Semiconductor nanoparticles in which the surface of semiconductor nanoparticles (core) mixed with zinc is coated with a layer made of a mixture of zinc sulfide and cadmium sulfide are obtained.
コア及びシェルに添加する、テルルの添加率及びカドミウムの添加率は、前記I−2節及びI−3節と同様にすればよい。 What is necessary is just to make the addition rate of tellurium and the addition rate of cadmium which are added to a core and a shell the same as the said clause I-2 and I-3.
これらの半導体ナノ粒子は、全体としてセレン化亜鉛よりも原子量の大きな元素が内部と被覆の両方に含まれた状態になり、半導体ナノ粒子の発光ピーク波長が長波長に移動する。具体的には、実施例7〜9を参照すればよい。
II.蛍光体
本発明の蛍光体は、ガラスマトリックス中に、波長400〜500ナノメートルの範囲に発光ピークを持ち発光効率20%以上(特に30%以上)の蛍光性ナノ粒子が分散してなる。この蛍光体は、オルガノアルコキシシランを用いたゾルゲル法により、上記の半導体ナノ粒子をガラスマトリックス中に分散させたものである。
These semiconductor nanoparticles are in a state in which an element having an atomic weight larger than that of zinc selenide as a whole is contained in both the inside and the coating, and the emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles moves to a longer wavelength. Specifically, Examples 7 to 9 may be referred to.
II. Phosphor The phosphor of the present invention is formed by dispersing fluorescent nanoparticles having a light emission peak in a wavelength range of 400 to 500 nanometers and a light emission efficiency of 20% or more (particularly 30% or more) in a glass matrix. This phosphor is obtained by dispersing the semiconductor nanoparticles in a glass matrix by a sol-gel method using organoalkoxysilane.
本発明の蛍光体は、例えば次のようにして製造することができる。 The phosphor of the present invention can be produced, for example, as follows.
オルガノアルコキシシランを含むゾル溶液中に、界面活性剤を含む半導体ナノ粒子の水溶液を添加して混合し、加水分解及び縮重合反応によってゲル化させて蛍光体が製造される。 A phosphor is produced by adding and mixing an aqueous solution of semiconductor nanoparticles containing a surfactant into a sol solution containing an organoalkoxysilane, followed by hydrolysis and polycondensation.
本発明の蛍光体の製法で用いられる界面活性剤を含む半導体ナノ粒子の水溶液としては、上記の「I.半導体ナノ粒子」の項で製造される水溶液をそのまま用いることができる。中でも、精製したナノ粒子をII族イオン及び界面活性剤を含む水溶液中に再分散させた水溶液に、紫外光照射処理したものを用いることが好ましい。 As the aqueous solution of the semiconductor nanoparticles containing the surfactant used in the method for producing the phosphor of the present invention, the aqueous solution produced in the above-mentioned section “I. Semiconductor nanoparticles” can be used as it is. Among them, it is preferable to use a solution in which purified nanoparticles are redispersed in an aqueous solution containing a group II ion and a surfactant and subjected to ultraviolet light irradiation treatment.
この水溶液における半導体ナノ粒子の濃度は、例えば、5×10-6〜1.5×10-4モル/リットル程度、好ましくは1×10-5〜1.2×10-4モル/リットル程度であり、II族元素イオンの濃度は、例えば、0.04〜0.3モル/リットル程度、好ましくは0.06〜0.15モル/リットル程度、及び界面活性剤の濃度は、例えば、水溶液中に含まれるII族元素イオン1モルに対し1.5〜3.5モル程度、好ましくは2.2〜2.8モル程度である。また、該水溶液のpHは、通常9.5〜11.5程度、好適には10.5〜11.4程度である。 The concentration of the semiconductor nanoparticles in this aqueous solution is, for example, about 5 × 10 −6 to 1.5 × 10 −4 mol / liter, preferably about 1 × 10 −5 to 1.2 × 10 −4 mol / liter. The concentration of elemental ions is, for example, about 0.04 to 0.3 mol / liter, preferably about 0.06 to 0.15 mol / liter, and the concentration of the surfactant is, for example, II contained in an aqueous solution. About 1.5 to 3.5 mol, preferably about 2.2 to 2.8 mol, per mol of group element ion. The pH of the aqueous solution is usually about 9.5 to 11.5, preferably about 10.5 to 11.4.
本発明の蛍光体の製法で用いられるオルガノアルコキシシランとは、ケイ素を含む骨格構造をもち、そのケイ素が有する4つの結合手のうち少なくとも1つが炭素原子と結合している化合物であり、一般式(I):
SiXn(OR)4−n (I)
(式中、n=1,2又は3、Rはアルキル基、Xはアミノアルキル基、メルカプトアルキル基、ハロアルキル基又はフェニル基を示す)
で表される化合物である。
The organoalkoxysilane used in the method for producing the phosphor of the present invention is a compound having a skeleton structure containing silicon, in which at least one of the four bonds of silicon has a carbon atom, (I):
SiX n (OR) 4-n (I)
(Wherein n = 1, 2 or 3, R represents an alkyl group, X represents an aminoalkyl group, a mercaptoalkyl group, a haloalkyl group or a phenyl group)
It is a compound represented by these.
nは1又は2が好ましく、特にnは1が好ましい。 n is preferably 1 or 2, and n is particularly preferably 1.
Rで示されるアルキル基としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル等の炭素数1〜4のアルキル基が例示される。好ましくは、メチル、エチルである。 Examples of the alkyl group represented by R include C1-C4 alkyl groups such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl and n-butyl. Preferred are methyl and ethyl.
Xで示されるアミノアルキル基としては、例えば、NH2CmH2m−(mは1〜6の整数)で示される基が挙げられ、特に直鎖のH2N(CH2)m−(mが2〜4の整数)で示される基が好ましい。mは2〜4が好ましく、特に3が好ましい。 The amino alkyl group represented by X, for example, NH 2 C m H 2m - (m is an integer of 1 to 6) include groups represented by, in particular a linear H 2 N (CH 2) m - ( A group represented by m is an integer of 2 to 4 is preferred. m is preferably from 2 to 4, particularly preferably 3.
Xで示されるメルカプトアルキル基としては、例えば、HSCqH2q−(qは1〜10の整数)で示される基が挙げられ、特に直鎖のHS(CH2)q−(qが2〜4の整数)で示される基が好ましい。qは2〜4が好ましく、特に3が好ましい。 Examples of the mercaptoalkyl group represented by X include a group represented by HSC q H 2q- (q is an integer of 1 to 10), and in particular, a linear HS (CH 2 ) q- (q is 2 to 2 ). Group represented by an integer of 4). q is preferably from 2 to 4, particularly preferably 3.
Xで示されるハロアルキル基としては、YCrH2r−(rは1〜10の整数、Yはハロゲン原子)で示される基が挙げられ、特に直鎖のY(CH2)r−(qが2〜4の整数、Yはフッ素原子、塩素原子又は臭素原子)で示される基が好ましい。qは2〜4が好ましく、特に3が好ましい。Yは塩素原子が好ましい。 Examples of the haloalkyl group represented by X include a group represented by YC r H 2r — (wherein r is an integer of 1 to 10, Y is a halogen atom), and in particular, linear Y (CH 2 ) r — (q is An integer of 2 to 4, Y is preferably a fluorine atom, a chlorine atom or a bromine atom). q is preferably from 2 to 4, particularly preferably 3. Y is preferably a chlorine atom.
具体的には、3−アミノプロピルトリメトキシシラン(APS)、メルカプトプロピルトリ
メトキシシラン(MPS)、クロロプロピルトリメトキシシラン等が好ましいものとして例
示される。
Specifically, 3-aminopropyltrimethoxysilane (APS), mercaptopropyltrimethoxysilane (MPS), chloropropyltrimethoxysilane and the like are preferable examples.
上記の一般式(I)で示されるオルガノアルコキシシランのうち、官能基としてアミノアルキル基を有するトリアルコキシシランを用いることが好ましい。なかでも、H2N(CH2)m−(mが2〜4の整数)で示される基を有するトリアルコキシシランが好ましく、とりわけAPSが好ましい。この場合には、半導体ナノ粒子の表面に吸着した界面活性
剤のカルボキシル基と、該アミノ基の親和性が良いために、ナノ粒子の分散性を高くする
ことができるからである。
Of the organoalkoxysilanes represented by the general formula (I), trialkoxysilane having an aminoalkyl group as a functional group is preferably used. Of these, trialkoxysilane having a group represented by H 2 N (CH 2 ) m — (m is an integer of 2 to 4) is preferable, and APS is particularly preferable. In this case, the dispersibility of the nanoparticles can be increased because the affinity between the carboxyl group of the surfactant adsorbed on the surface of the semiconductor nanoparticles and the amino group is good.
これらのオルガノアルコキシシランでは、アルコキシ基の加水分解、縮重合という通常のゾル‐ゲル反応によってガラス網目構造((−O−Si−)p:p>1)を形成する一方で、上記一般式(I)のXで示される官能基が半導体ナノ粒子表面に結合した界面活性剤と結合を作り安定化するものと考えられる。 In these organoalkoxysilanes, a glass network structure ((—O—Si—) p : p> 1) is formed by a normal sol-gel reaction such as hydrolysis and condensation polymerization of alkoxy groups, while the above general formula ( It is considered that the functional group represented by X in I) forms a bond with the surfactant bonded to the surface of the semiconductor nanoparticle and stabilizes it.
オルガノアルコキシシランは、通常のゾルゲル法で用いる形態、即ちオルガノアルコキシシランを含むゾル溶液の形態で使用される。その一例を挙げると、上記オルガノアルコキシシラン;エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール化合物;及び水(例えば、それぞれ1:1〜60:1〜20程度のモル比)に、塩酸、酢酸、硝酸、アンモニア等の触媒を少量加えてゾル溶液を調製する。但し、オルガノアルコキシシランがAPS等のアミノ基を含むオルガノアルコキシシランの場合には、触媒を加えなくて
も反応が進む。該ゾル溶液に、上記した半導体ナノ粒子の分散水溶液を添加し、室温〜100℃程度で加水分解、縮重合反応を生じさせることによってガラスマトリックスを形成することができる。
The organoalkoxysilane is used in the form used in the usual sol-gel method, that is, in the form of a sol solution containing the organoalkoxysilane. For example, the above-mentioned organoalkoxysilane; alcohol compounds such as ethanol, methanol, propanol, butanol; and water (for example, molar ratio of about 1: 1 to 60: 1 to 20 respectively), hydrochloric acid, acetic acid, nitric acid Then, a small amount of a catalyst such as ammonia is added to prepare a sol solution. However, when the organoalkoxysilane is an organoalkoxysilane containing an amino group such as APS, the reaction proceeds without adding a catalyst. A glass matrix can be formed by adding the above-mentioned aqueous dispersion of semiconductor nanoparticles to the sol solution and causing hydrolysis and polycondensation reaction at room temperature to about 100 ° C.
更に、ゾル溶液中に塩酸1-エチル−3−(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド(WSC)等の水溶性カルボジイミドを添加することも有用である。該カルボジイミドは、アミンとカルボキシル基とを脱水縮合させる働きを有し、これを用いることによってナノ粒子の表面の界面活性剤とガラスマトリックスとを化学結合させて分散性をより一層向上させることができる。カルボジイミドの使用量は、精製後のナノ粒子を水に再分散させた水溶液に加えた界面活性剤中のカルボキシル基のモル数に対し、0.5〜8倍程度のモル数が好ましく、さらに2〜4倍程度がより好ましい。 Furthermore, it is also useful to add a water-soluble carbodiimide such as 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (WSC) to the sol solution. The carbodiimide has a function of dehydrating and condensing an amine and a carboxyl group, and by using this, the surfactant on the surface of the nanoparticles and the glass matrix can be chemically bonded to further improve dispersibility. . The amount of carbodiimide used is preferably about 0.5 to 8 times the number of moles of carboxyl groups in the surfactant added to the aqueous solution in which the purified nanoparticles are re-dispersed in water. About 4 times is more preferable.
更に、該半導体ナノ粒子の分散性を向上させるために、該ゾル溶液に必要に応じて界面活性剤を10−5〜10−3モル/リットル程度の濃度となるように添加してもよい。該
ゾル溶液のpHを9〜10程度に調整して、室温程度で反応を行うことによって、ガラス中に半導体ナノ粒子を固定化することができる。界面活性剤としては、チオグリセロール、チオグリコール酸、メルカプトエチルアミン等のチオール基と親水性基の両方を有する界面活性剤を用いることが好ましい。
Furthermore, in order to improve the dispersibility of the semiconductor nanoparticles, a surfactant may be added to the sol solution so as to have a concentration of about 10 −5 to 10 −3 mol / liter. The semiconductor nanoparticles can be immobilized in the glass by adjusting the pH of the sol solution to about 9 to 10 and performing the reaction at about room temperature. As the surfactant, it is preferable to use a surfactant having both a thiol group and a hydrophilic group, such as thioglycerol, thioglycolic acid, and mercaptoethylamine.
該ゾル溶液への半導体ナノ粒子の水溶液の添加量は、製造される蛍光体におけるガラスマトリックス中の半導体ナノ粒子の濃度が2×10−6〜2×10−4モル/リットル程度、好ましくは1×10−5〜2×10−4モル/リットル程度となるように調製するのが好く、この範囲にすると高い輝度を示す蛍光体を得ることができる。 The amount of the semiconductor nanoparticle aqueous solution added to the sol solution is such that the concentration of the semiconductor nanoparticles in the glass matrix in the produced phosphor is about 2 × 10 −6 to 2 × 10 −4 mol / liter, preferably 1 It is preferable to prepare so that it may become about * 10 < -5 > -2 * 10 < -4 > mol / liter, and if it is this range, the fluorescent substance which shows a high brightness | luminance can be obtained.
ここで、ガラスマトリックス中の半導体ナノ粒子の濃度は、非特許文献2(ラジら、ジャーナル オブ フィジカルケミストリー、97巻、11999ページ、1993年)にあるように、吸収スペクトル(吸光度)を測ることで、ほぼ正確に見積もることができる。即ち、半導体ナノ粒子の吸光係数 ε は、例えば、セレン化亜鉛ナノ粒子の場合、文献(シムら、ジャーナル オブ ケミカル フィジクス、111巻、6955ページ、1999年)にあるように、およそ1×105リットル/モル・センチメートルであるので、
吸光度Aと厚みL(単位センチメートル)がわかれば、濃度c(単位モル/リットル)は
、c=A/(L×ε)により容易に求められる。
Here, the concentration of the semiconductor nanoparticles in the glass matrix is determined by measuring the absorption spectrum (absorbance) as described in Non-Patent Document 2 (Radi et al., Journal of Physical Chemistry, Vol. 97, 11999, 1993). Can be estimated almost accurately. That is, for example, in the case of zinc selenide nanoparticles, the extinction coefficient ε of the semiconductor nanoparticles is approximately 1 × 10 5 as described in the literature (Shim et al., Journal of Chemical Physics, 111, 6955, 1999). Because it is liter / mole centimeter
If the absorbance A and the thickness L (unit centimeter) are known, the concentration c (unit mol / liter) can be easily obtained by c = A / (L × ε).
上記した溶液には、更に、ガラスマトリックスの結晶性を上げることや半導体ナノ粒子の分散性を上げること、硬度を上げること、劣化をさらに少なくすることなどを目的として、他のアルコキシド、例えば、テトラアルコキシシラン(テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン等)、テトラアルコキシチタン(チタン
テトライソプロポキシド等)、トリアルコキシアルミニウム(アルミニウムイソプロポキシド等)等を加えることができる。該アルコキシドを加える場合、その添加量は、オルガノアルコキシシラン1モルに対して、0.05〜3モル程度であればよい。
In the above solution, for the purpose of increasing the crystallinity of the glass matrix, increasing the dispersibility of the semiconductor nanoparticles, increasing the hardness, and further reducing the deterioration, other alkoxides such as tetra Alkoxysilane (tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane and the like), tetraalkoxytitanium (titanium tetraisopropoxide and the like), trialkoxyaluminum (aluminum isopropoxide and the like) and the like can be added. When adding this alkoxide, the addition amount should just be about 0.05-3 mol with respect to 1 mol of organoalkoxysilane.
以上の方法によって本発明の蛍光体を製造できる。該蛍光体は、使用目的に応じた任意の形状に成形して用いることができる。例えば、ゾルゲル法における半導体ナノ粒子が分散されたゾル状反応液を、スピンコート法、ディップコート法などによって基板等に塗布して、膜厚100ミクロン程度以下の蛍光体薄膜とすることも可能である。この様な蛍光体薄膜は、例えば、ミラーやレンズ上に設置して色調を調整するために用いることができる。 The phosphor of the present invention can be produced by the above method. The phosphor can be used after being molded into an arbitrary shape according to the purpose of use. For example, a sol-like reaction liquid in which semiconductor nanoparticles in a sol-gel method are dispersed can be applied to a substrate or the like by a spin coating method, a dip coating method, or the like to form a phosphor thin film having a thickness of about 100 microns or less. is there. Such a phosphor thin film can be used, for example, for adjusting the color tone by being installed on a mirror or a lens.
上記した方法によって形成される本発明の蛍光体は、全体としては基本的にガラスの性質を示すものであり、機械的特性、耐熱性、化学的安定性などの諸特性に優れたものである。さらに、該蛍光体に内包された半導体超微粒子は、外部雰囲気から遮断されているため、耐光性に優れ、経時安定性も極めて良好である。
III.蛍光体の用途
以上の方法で得られる蛍光体は、輝度が高く、単一波長の光照射で様々な発色光を示すものであり、従来の蛍光体に替えて以下に示すような発光デバイス(照明装置や表示素子など)の蛍光体として有効に利用できる。
The phosphor of the present invention formed by the above-described method basically exhibits the properties of glass as a whole, and has excellent properties such as mechanical properties, heat resistance, and chemical stability. . Furthermore, since the semiconductor ultrafine particles encapsulated in the phosphor are shielded from the external atmosphere, they have excellent light resistance and very good temporal stability.
III. The phosphor obtained by the method more than the use of the phosphor has high brightness and exhibits various colored light by irradiation with light of a single wavelength. A light emitting device as shown below (instead of the conventional phosphor) ( It can be effectively used as a phosphor for lighting devices and display elements.
照明装置
特に波長365 nm の水銀灯や紫外LEDによる励起にあわせて、適当な粒径の半導体ナノ粒子を組み合わせることで白色照明光が得られる。他に冷陰極蛍光ランプなどのように液晶のバックライトとしての照明、水銀灯を用いるプレゼンテーション用の液晶プロジェクター用の光源などとして利用できる。
White illumination light can be obtained by combining semiconductor nanoparticles with an appropriate particle size in accordance with excitation by an illumination device, particularly a mercury lamp with a wavelength of 365 nm or an ultraviolet LED. In addition, it can be used as an illumination as a liquid crystal backlight such as a cold cathode fluorescent lamp, a light source for a liquid crystal projector for presentation using a mercury lamp, and the like.
表示素子(ディスプレイなど)
平板に微細なパターンとして蛍光体を塗布したものを用いる。RGBの3色の発光を示すナノ粒子を、例えば直径0.1ミリ程度の多数のドットに交互に塗りわけ、紫外光を情報信号
に応じて強度変調して照射することで、所望の表示が得られる。この場合の励起光源については、マトリックスの吸収のない範囲の波長を選択する必要がある。波長320nm未満
では多くの場合マトリックスの吸収が出てくるので、例えば、水銀ランプ、LED、固体レーザーなどの波長320nm〜600nm程度の光源を利用することが好ましい。
Display element (display, etc.)
A flat plate coated with a phosphor as a fine pattern is used. Nano-particles that emit light of three colors of RGB, for example, are applied alternately to a large number of dots with a diameter of about 0.1 mm, and the desired display is obtained by irradiating ultraviolet light with intensity modulation according to the information signal . For the excitation light source in this case, it is necessary to select a wavelength in a range where there is no absorption of the matrix. When the wavelength is less than 320 nm, matrix absorption often occurs. Therefore, it is preferable to use a light source having a wavelength of about 320 nm to 600 nm, such as a mercury lamp, LED, or solid laser.
特に、強い励起光を照射した場合には、蛍光体の温度が上昇して劣化が早まる。劣化の活性化エネルギーとしては、およそ300meVという値となる。このため、長持ちさせるには、出来るだけ使用温度が低いほど望ましく、出来る限り50℃以下、出来れば40℃以下が望ましい。そのためには励起光源の配置を工夫し、冷却装置、熱放散材料を備えていることが好ましい。冷却装置としては、例えば強力な冷却ファン、冷却水等が、熱放散材料としては金属やセラミックスが挙げられる。 In particular, when intense excitation light is irradiated, the temperature of the phosphor rises and the deterioration is accelerated. The activation energy for deterioration is about 300 meV. For this reason, in order to make it last longer, it is desirable that the operating temperature is as low as possible. For that purpose, it is preferable to devise the arrangement of the excitation light source and to include a cooling device and a heat dissipation material. Examples of the cooling device include a powerful cooling fan and cooling water, and examples of the heat dissipation material include metals and ceramics.
他の用途
本発明により作製される蛍光体は、透明性が高くて均一であるために、例えば、太陽電池の変換効率上昇のためにも用いることが出来る。現行の太陽電池は、アモルファスシリコンや単一結晶シリコンを用いたものが主流である。この際、紫外領域には感度がなく、また、保護に使われている樹脂膜の吸収によってエネルギーが失われることもある。このため、太陽光の受光面前面にこのナノ粒子分散ガラス薄膜を設けることで、効率よく紫外線を可視光に変換してより変換効率を上げることが出来る。
Other uses Since the phosphor produced according to the present invention is highly transparent and uniform, it can be used, for example, for increasing the conversion efficiency of solar cells. Current solar cells mainly use amorphous silicon or single crystal silicon. At this time, there is no sensitivity in the ultraviolet region, and energy may be lost due to absorption of the resin film used for protection. For this reason, by providing this nanoparticle-dispersed glass thin film in front of the sunlight receiving surface, it is possible to efficiently convert ultraviolet rays into visible light and further increase the conversion efficiency.
本発明の半導体ナノ粒子は、水溶液中における励起光照射により青色領域の光を高い発光効率かつ高い発光強度で発するものである。また、本発明の半導体ナノ粒子をガラスマトリックスに保持してなる蛍光体は、高い発光効率を有しており、高輝度の表示装置や照明装置などの光デバイスの素子として用いられる。また、本発明の蛍光体は、経時安定性にも優れている。 The semiconductor nanoparticles of the present invention emit blue region light with high luminous efficiency and high luminous intensity by excitation light irradiation in an aqueous solution. Moreover, the phosphor formed by holding the semiconductor nanoparticles of the present invention in a glass matrix has high luminous efficiency and is used as an element of an optical device such as a high-luminance display device or illumination device. Moreover, the phosphor of the present invention is excellent in stability over time.
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1
2.61ミリモルの過塩素酸亜鉛の6水和物を純水200ミリリットルに溶解し、これに界面
活性剤として6.33ミリモルのチオグリコール酸を加えた。このとき、亜鉛濃度は0.013モ
ル/リットルであった。この水溶液を、水酸化ナトリウム溶液でpH6.5に調整した。この溶液をアルゴンガスで脱気した後、セレン化アルミニウムに硫酸を入れることで発生させたセレン化水素ガスを、激しく攪拌しながらこの水溶液に導入した。さらに、100℃近く
で還流することでセレン化亜鉛ナノ粒子を成長させた。この段階では、発光は非常に弱かった。
Example 1
2.61 mmol of zinc perchlorate hexahydrate was dissolved in 200 ml of pure water, and 6.33 mmol of thioglycolic acid as a surfactant was added thereto. At this time, the zinc concentration was 0.013 mol / liter. This aqueous solution was adjusted to pH 6.5 with sodium hydroxide solution. This solution was degassed with argon gas, and then hydrogen selenide gas generated by adding sulfuric acid to aluminum selenide was introduced into this aqueous solution with vigorous stirring. Furthermore, zinc selenide nanoparticles were grown by refluxing near 100 ° C. At this stage, the luminescence was very weak.
続いて、この溶液4ミリリットルに、貧溶媒である2−プロパノールを加えてセレン化亜鉛ナノ粒子を沈殿させ、遠心分離してセレン化亜鉛ナノ粒子を取り出した。 Subsequently, 2-propanol, which is a poor solvent, was added to 4 ml of this solution to precipitate zinc selenide nanoparticles, which were centrifuged to take out the zinc selenide nanoparticles.
さらに、0.065モル/リットルの過塩素酸亜鉛溶液に、チオグリコール酸が0.159モル/リットルとなるように加え、pHを11.23とした。この溶液2ミリリットルに先のセレン化亜鉛ナノ粒子の粉末を加えて分散溶解させて、セレン化亜鉛ナノ粒子の濃度約1×10-5モル
/リットルの水溶液を得た。攪拌しながらこの水溶液に、スポットUV照射装置(SP-7、ウシオ電機製)にBレンズをつけた光ファイバを用いて、波長365ナノメートルの光を50mW/cm2の条件で35分間照射した。
Further, thioglycolic acid was added to a 0.065 mol / liter zinc perchlorate solution so that the pH was 0.159 mol / liter, and the pH was adjusted to 11.23. The zinc selenide nanoparticle powder was added to 2 ml of this solution and dispersed and dissolved to obtain an aqueous solution having a zinc selenide nanoparticle concentration of about 1 × 10 −5 mol / liter. While stirring, this aqueous solution was irradiated for 35 minutes under the condition of 50 mW / cm 2 with light of 365 nm wavelength using an optical fiber with a B lens attached to a spot UV irradiation device (SP-7, manufactured by USHIO). .
紫外線照射前(0分)及び照射時間(10分、20分、35分)毎に蛍光スペクトルを測定し
たところ、図2に示すように、紫外光照射する前(0分)はほとんど発光しなかったナノ
粒子が、照射時間(10分、20分、35分)と共に発光強度が著しく増大し、それと共に発光ピーク波長が410ナノメートル程度まで移動した。照射後の発光効率は45%であった。な
お、照射時の温度は23℃であった。これにより、濃度約1×10-5モル/リットルのセレン
化亜鉛ナノ粒子の分散水溶液を得た。
Fluorescence spectra were measured before UV irradiation (0 minutes) and every irradiation time (10 minutes, 20 minutes, 35 minutes). As shown in Fig. 2, almost no light was emitted before UV irradiation (0 minutes). The emission intensity of the nanoparticles increased significantly with the irradiation time (10 minutes, 20 minutes, 35 minutes), and the emission peak wavelength shifted to about 410 nanometers. The luminous efficiency after irradiation was 45%. The temperature at the time of irradiation was 23 ° C. As a result, a dispersed aqueous solution of zinc selenide nanoparticles having a concentration of about 1 × 10 −5 mol / liter was obtained.
さらに、発光効率を上げるためには、紫外光の照射光強度が強い方が効果的であることも明らかとなった
このように、溶液の成分や照射光の条件を最適化することにより、発光ピーク波長が400ナノメートル以上の可視領域でしかも発光効率の高い半導体ナノ粒子を得ることができ
た。
Furthermore, it became clear that it is more effective to increase the irradiation light intensity of ultraviolet light in order to increase the light emission efficiency. Thus, by optimizing the components of the solution and the conditions of the irradiation light, it is possible to emit light. Semiconductor nanoparticles with a peak wavelength of 400 nanometers or more in the visible region and high luminous efficiency were obtained.
比較例1
実施例1において、セレン化亜鉛ナノ粒子分散水溶液に対し4時間を超えて紫外光照射
したところ、セレン化亜鉛ナノ粒子の沈殿が観測された。
Comparative Example 1
In Example 1, when the zinc selenide nanoparticle-dispersed aqueous solution was irradiated with ultraviolet light for more than 4 hours, precipitation of zinc selenide nanoparticles was observed.
比較例2
実施例1においてセレン化亜鉛ナノ粒子分散水溶液のpHを、該水溶液作製時の6.5の
ままで紫外光照射したところ、セレン化亜鉛ナノ粒子のサイズの成長がほとんど起こらず、発光ピーク波長は400ナノメートル以下であった。
Comparative Example 2
In Example 1, when the zinc selenide nanoparticle-dispersed aqueous solution was irradiated with ultraviolet light while maintaining the pH of 6.5 at the time of preparing the aqueous solution, almost no growth of the size of the zinc selenide nanoparticles occurred, and the emission peak wavelength was 400 nanometers. Was less than a meter.
試験例1
実施例1で得られた水溶液のpHを変化(pH6.52〜12.14)させて紫外光照射(波長365ナノメートル、強度140mW/cm2、30分)した時の、半導体ナノ粒子の発光波長と発光強
度との関係を図3に示す。また、水溶液のpHを変化させて紫外照射した時の、半導体ナノ粒子の発光効率及び発光ピーク波長との関係を図4に示す。
Test example 1
The emission wavelength of the semiconductor nanoparticles when the pH of the aqueous solution obtained in Example 1 was changed (pH 6.52 to 12.14) and irradiated with ultraviolet light (wavelength 365 nm, intensity 140 mW / cm 2 , 30 minutes) The relationship with the emission intensity is shown in FIG. In addition, FIG. 4 shows the relationship between the emission efficiency and emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles when the pH of the aqueous solution is changed and ultraviolet irradiation is performed.
これらの結果から、ナノ粒子分散水溶液のpHをアルカリ領域、特にpH9.5〜11.5にして紫外線照射すると、ナノ粒子の発光強度及び発光効率がともに大きくなり、ナノ粒子が成長して発光ピークが長波長側に移動して可視領域の発光波長が増大することが明らかとなった。これは、従来のpH6付近で紫外光照射して作製されるセレン化亜鉛ナノ粒子では、その発光効率は高々30%程度であったこと(例えば非特許文献4)を考慮すると、顕著な優位性を示している。
From these results, when the nanoparticle-dispersed aqueous solution is irradiated with ultraviolet rays in the alkaline region, particularly pH 9.5 to 11.5, both the emission intensity and the emission efficiency of the nanoparticles increase, and the nanoparticles grow and emit light peaks. It has been clarified that the emission wavelength in the visible region increases by moving to the longer wavelength side. This is a significant advantage in view of the fact that the conventional zinc selenide nanoparticles produced by irradiating with ultraviolet light near
実施例2
実施例1で作製した紫外線照射35分後のセレン化亜鉛ナノ粒子分散水溶液を用いて、ガラス蛍光体を作製した。
Example 2
A glass phosphor was produced using the zinc selenide nanoparticle-dispersed aqueous solution 35 minutes after irradiation with ultraviolet light produced in Example 1.
アミノプロピルトリメトキシシラン(APS)を、モル比で50倍のメタノールで薄め、さ
らに純水を加えて室温で1時間攪拌して加水分解を進行させた。この溶液をさらに12時間放置して粘性が増したもの1ミリリットルに、実施例1で得られたセレン化亜鉛ナノ粒子
分散水溶液1ミリリットル(濃度約1×10-5モル/リットル)を加えた。さらに過塩素酸亜
鉛とチオグリコール酸の濃度がそれぞれ0.0653モル/リットルおよび0.159モル/リットル
となるように加えて、pHを11に調整した。この状態でテフロン(登録商標)シャーレの中に2日間放置することで、青色発光するガラス蛍光体が作製できた。発光効率を測定す
ると22%であった。
Aminopropyltrimethoxysilane (APS) was diluted with methanol at a molar ratio of 50 times, pure water was further added, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour to proceed hydrolysis. This solution was further allowed to stand for 12 hours, and 1 ml of the aqueous solution containing zinc selenide nanoparticles dispersed in Example 1 (concentration: about 1 × 10 −5 mol / liter) was added to 1 ml of the solution whose viscosity increased. Further, the pH was adjusted to 11 by adding zinc perchlorate and thioglycolic acid to 0.0653 mol / liter and 0.159 mol / liter, respectively. In this state, a glass phosphor emitting blue light was produced by leaving it in a Teflon (registered trademark) petri dish for 2 days. The luminous efficiency was measured to be 22%.
実施例3
セレン化亜鉛ナノ粒子分散水溶液の光照射時に加熱することで、半導体ナノ粒子の発光波長をさらに長波長側に移動させることが出来た。すなわち、実施例1において照射時の温度は23℃であったが、これを40℃に上げて光照射すると、発光波長は430ナノメートル
付近にまで移動した。このとき、発光効率は45%からわずかに減少し、40%になった。加熱によりチオグリコール酸の分解が促進され、粒子の成長が早まったためと解釈される。
Example 3
By heating at the time of light irradiation of the zinc selenide nanoparticle dispersion aqueous solution, the emission wavelength of the semiconductor nanoparticles could be moved further to the longer wavelength side. That is, in Example 1, the temperature at the time of irradiation was 23 ° C., but when this was raised to 40 ° C. and irradiated with light, the emission wavelength shifted to around 430 nanometers. At this time, the luminous efficiency decreased slightly from 45% to 40%. It is interpreted that the heating promoted the decomposition of thioglycolic acid and accelerated particle growth.
実施例4
実施例1において、過塩素酸亜鉛に、過塩素酸カドミウムを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として10モル%混入させて、セレン化亜鉛にセレン化カドミウムが混入した半導体ナノ粒子を作製した。作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長は、光照射(波長365ナノメートル、強
度300mW/cm2)後、450ナノメートルの長波長に移動した。このとき、発光効率は47%であった(図5,6)。セレン化カドミウムはセレン化亜鉛よりもバルクのバンドギャップが狭いので、一緒に混ぜるとナノ粒子の発光ピークが長波長側に移動すると考えられる。
Example 4
In Example 1, cadmium perchlorate was mixed into zinc perchlorate as a cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])), Semiconductor nanoparticles in which cadmium selenide was mixed in zinc selenide were prepared. The emission peak wavelength of the produced semiconductor nanoparticles moved to a long wavelength of 450 nanometers after light irradiation (wavelength 365 nanometers,
また、過塩素酸カドミウムの添加率が2モル%及び5モル%の場合には、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長と発光効率は、それぞれ、418ナノメートルと39%、425ナ
ノメートルと49%であった(図5、6)。
In addition, when the addition ratio of cadmium perchlorate is 2 mol% and 5 mol%, the emission peak wavelength and the emission efficiency of the produced semiconductor nanoparticles are 418 nm, 39%, and 425 nm, respectively. It was 49% (FIGS. 5 and 6).
実施例5
実施例1において、セレン化アルミニウムにテルル化アルミニウムを、テルルの添加率([テルルイオン量]/([セレンイオン量]+[テルルイオン量]))として50モル
%混入させてから硫酸を滴下し、セレン化水素ガスにテルル化水素ガスを混入させ、セレン化亜鉛の中にテルル化亜鉛が混入した半導体ナノ粒子を作製した。
Example 5
In Example 1, 50 mol% of aluminum telluride was mixed in aluminum selenide as tellurium addition rate ([tellurium ion amount] / ([selenium ion amount] + [tellurium ion amount])), and sulfuric acid was added dropwise. Hydrogen telluride gas was mixed in hydrogen selenide gas, and semiconductor nanoparticles in which zinc telluride was mixed in zinc selenide were produced.
このナノ粒子を沈殿させて分離し、それをチオグリコール酸と亜鉛イオンを含む水溶液に再分散させて光照射した。このようにして作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長は光照射(波長365ナノメートル、強度300mW/cm2)後、456ナノメートルの長波長に移動
した(図7)。このとき、発光効率は23%であった。この場合も、実施例4と同様に、テルル化亜鉛はセレン化亜鉛よりもバルクのバンドギャップが狭いので、一緒に混ぜるとナノ粒子の発光ピークが長波長側に移動すると考えられる。
The nanoparticles were precipitated and separated, re-dispersed in an aqueous solution containing thioglycolic acid and zinc ions, and irradiated with light. The emission peak wavelength of the semiconductor nanoparticles thus produced shifted to a long wavelength of 456 nanometers after light irradiation (wavelength 365 nanometers,
また、テルル化アルミニウムの添加率([テルルイオン量]/([セレンイオン量]+[テルルイオン量]))が10モル%及び30モル%の場合には、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長と発光効率は、それぞれ、415ナノメートルと35%、430ナノメート
ルと30%であった(図7)。
Further, when the addition ratio of aluminum telluride ([tellurium ion amount] / ([selenium ion amount] + [tellurium ion amount]) is 10 mol% and 30 mol%, the emission peak wavelength of the produced semiconductor nanoparticles The luminous efficiencies were 415 nanometers and 35%, and 430 nanometers and 30%, respectively (Fig. 7).
また、テルル化アルミニウムの混入したセレン化亜鉛ナノ粒子分散水溶液を、実施例3と同様に加熱して光照射することで、半導体ナノ粒子の発光波長をさらに長波長側に移動させることが出来た。 Moreover, the zinc selenide nanoparticle dispersion aqueous solution mixed with aluminum telluride was heated and irradiated with light in the same manner as in Example 3 to move the emission wavelength of the semiconductor nanoparticles further to the longer wavelength side. .
テルル化アルミニウムの添加率([テルルイオン量]/([セレンイオン量]+[テルルイオン量]))が30モル%の場合には、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長と発光効率は、水溶液を80℃に上げて光照射すると、発光波長は450ナノメートル付近に
まで移動した。このとき、発光効率は29%になった。
When the addition rate of aluminum telluride ([tellurium ion content] / ([[selenium ion content] + [tellurium ion content])) is 30 mol%, the emission peak wavelength and luminous efficiency of the produced semiconductor nanoparticles are When the temperature was raised to 80 ° C. and irradiated with light, the emission wavelength shifted to around 450 nanometers. At this time, the luminous efficiency was 29%.
このように、セレン化亜鉛とテルル化亜鉛の混合物からなるナノ粒子は、特に耐熱性に優れており、高温で光照射しても発光効率がほとんど変わらなかった。また、セレン化亜鉛とテルル化亜鉛の混合物からなるナノ粒子は、光照射後、室温から80℃まで繰り返し加熱後に再び室温に戻した場合にも、加熱前に比べて発光波長と発光効率がほとんど変わらなかった。 As described above, nanoparticles composed of a mixture of zinc selenide and zinc telluride are particularly excellent in heat resistance, and their luminous efficiency hardly changed even when irradiated with light at a high temperature. In addition, nanoparticles composed of a mixture of zinc selenide and zinc telluride have almost the same emission wavelength and luminous efficiency when heated to room temperature to 80 ° C after light irradiation and then returned to room temperature again after heating. It didn't change.
実施例6
カドミウムを添加せずに合成したセレン化亜鉛ナノ粒子を沈殿させて分離し、それをチオグリコール酸、亜鉛イオン、カドミウムイオンを含む水溶液に再分散させて光照射した。すなわち、セレン化亜鉛ナノ粒子分散水溶液の紫外光照射を、カドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として2.5モル%添加した水溶液中で行ったところ、発光波長は光照射(波長365
ナノメートル、強度300mW/cm2)後、449ナノメートルにまで移動した。このとき、発光効率は39%であった(図8,9)。
Example 6
Zinc selenide nanoparticles synthesized without adding cadmium were precipitated and separated, and then redispersed in an aqueous solution containing thioglycolic acid, zinc ions, and cadmium ions, and irradiated with light. That is, irradiation with ultraviolet light of a zinc selenide nanoparticle dispersion aqueous solution was added with 2.5 mol% of cadmium ions as cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). When performed in an aqueous solution, the emission wavelength is light irradiation (wavelength 365).
After nanometer, intensity 300mW / cm 2 ), it moved to 449 nanometer. At this time, the luminous efficiency was 39% (FIGS. 8 and 9).
硫化カドミウムを含有する硫化亜鉛シェルがセレン化亜鉛ナノ粒子コアの表面を被覆しているために、ナノ粒子のバンドギャップが狭くなり、発光波長が長波長シフトしたものと解釈される。 Since the zinc sulfide shell containing cadmium sulfide coats the surface of the zinc selenide nanoparticle core, the band gap of the nanoparticle is narrowed, and the emission wavelength is interpreted as a long wavelength shift.
また、カドミウムイオンの添加率が、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として0.7モル%、1.1モル%及び1.7モル%の場合には、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長と発光効率は、それぞれ、425ナノメートルと34%、436ナノメートルと38%、446ナノメートルと41%であった(図8,9)。 The addition rate of cadmium ions is 0.7 mol%, 1.1 mol%, and 1.7 as the addition rate of cadmium ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). In the case of mol%, the emission peak wavelength and emission efficiency of the prepared semiconductor nanoparticles were 425 nanometers and 34%, 436 nanometers and 38%, 446 nanometers and 41%, respectively (FIG. 8). 9).
実施例7
セレン化亜鉛とセレン化カドミウムからなるナノ粒子を沈殿させて分離し、それをチオグリコール酸、亜鉛イオン及びカドミウムイオンを含む水溶液に再分散させて光照射した。すなわち、合成時にカドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として5モル%添加して、セレン化亜鉛とセレン化カドミウムからなるナノ粒子分散水溶液を調製し、該水溶液にカドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として2モル%添加して紫外光照射を行った。発光波長は光照射(波長365ナノメートル、強度300mW/cm2)後、472ナノメートルにまで移動した。このとき、
発光効率は40%であった(図10,11)。
Example 7
Nanoparticles composed of zinc selenide and cadmium selenide were precipitated and separated, re-dispersed in an aqueous solution containing thioglycolic acid, zinc ions and cadmium ions, and irradiated with light. That is, cadmium ions are added at the time of synthesis as cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])), and consists of zinc selenide and cadmium selenide. Prepare a nanoparticle-dispersed aqueous solution and add 2 mol% of cadmium ions to the aqueous solution as cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). Went. The emission wavelength moved to 472 nm after light irradiation (wavelength 365 nm,
The luminous efficiency was 40% (FIGS. 10 and 11).
ナノ粒子内部にカドミウムが含有されていることに加えて、ナノ粒子の外表面が、硫化カドミウムを含有する硫化亜鉛シェルで被覆されているために、ナノ粒子のバンドギャップがさらに狭くなり、発光波長が長波長シフトしたものと解釈される。 In addition to the inclusion of cadmium inside the nanoparticles, the outer surface of the nanoparticles is covered with a zinc sulfide shell containing cadmium sulfide, which further reduces the band gap of the nanoparticles, resulting in an emission wavelength. Is interpreted as a long wavelength shift.
また、光照射時のカドミウムイオンの混入比率が、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として0.5モル%、0.7モル%および1モル%の場合には、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長と発光効率は、それぞれ、452ナノメートルと44%、459ナノメートルと46%、467ナノメートル
と43%であった(図10,11)。
Further, the mixing ratio of cadmium ions at the time of light irradiation is 0.5 mol% and 0.7 mol% as cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). And 1 mol%, the emission peak wavelength and emission efficiency of the prepared semiconductor nanoparticles were 452 nm and 44%, 459 nm and 46%, 467 nm and 43%, respectively ( 10 and 11).
実施例8
実施例7において、セレン化亜鉛とセレン化カドミウムからなるナノ粒子の光照射時にカドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として0.5モル%添加してナノ粒子を作製し。このナノ粒子(発光ピーク波長452ナノメートル、発光効率44%)の分散水溶液を用いて、実施例2と同様の方法によりガラス蛍光体を作製した。
Example 8
In Example 7, the cadmium ions were converted into cadmium ions at the time of light irradiation of the nanoparticles composed of zinc selenide and cadmium selenide ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). Add 0.5 mol% to make nanoparticles. A glass phosphor was produced in the same manner as in Example 2 using a dispersed aqueous solution of these nanoparticles (emission peak wavelength: 452 nm, emission efficiency: 44%).
その結果、テフロン(登録商標)シャーレの中に青色発光するガラス蛍光体が作製できた。このガラスの発光ピーク波長は451ナノメートル、発光効率は31%であった。図12に、ナノ粒子分散水溶液及びナノ粒子分散ガラスの発光スペクトルを示す。 As a result, a glass phosphor emitting blue light in a Teflon (registered trademark) petri dish was produced. The emission peak wavelength of this glass was 451 nanometers, and the emission efficiency was 31%. FIG. 12 shows emission spectra of the nanoparticle-dispersed aqueous solution and the nanoparticle-dispersed glass.
実施例9
セレン化亜鉛とセレン化カドミウムからなるナノ粒子分散水溶液を沈殿させて分離し、それをチオグリコール酸、亜鉛イオン、カドミウムイオンを含む水溶液に再分散させて光照射した。すなわち、合成時にカドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として10モル%添加した
、セレン化亜鉛とセレン化カドミウムからなるナノ粒子分散水溶液の紫外光照射を、カドミウムイオンを、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として2モル%添加した水溶液中で行った。
Example 9
A nanoparticle-dispersed aqueous solution composed of zinc selenide and cadmium selenide was precipitated and separated, then re-dispersed in an aqueous solution containing thioglycolic acid, zinc ions, and cadmium ions, and irradiated with light. In other words, the nanoparticle composed of zinc selenide and cadmium selenide, in which 10 mol% of cadmium ion was added at the time of synthesis as cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). Irradiation of the particle-dispersed aqueous solution with ultraviolet light was performed in an aqueous solution in which cadmium ions were added at 2 mol% as the cadmium addition rate ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])).
その結果、発光波長は光照射(波長365ナノメートル、強度300mW/cm2)後、483ナノメ
ートルにまで移動した。このとき、発光効率は44%であった(図13,14)。実施例7と同様に、ナノ粒子の内部と外表面にカドミウムが含有されているために、ナノ粒子のバンドギャップがさらに狭くなり、発光波長が長波長シフトしたものと解釈される。
As a result, the emission wavelength moved to 483 nanometers after light irradiation (wavelength 365 nanometers,
また、光照射時のカドミウムイオンの添加率が、カドミウムの添加率([カドミウムイオン量]/([亜鉛イオン量]+[カドミウムイオン量]))として0.5モル%、0.7モル%および1モル%の場合には、作製された半導体ナノ粒子の発光ピーク波長と発光効率は、それぞれ、472ナノメートルと37%、475ナノメートルと42%、479ナノメートルと48%であった(図13,14)。 Moreover, the addition rate of cadmium ions at the time of light irradiation is 0.5 mol% and 0.7 mol% as an addition rate of cadmium ([cadmium ion amount] / ([zinc ion amount] + [cadmium ion amount])). And 1 mol%, the emission peak wavelength and emission efficiency of the prepared semiconductor nanoparticles were 472 nanometers and 37%, 475 nanometers and 42%, 479 nanometers and 48%, respectively ( (FIGS. 13 and 14).
Claims (23)
子。 The semiconductor nanoparticle according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor nanoparticle is a II-VI group semiconductor nanoparticle.
に記載の半導体ナノ粒子。 The semiconductor nanoparticles are II-VI group semiconductor nanoparticles containing at least one selected from the group consisting of cadmium sulfide, zinc selenide, cadmium selenide and zinc telluride.
Semiconductor nanoparticles described in 1.
の半導体ナノ粒子。 The semiconductor nanoparticle according to claim 3, wherein the semiconductor nanoparticle is a II-VI group semiconductor nanoparticle comprising two or more selected from the group consisting of cadmium sulfide, zinc selenide, cadmium selenide and zinc telluride.
導体ナノ粒子である請求項3に記載の半導体ナノ粒子。 The semiconductor nanoparticles according to claim 3, wherein the semiconductor nanoparticles are II-VI group semiconductor nanoparticles containing two or more group II elements and / or two or more group VI elements.
含む水溶性化合物と界面活性剤とを溶解したpH6〜7程度の水溶液中に、不活性雰囲気下においてVI族元素化合物を導入してII-VI族半導体ナノ粒子の分散水溶液を作製し、(
2)その後、該II-VI族半導体ナノ粒子の分散水溶液をpH9.5〜11.5としてこれ
に紫外光照射することを特徴とする製造方法。 A method for producing II-VI group semiconductor nanoparticles according to claim 3, wherein (1) a water-soluble compound containing a group II element and a surfactant are dissolved in an aqueous solution having a pH of about 6-7. In an active atmosphere, a group VI element compound was introduced to prepare a dispersed aqueous solution of group II-VI semiconductor nanoparticles.
2) Thereafter, the dispersion aqueous solution of the II-VI group semiconductor nanoparticles is adjusted to pH 9.5 to 11.5 and irradiated with ultraviolet light.
はVI族元素を添加して、その後紫外光照射する請求項10〜12のいずれかに記載の製造方法。 The production according to any one of claims 10 to 12, wherein a group II element and / or a group VI element are further added to the aqueous dispersion of the group II-VI semiconductor nanoparticles in (2), followed by ultraviolet irradiation. Method.
)ナノ粒子の水溶液に、亜鉛よりも原子量の大きなII族元素、及び、セレンよりも原子量
の大きなVI族元素からなる群から選ばれた少なくとも1種を添加し、その後紫外光照射する請求項10に記載の製造方法。 In the above (1), the II group element of the water-soluble compound containing the II group element is zinc, and the VI group element of the VI group element compound is selenium. In the above (2), the II-VI group semiconductor (selenated) Claims: At least one selected from the group consisting of a group II element having a larger atomic weight than zinc and a group VI element having a larger atomic weight than selenium is added to an aqueous solution of zinc) nanoparticles, and then irradiated with ultraviolet light. 10. The production method according to 10.
光体。 The phosphor according to claim 17, 18 or 19, wherein the semiconductor nanoparticles are II-VI group semiconductor nanoparticles.
7、18又は19に記載の蛍光体。 The semiconductor nanoparticles are II-VI group semiconductor nanoparticles containing at least one selected from the group consisting of cadmium sulfide, zinc selenide, cadmium selenide and zinc telluride.
The phosphor according to 7, 18 or 19.
導体ナノ粒子である請求項17、18又は19に記載の蛍光体。 The phosphor according to claim 17, 18 or 19, wherein the semiconductor nanoparticles are II-VI group semiconductor nanoparticles containing two or more group II elements and / or two or more group VI elements.
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