広島大，量子収率80%のシリコン量子ドットを合成

広島大学の研究グループは，世界トップレベルの発光効率（最大80%）を与える，赤色発光ナノシリコン（シリコン量子ドット）の合成に成功した（ニュースリリース）。

量子ドットは，①粒子のサイズによりフルカラー発光，②高効率発光（カドミウム系量子ドットで98%の発光量子収率），③極採色（狭い発光幅（20-40nm）で有機ELの3-4倍の色域），④溶液プロセスによる低温・大気圧でのデバイス製造（真空，高温，クリーンルーム不要）という特長がある。

量子ドットは有機ELに後続する光材料として期待される一方，その本格的普及には，①毒性（主な商品・研究は重金属を使用），②発光の高効率化（単結晶シリコンの発光量子収率は0.01%。最近発光量子収率60%を超えるSi量子ドットが報告され始めたが，そのメカニズムは不明だった）。

研究グループは今回，出発物質を焼成，酸処理し，表面が水素で覆われたシリコン量子ドット（SiQD）を合成した（直径3nm）。これをコアとして，表面をリガンドで化学修飾し，最終生成物となるデシル基修飾のSiQDを合成した。その結果，赤色発光（発光波長680nm）する溶液分散のSiQDが得られた。

今回のポイントは，これら表面の化学修飾を二つの異なる反応で行ない，それぞれの構造と物性を数値化し，更にそれを高効率発光のメカニズムと紐づけたことにあるという。具体的には，SiQDの表面化学修飾を熱反応（150℃）と常温反応（ラジカル開始剤を使用）と2種類で行なった。その結果，両者の発光の量子収率（PLQY）が著しく異なった。

具体的には，熱反応ではPLQY＝19%，常温反応ではPLQY＝54%を与えた。更に，後者のSiQDは最大でPLQY＝80%となった。この値は，SiQDとしては世界トップレベル。これらのSiQDの化学構造，物理構造，リガンドの表面被覆率を解明し，高効率発光の代表的な要因として以下の四つを解明した。

①炭化水素基，酸素の表面被覆率が，それぞれ3%程，20%程であること
②塩素基が重要であること（表面被覆率4%程）
③SiQDの結晶性が90%程であること
④表面は引っ張り応力により歪み，その値が1nN nm⁻²程であること

次に，赤色発光するLEDを溶液プロセスで作製した。特に常温反応のSiQDを搭載したLEDは，高温反応のそれより20倍の発光強度を与えた。これは，①絶縁性リガンドの被覆率を1/3にすると電流密度が10倍増，②塩素基により非発光過程が1/2に抑制，と結論づけられた。

開発した手法は，他のリガンドを持つSiQDにも拡張できるため，高効率SiQDとそのLED 製造における有力モデルになることが期待されるとしている。