量子ドット

2013-07-16T15:27:11Z

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[[File:Quantum Dots with emission maxima in a 10-nm step are being produced at PlasmaChem in a kg scale.jpg|thumbnail|Quantum Dots with emission maxima in a 10-nm step are being produced in a kg scale at PlasmaChem GmbH]]
'''量子ドット'''（りょうしどっと、''Quantum dot'' (''QD'') 、古くは量子箱）とは、3次元全ての方向から移動方向が制限された[[電子]]の[[状態]]のこと。

== 概要 ==
量子ドットは、半導体などの物質の[[励起子]]が[[三次元空間]]全方位で閉じ込められている。その結果、そのような物質はバルク半導体と離散分子系の中間的な電子物性を持つ<ref>{{cite news
| accessdate=2009-07-07
| url=http://www.columbia.edu/cu/chemistry/fac-bios/brus/group/pdf-files/semi_nano_website_2007.pdf
| author=L.E. Brus|title= Chemistry and Physics of Semiconductor Nanocrystals
| year=2007}}</ref><ref>{{cite news
| url=http://hdl.handle.net/1721.1/11129
| author=D.J. Norris|title=Measurement and Assignment of the Size-Dependent Optical Spectrum in Cadmium Selenide (CdSe) Quantum Dots, PhD thesis, MIT
| year= 1995
| accessdate=2009-07-07}}</ref><ref>{{cite journal
| author=C.B. Murray, C.R. Kagan, M. G. Bawendi
| title=Synthesis and Characterization of Monodisperse Nanocrystals and Close-Packed Nanocrystal Assemblies
| journal=Annual Review of Materials Research
| volume=30 | issue=1 | pages=545–610 | year=2000
| doi=10.1146/annurev.matsci.30.1.545
| bibcode = 2000AnRMS..30..545M }}</ref>。

主に[[半導体]]において、[[結晶成長]]や微細加工により原子の[[ド・ブロイ波長]]に相当する大きさ(数nm～20nm、nmは1x10<sup>-9</sup>m）の粒状の構造を作ると、電子はその領域に閉じこめられ電子の状態密度は[[離散化]]される。閉じ込め方向を1次元にしたものを[[量子井戸]]構造、2次元のものを[[量子細線]]、そして3次元全ての方向から閉じ込めたものを、量子ドットと呼ぶ。InAs系の量子ドットは赤外領域での、CdE（E = S, Se, Te）系の量子ドットは可視光領域での新しい発光材料として、それぞれ期待されている。

量子ドットは1980年頃に[[:en:Alexei Ekimov]]によってガラスマトリックスの中で<ref>{{cite journal
| author=Ekimov, A. I. & Onushchenko, A. A.
| title=Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals
| journal=JETP Lett.
| volume=34 | issue= | pages=345–349 | year=1981
| doi= | bibcode = 1981JETPL..34..345E }}</ref>、そして[[:en:Louis E. Brus]]によってコロイド溶液の中に発見された。量子ドットという名前は1988年に[[:en:Mark Reed (physicist)|Mark Reed]]によって付けられた<ref>{{cite journal
| author=Reed MA, Randall JN, Aggarwal RJ, Matyi RJ, Moore TM, Wetsel AE
| title=Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure
| journal=Phys Rev Lett
| volume=60 | issue=6 | pages=535–537 | year=1988
| pmid=10038575 | doi=10.1103/PhysRevLett.60.535 | bibcode=1988PhRvL..60..535R}} (1988).[http://www.eng.yale.edu/reedlab/publications/26%20QDot%20PRL.pdf]</ref>。

== 物理的性質 ==
状態密度がエネルギーに関して[[デルタ関数]]的に完全に離散化する。すなわち特定のエネルギーに状態が集中するため、低閾値、高ゲイン、熱特性のよいレーザーが理論的には実現可能である。

== 具体的な作製方法 ==
量子ドットを作製する技術は現在も発展途上中であり、様々な方法が模索中である。大きく分けると、出来上がった材料を[[プロセス]]技術を用いて微細加工する方法と、材料の結晶成長時に形成する方法の2通りに分けることが出来る。

代表例として幾つかあげると、
=== プロセスでの作製 ===
* [[電子線リソグラフィー]]を用いた方法

=== 結晶成長での作製 ===
* [[Stranski-Krastanovモード]]（S-Kモード）
* 微細マスクを利用した選択成長
* [[界面活性剤]]を用いた方法

== 応用例・特徴など ==
量子ドットは、その特異な電気的性質により、特に[[単電子トランジスタ]]、[[量子テレポーテーション]]、[[量子ドットレーザー]]、[[太陽電池#量子ドット型|量子ドット太陽電池]]や[[量子コンピュータ]]などへの応用が期待されている。

そのためには大きさのそろった量子ドットを作製する必要があるが、現在のところ有効な手段は知られていない。
InAs量子ドットを活性層に用いた半導体光増幅器は現在主に用いられている量子井戸構造を用いたものよりも周波数特性がよいため、実用化が期待されている。
この応用はドットサイズがそろわずゲイン波長域が広いことがメリットになっている。

量子ドットは、[[蛍光]]色素としてバイオ研究にも使用されている。
この場合、量子ドットは[[ポリマーコーティング]]され水中で使用しやすいように作成されている。
このポリマー材質は、各製造会社によってまちまちであり、使用者には公開されていないのが現状である。
このコーティングされた量子ドットは、2次[[抗体]]やストレプトアビジンなどと共役され蛍光染色用色素として販売されている。
染色に量子ドットを用いる利点は、長時間の励起光照射でもほとんど退色しないことあり、一つの細胞に関して複数の画像スライスを撮るような場合に絶大な効果を発揮する。
さらに励起スペクトルが広範囲に及ぶため、単一励起波長（[[紫外線|UV]]領域など）により発光波長の違う量子ドットを用いて同時に複数の発光を得ることができる。
UVなどの励起光を使用した場合、[[ストークスシフト]] (Stokes'shift)が大きくなるため、バックグラウンドが低く抑えられる。

量子ドットの発光強度も強いため、発光フィルターにおける許容波長を+/-10-20nmに抑えることができ、バックグラウンドを抑えるとともに、同時に使用できるフィルター（色）数を増やすことも可能である。

また、量子ドットは3次元的な量子井戸でもあり、電子が立体的にトラップされ擬似的な原子として振舞う。
特に球対称の量子ドットを作製した場合は、準粒子としての電子・正孔が原子に似た殻構造を示す。

== 参考文献 ==
* R・Turton著、[[川村清]]監訳など『量子ドットへの誘いマイクロエレクトロニクスへの未来へ』1998年、シュプリンガー・フェアラーク東京、ISBN 4-431-70780-8。

== 脚注 ==
{{reflist}}

== 関連項目 ==
* [[量子力学]]
* [[物性物理]]
* [[半導体レーザー]]
* [[太陽電池]]
* [[量子井戸]]
* [[量子細線]]
* [[一分子細胞生物学]]
* [[KISCO]]
* [[荒川泰彦]]
* [[榊裕之]]

== 外部リンク ==
* {{PDFlink|[http://www8.cao.go.jp/cstp/nanoweb/pdf/P12_13.pdf 「小さな箱の大きなパワー！量子ドットが実現する超高速・超低価格・超省エネルギーの世界。」]}} - [[文部科学省]][[科学技術政策研究所]]パンフレット『True nano - 日本のナノテクノロジー・材料分野・・・劇的進化! 変わる未来はすぐそこに』、P14-15、ナノテク・材料が実現する新エネルギーとクリーンで安心な未来社会…材料領域の進化
*[http://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/lumidots.html 量子ドット] - シグマアルドリッチ
*[http://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/lumidots/quantumdot-optical-nanomaterials.html 量子ドット：可溶性光学ナノ材料という新素材]
*[http://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/lumidots/quantumdot-commercial.html 量子ドットの実用化に向けて]
*[http://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/lumidots/quantumdot-display.html ディスプレイ技術への量子ドットの応用]

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[[Category:固体物理学]]
[[Category:ナノテクノロジー]]
[[Category:蛍光色素]]
[[Category:量子力学]]

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