[スポンサーリンク]

一般的な話題

未来切り拓くゼロ次元物質量子ドット

[スポンサーリンク]

量子ドットとは三次元的な量子閉じ込め構造そのもの,若しくはそのような構造をもつ物質のことを指します。半導体を利用したデバイスや,量子コンピュータなどへの利用などが期待されています。

はじめまして,Eineと申します。現在,中国は北京に住む大学院生です。主に物理化学に関する記事を執筆していこうと思っています。よろしくお願いします。

さて,タイトルの通り,今回は量子ドットというものに関するお話です。量子ドットは「Natureダイジェスト6月号(出版:シュプリンガー・ネイチャー)で紹介されたり,本サイト 2016年ノーベル化学賞候補者リスト1でも,コロイド状半導体ナノ結晶(量子ドット)の発見2としてLouis E. Brus(ルイ・ブラス)氏の受賞を予測しています。では量子ドットとはそもそも一体どのようなものなのでしょうか。

冒頭に述べたとおり,量子ドットとは三次元的な量子閉じ込め構造そのもの,若しくはそのような構造をもつ物質のことです。今回は物質に関して,いくつか応用例も示しながらお話したいと思います。

量子ドットとは

量子力学を学習し始めた学生が解かされる問題である,量子井戸の問題。これは一次元的な量子閉じ込め構造とも言えます。

一次元の量子井戸(ポテンシャルが無限)の問題

これと同じように,三次元的に量子閉じ込め構造を作れば量子ドットになります。

量子閉じ込め効果の半導体への応用研究は1960年代のIBMで既に行われていたと言われています。その後,量子ドットは,1981年にAlexey I. Ekimov 氏によってCuCl結晶の中で4,1984年にLouis E. Brus氏によってコロイド溶液の中で2発見されました。

コロイド状の量子ドットは,例えば以下のような形状をしています。

コアがリガンドに取り囲まれたコロイド状の量子ドットの模式図 3

これはゼロ次元に近い物質となるため,電子の状態密度は離散化します。(理論上,完璧なゼロ次元では状態密度はデルタ関数となります。)

状態密度関数のエネルギーに対する変化。左は一次元構造,右は0次元構造

また,電子は不確定性原理に従います。

不確定性原理

量子閉じ込め領域のサイズがこの時電子の Δx に値します。数式からわかるように Δx が変化すると,その変化に応じて Δp が変化します。そして Δp の変化は電子自体のエネルギーにも影響を及ぼします。加えて,電子の状態密度は離散化しているため, Δx の変化は最終的にエネルギー準位の変化をも引き起こします。

量子ドット半導体

例えば,半導体という観点で着目すれば,閉じ込め領域サイズの変化に応じて以下の図におけるバンドギャップエネルギー E が変化します。より具体的に述べれば,以下の図のように L を小さくすればするほど は大きくなります。

量子閉じ込めの変化で半導体のバンドギャップが変化する様子3

これをLEDとして用いれば,閉じ込め領域サイズの変化に応じて異なる色で発光するものが出来上がるというわけです。

color

CdSe量子ドットによる発光の様子(量子ドットのサイズは2 nm から8 nm)3

量子ドットを利用した発光デバイスには多くのメリットがあります。大きさが一様な量子ドットであれば,バンドギャップに応じたエネルギーしか持たないため,非常にスペクトルピークが鋭い発光をします。この特徴はより高い精度で色を再現することを可能にします。また,理論上達成できる量子収率が非常に高いため,デバイスの省電力化の可能性も秘めています。加えて,そもそも量子ドット自体が既存の半導体等とは全く異なる特徴や生産方法を持つため,デバイスの生産プロセス自体に大きな革命を起こす可能性を持っています。

量子ドットコンピューティング

量子ドット内の電子はトンネル効果などの量子力学に従う性質を持つため,その性質そのものをセルオートマトンとして利用し,量子コンピュータ(量子ゲート)を作れないかという研究もなされています。2次元で1つの例を紹介したいと思います。

量子ドットコンピューティングに用いるセルオートマトン例

1つのセルオートマトンごとに4つの量子ドットを用います。上の図において,円となっている場所に電子は1つずつ入ることが出来ます。1つのセルごとに2つの電子を入れることにします。黒く塗りつぶされた円が電子の入った量子ドットだと考えてください。

2つの電子を入れることで現れる2つの定常状態

すると電子同士の斥力が存在するため,上の図の2つの状態が安定な定常状態となります。これを論理回路として用い,上記の2つの状態を0と1として用いようというわけです。今回は上の図のように,それぞれを 極性:+1, -1 としましょう。また,セルを跨いだ電子同士の斥力もはたらくことにします。

隣り合う空間には電子が移動できる

もちろん定常状態は極性が+1もしくは-1のようになるのですが,量子ドットどうしは,それぞれのポテンシャル障壁に応じた十分に近い距離に位置しているため,電子が隣り合った空間にトンネル効果を起こして移動することがあります。

たとえばこのセルを4つ,一列に横に並べたとしましょう。左端のセルはコントロールが可能であるとします。

セル同士を一列に並べて作った最もシンプルなオートマタ

(a)ではまだ全てが+1の状態で並べたままですが,ここで,左端のセルを-1に変えてみます(b)。すると,隣り合うセル同士で電子間にはたらく斥力から,左端から2つめのセルは-1の極性がより安定な状態となります。それに続きその右隣も-1の極性が安定になり,続いて右端のセルも-1の極性が安定となります。

これを俯瞰して見てみれば,左端のセルをインプットとして,右端のセルがアウトプットとなる回路のようなものが出来たと言えるわけです。この量子ドットセルオートマタは,電子デバイスの小型化において問題となる量子効果そのものを使っているため,量子効果を弊害としません。また,電流が流れることもないので,抵抗発熱等も起こしません。加えて,極性が+1,-1以外の状態を保持することも可能です。

おわりに

これ以外にも,量子ドット太陽電池や量子ドットレーザー,光バーコードなど,他にも多くの応用例が現在模索されています。量子ドットは既存デバイスの改善や,新規デバイスの発明という可能性を秘めています。これからの発展も目が離せません。

関連図書

参考文献・関連記事等

  1. ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2016年版】
  2. L. E. Brus, Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state, J. Chem. Phys., 80, 9, 1984
  3. Aldrich, Material Matters, Vol 2, No.1, 2007
  4. A. I. Ekimov and A. A. Onushchenko, Quantum size effect in there-dimensional microscopic semiconductor crystals, JETP Lett., 34, 6, 1981
Eine

Eine

投稿者の記事一覧

音楽ゲームが好き。ナノメートルの世界で分子や電子の気持ちを考える日々

関連記事

  1. 電場を利用する効率的なアンモニア合成
  2. もっとも単純な触媒「プロリン」
  3. 二酸化塩素と光でプラスチック表面を機能化
  4. Macユーザーに朗報!ChemDrawとWordが相互貼付可能に…
  5. 英語で授業/発表するときのいろは【アメリカで Ph.D. をとる…
  6. 有機合成化学協会誌2017年6月号 :創薬・糖鎖合成・有機触媒・…
  7. α-トコフェロールの立体選択的合成
  8. 有機反応を俯瞰する ー付加脱離

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 「コミュニケーションスキル推し」のパラドックス?
  2. ダニを食べ毒蓄積 観賞人気のヤドクガエル
  3. 宮浦・石山ホウ素化反応 Miyaura-Ishiyama Borylation
  4. テキサス大教授Science論文捏造か?
  5. NMR が、2016年度グッドデザイン賞を受賞
  6. 学士院賞:数論幾何学の加藤和也京大大学院教授ら10人に
  7. アジサイには毒がある
  8. ヤクルト、大腸の抗がん剤「エルブラット」発売
  9. MIT、空気中から低濃度の二酸化炭素を除去できる新手法を開発
  10. 【書籍】化学探偵Mr. キュリー

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

国際化学オリンピック、日本の高校生4名「銀」獲得

文部科学省は2020年7月31日、オンラインで開催された「第52回国際化学オリンピック」に参加した高…

有機合成化学協会誌2020年8月号:E2212製法・ヘリセン・炭素架橋オリゴフェニレンビニレン・ジケトホスファニル・水素結合性分子集合体

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2020年8月号がオンライン公開されました。今回は担当…

第八回ケムステVシンポジウム「有機無機ハイブリッド」を開催します!

夏真っ盛りですね。某ウイルスのもろもろに目を奪われがちですが、この季節は熱中症にも気をつけましょう。…

巧みに設計されたホウ素化合物と可視光からアルキルラジカルを発生させる

第268回のスポットライトリサーチは、金沢大学医薬保健研究域薬学系(大宮研究室)の佐藤 由季也(さと…

第111回―「予防・診断に有効なナノバイオセンサーと太陽電池の開発」Ted Sargent教授

第111回の海外化学者インタビューは、Ted Sargent教授です。トロント大学電気・計算機工学科…

アレノフィルを用いるアレーンオキシドとオキセピンの合成

脱芳香族化を伴う直接的な酸化により芳香族化合物からアレーンオキシドとオキセピンを合成する手法が開発さ…

ケムステニュース 化学企業のグローバル・トップ50が発表【2020年版】

It's no secret that the COVID-19 pandemic ha…

スポットライトリサーチムービー:動画であなたの研究を紹介します

5年前、ケムステ15周年の際に新たな試みとしてはじめたコンテンツ「スポットライトリサーチ」。…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP