東北工大ら,単一コロイド量子ドットの電気特性評価

東北工業大学,東京大学,東北大学,東京農工大学,理化学研究所は,半導体コロイド量子ドット1つを用いた単一電子トランジスタ(Single-Electron Transistor: SET)を作製し,コロイド量子ドット1個の電気伝導の詳細な評価を行なうとともに,SETの室温動作も実現した(ニュースリリース)。

コロイド量子ドットを光電デバイスへ応用するには,その光学的・電気的性質の理解と制御が重要となるが,特に1個の極微小量子ドットの電気的性質に関する評価は非常に困難だった。

量子ドット1個の電気的性質の評価と制御ができるデバイスとして、単一電子トランジスタ(SET)がある。1個の量子ドットを電子の通り道として用い,ここにゲート電圧を加えることで,電子1個分に相当する電流を制御する。

SETは,量子ドット1個の電気的性質を評価・制御できるだけでなく,量子力学に基づいて超高速計算や絶対安全な情報の伝達などを担う量子情報処理のキーデバイスとしても注目されている。

SETでは,量子ドットのサイズを小さくするほど,量子力学的な効果が顕著になり,高温動作も可能となる。しかし,量子ドットのサイズが小さくなるほど量子ドット1個を流れる電流の検出と制御が難しくなるため,これまでSETは,サイズが100nm程度の量子ドットで作製されることが多く,室温動作するSETの報告は限られていた。

研究グループは,数nm程度のギャップを有する金属電極(ソース・ドレイン電極)の上から,市販のPbSコロイド量子ドット溶液を滴下し,金属電極の微小なギャップに1個のPbSコロイド量子ドットを捕獲した構造を作製した。

さらにゲート電極として導電性のシリコン基板を用いることで,SETを作製した。市販の高品質PbS半導体コロイド量子ドット溶液により,量子ドットの分散が溶液処理でできる。

このSETの電気伝導特性は,量子ドットのサイズに応じて特性が大きく変化した。特に,量子ドットのサイズが5nm以下のSETは,電子間の相互作用が室温の熱エネルギーと比べても非常に大きくなる結果,室温でも動作した。半導体コロイド量子ドットを用いたSETで室温動作を実現したのは,これが初めて。

さらに,電流が量子ドット中のどの電子軌道を介して流れるのかが電流値に大きく影響することや,電子のスピンに依存した電気伝導である近藤効果をコロイド量子ドットを用いたSETでは初めて観測した。

研究グループは,コロイド量子ドットにおける電気伝導のメカニズムの解明と,これを用いた太陽電池などの光電デバイスの高性能化に寄与することが期待される成果だとしている。

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