2019年2月14日 コロイダル量子ドット イオンビーム堆積装置 · 1. 量子ドットの凝集を防ぐ 2. エレクトロスプレー時のコーンジェットモードの実現

電気通信大学 情報理工学域 共通教育部特任教授 小林 哲

Satoshi KOBAYASHI

コロイダル量子ドットイオンビーム堆積装置

Liquid Dispersed Colloidal Quantum DotIon Beam Deposition Apparatus

LIQUID

2019年2月14日

コロイダル量子ドットとは？

コアの直径= 2 - 6 [nm]シェルの厚み ～ 数原子層しかし

溶媒に分散されたコロイド溶液

半導体プロセスとの親和性？

ナノサイズの半導体微結晶サイズによって自在に純色の発光

人工的に電子状態制御できる光電子工学材料

コロイダル量子ドットとは？

102 - 103 個の有機分子で被覆されている

有機分子(界面活性剤)が脱離すると・・・

表面準位(消光中心)の活性化

発光が不活性化(劣化)？

従来技術

スピンコートインクジェット、コンタクトプリント

スクリーン印刷、エレクトロスプレー・・・いずれもウェットプロセス

問題点有機分子は残留通常の半導体プロセス(真空)と不整合低い耐熱性・耐光性(界面活性剤の脱離)界面活性剤無しの表面終端は困難

御提案技術の特徴

コロイダル量子ドットから「無機化」量子ドット薄膜形成実現できる

オンリーワン技術

解決した課題有機分子の除去量子ドット構造の保存通常の半導体プロセス(真空)とコンパチ表面終端の実現(発光性能の保持)

御提案技術の特徴

独自のメカニズム

コロイダル量子ドット(CQD)をエレクトロスプレーでイオン化

自由噴流を用いた加速機構全てのイオン種を等速度に加速

量子ドットイオンが基板表面と衝突リガントの脱離／QD同士が表面を終端CQDの発光特性を保持／無機化QD構造薄膜

発表者が発明したコロイダル量子ドットイオンビーム堆積法: LIQUID法

御提案

R&D用途向けプロトタイプ装置の御提供量子ドットデバイスの共同研究開発新規プロセス装置の共同研究開発技術相談

加速用ジェットノズル

速度決定用スキマーノズル

応用例無機EL素子

LIQUID 装置

R&D用途向けプロトタイプ・量子ドットイオン源

エレクトロスプレイヤー

ジェットノズルスキマーノズル

キャピラリーホルダー

排気ポートNW25

ICF152接続フランジ

化学合成される“コロイダル量子ドット”

量子ドット構造薄膜を形成純色の発光活性大面積への成膜耐久性・安定性・有機物による劣化を回避

LIQUID 法が御提供できるもの?

純色の自発光素子(LED, ディスプレー開発)PVデバイス(高効率太陽電池の研究開発)励起子発光を利用した素子(量子もつれ光源の研究)

量子ドット構造薄膜を形成純色の発光活性大面積への成膜耐久性・安定性・有機物による劣化を回避

装置の用途例

11

薄膜の断面TEM 像

堆積膜の蛍光スペクトル

コロイド溶液の蛍光スペクトル

高密度かつ高効率の発光性

同一！

自己形成S-Kモードの量子ドットよりはるかに高密度

残留有機物は極めて低濃度

残留炭素濃度 (SIMS+XPS分析)

LIQUID膜 : C/Cd～2 [原子/原子]スピンコート膜 : C/Cd～55 [原子/原子]

スピンコート膜 LIQUID 堆積膜

1e+0

1e+1

1e+2

1e+3

1e+4

1e+5

0 100 200 300

Depth (nm)In

tensi

ty (counts

/se

c)

SubstrateFilm

Cadmium

Carbon

Cap

1e+0

1e+1

1e+2

1e+3

1e+4

1e+5

0 200 400 600

Depth (nm)

Inte

nsi

ty (

counts

/se

c)

SubstrateFilm

Cadmium

Carbon

新堆積法の概念

化学合成手法コロイダル量子ドット

分散液

エレクトロスプレーイオン化イオンビーム

衝突励起

エネルギー散逸有機分子の脱離

熱非平衡過程での表面終端

配位エネルギー～ 10-1 eV < イオンエネルギー ≪結合エネルギー～ 100 eV

LIQUID手法とは?

イオンエネルギーε=10-1～100 eV/atom

コロイド溶液 (QD+界面活性剤+溶媒)

QD イオンプルーム(クーロン反発)

QD イオンビーム(加速)

QD 堆積膜(界面活性剤脱離 & 脱溶媒和)

エレクトロスプレーイオン化

自由噴流形成

非平衡緩和過程

溶媒

界面活性剤

排気

15

独自の装置設計思想

加速機構拡大図

エレクトロスプレイヤー

ジェットノズルスキマーノズル

イオンビーム

イオン化過程

凡そ 2kV/5mm

還元反応酸化反応

高電圧電源

電子

エレクトロスプレーイオン化

エレクトロスプレーイオン化

ドリフト運動v = 1.7×101 m/s

ε～0.2 eV

ドリフト運動v = 1.7×101 m/s

ε～0.2 eV

電子

分散用溶媒の調製

溶媒への要求特性1. 量子ドットの凝集を防ぐ2. エレクトロスプレー時のコーンジェットモードの実現

双極子モーメント:μ[D] 表面張力:γ[mN/m]トルエン 0.36 27.9ジエチルエーテル 1.14 17.3 アセトン 2.69 23.7 水 1.85 72.8 メタノール 1.70 22.6 アセトニトリル 3.92 19.1 クロロホルム 1.01 27.1

電解質, 添加物塩 → 残留酸／アルカリ→ 凝集、劣化

双極子モーメント μ[D]及び

表面張力 γ[mN/m]凝集と分解を回避して調製

キャピラリーへの印加電圧: V＞1.2 [kV]安定したエレクトロスプレーの発現

CQDのエレクトロスプレーイオン化

コロイダル量子ドット + トルエン + エーテル + 他

V=2×10 (γr ) lnr

4d [V]5

c2

1

c

γ=2.0×10-2 [N/m]

rc = 50 [mm]

d > 4 [mm]

自由噴流による量子ドットイオンの加速

1. ノズル直径: D=0.5[mm]2. 圧力比: p0/p=760/1.53. ノズル間距離: x=3-4 [mm]

自由噴流の速度v = 1.0～1.1×103 [m/s]

v=352.7×Mp

p [m/s],

0

-7

1

M=3.65×D

x-0.82×

D

x5

2-

5

2

x = 3 - 4 [mm] D = 0.5 [mm]

p0 = 760 [Torr]p = 1.5 [Torr]

InP(145.8 amu) / ZnS(97.5 amu)CdSe(191.4 amu) / ZnS(97.5 amu)

m = 50～100 [amu/atom]

ε = 0.3～0.7 [eV/atom]界面活性剤分子の脱離に必要十分

イオンエネルギーの決定

イオンの速度 = 1.0～1.1×103 [m/s]

質量m [amu]あたりの運動エネルギーε = 5.2～6.8×10-3×m [eV]

ブロードなピーク ε～6×103 [eV]M/Z ～ 9×105 [amu/e]

量子ドット数個がクラスターを形成も

1μm

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0E+0 5.0E+5 1.0E+6 1.5E+6

Ion Mass (amu/e)

Ion C

urr

ent

(pA

/cm

2) 5.8 keV

イオンの質量スペクトル例 (d=5.1 nm)

イオンエネルギーの決定

実用化に向けた課題

産業への適用を目指してデバイス工程向けプロトタイプ製作要求特性への適用耐久性の検証効率の検証, etc.

企業様との協業通じて貢献

発明の名称 ：微粒子堆積装置、微粒子堆積方法並びに発光素子の製造方法

“Particle deposition apparatus, particle deposition method, and manufacturing method of light-emitting

device”,

特許番号 ：第4467568号, US Patent 7829154, Chinese Patent 100477134C, Taiwanese Patent I287255, Korean Patent 100912627

出願人 ：HOYA(株)

発明者 ：小林 哲, 谷 由紀

本技術に関する知的財産権

お問い合わせ先

国立大学法人 電気通信大学

産学官連携センター

産学連携コーディネーター 今田 智勝

TEL：０４２－４４３－５８７１

FAX：０４２－４４３－５７２６

E-mail：[email protected]

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