JP2010264564A - Method for forming compound semiconductor particle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体量子ドットを始めとした化合物半導体微粒子の形成方法に関し、特にナノメータサイズで配列制御を行う上で好適な化合物半導体微粒子の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming compound semiconductor fine particles such as semiconductor quantum dots, and more particularly to a method for forming compound semiconductor fine particles suitable for controlling the alignment at a nanometer size.
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。 With the recent development of semiconductor microfabrication technology, a semiconductor element having a fine structure up to a size at which a quantum mechanical effect appears remarkably has been realized. As semiconductor elements utilizing this quantum mechanical effect, for example, HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) and quantum well lasers have been put into practical use. In addition, nanoscale quantum dots that utilize the particle properties of electrons by controlling single electrons using quantum mechanical effects are attracting attention.
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。 Quantum dots are formed by using the above-described semiconductor microfabrication technology to form a box with a potential that is so fine that it gives three-dimensional quantum confinement to excitons. Utilizing this exciton confinement system, the energy levels of carriers in the quantum dot become discrete, and the density of states sharpens in a delta function. Single-electron memories that use light absorption between the sharpened states of this quantum dot and single-electron transistors that turn on / off single electrons that enter and exit the quantum dot have already been studied. Nanoscale manipulation is being realized.
ところで、この量子ドットは、従来よりブリッジマン法を用いることにより、基板上に形成させていた。量子ドットを構成する材料としてＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内に、この融解させた混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させる。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドットを基板上に形成させることができる（例えば、特許文献１参照。）。 By the way, this quantum dot has been conventionally formed on a substrate by using the Bridgman method. In the case where CuCl is used as a material constituting the quantum dots, CuCl powder and NaCl powder are first mixed and melted at a temperature of about 800 ° C. Next, the melted mixed powder is suspended in a furnace with a temperature gradient in the vertical direction, and moved up and down in the furnace at a speed of several mm / h to create a temperature gradient inside the mixed powder. Crystallize gradually. When heat treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. for several minutes to several tens of minutes, CuCl quantum dots can be formed on the substrate (see, for example, Patent Document 1).
なお、量子ドットは、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相堆積法、パルスレーザ堆積法、スパッタ法などに基づいて自己組織的に基板上に形成させるようにしてもよい。 The quantum dots may be further formed on the substrate in a self-organized manner based on molecular epitaxy (MBE), metal organic vapor phase deposition, pulse laser deposition, sputtering, or the like.
従来の自己組織的手法を用いた成長方法では、量子ドットの形成は基板の欠陥準位に偶発的に成長されていることから、基板上の所望の位置に選択的に成長させるのは困難であった。また、量子ドットを堆積させた場合においても、それはあくまで基板の欠陥上に堆積されるため、堆積された量子ドットの発光効率が低下してしまうという問題があった。 In the growth method using the conventional self-organization method, since the formation of quantum dots is accidentally grown at the defect level of the substrate, it is difficult to selectively grow at a desired position on the substrate. there were. In addition, even when quantum dots are deposited, they are deposited only on the defects of the substrate, so that there is a problem that the light emission efficiency of the deposited quantum dots decreases.
ところで、量子ドットを用いたデバイスでは、例えば特許文献２、３等に示すように量子ドットを基板上おいて列状に規則的に配置することによりナノメータサイズの伝送路を形成したい場合もあるし、他に様々な形態に量子ドットを規則的に配列させてナノメータサイズのデバイスを作製したい場合もある。 By the way, in a device using quantum dots, for example, as shown in Patent Documents 2, 3, etc., there are cases where it is desired to form nanometer-sized transmission lines by arranging quantum dots regularly on a substrate in rows. In addition, there are cases where it is desired to fabricate nanometer-sized devices by regularly arranging quantum dots in various forms.
しかしながら、これら量子ドットを用いたデバイスを実用化する上では、この量子ドットの規則的な位置形成を実現する必要があるが、上述した従来の量子ドットの形成方法によれば、あくまで量子ドットを基板上にランダムに形成させることは可能であるものの、規則的に列状に配置することはできない。近年、電子ビームリソグラフィを用いることにより、量子ドットにおける基板上の堆積位置を制御する方法が提案されているが、電子ビーム描画装置の性能限界により、５０ｎｍ以下のパターニングが困難であるという問題点があった。 However, in order to put a device using these quantum dots into practical use, it is necessary to realize the regular position formation of the quantum dots. However, according to the conventional quantum dot forming method described above, the quantum dots are only used. Although it can be randomly formed on the substrate, it cannot be regularly arranged in a line. In recent years, a method for controlling the deposition position on a substrate in quantum dots by using electron beam lithography has been proposed, but there is a problem that patterning of 50 nm or less is difficult due to performance limitations of the electron beam lithography apparatus. there were.
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、量子ドットを始めとした化合物半導体微粒子を基板上において規則的に配列させることが可能な化合物半導体微粒子の形成方法、これを用いたデバイス、伝送路を提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is a compound capable of regularly arranging compound semiconductor fine particles such as quantum dots on a substrate. It is an object to provide a method for forming semiconductor fine particles, a device using the method, and a transmission path.
本発明者は、上述した課題を解決するために、ＤＮＡ分子を用いたコーミングを利用することにより、当該ＤＮＡを基板上に規則的に配置することができる点に着目した。そして、このＤＮＡ分子は負に帯電していることから、逆に化合物半導体微粒子にカチオン性分子を付着させることによりこれを正に帯電させ、更にＤＮＡ分子に化合物半導体微粒子を上記カチオン性分子を介して吸着させる構成を着想した。そして、このＤＮＡ分子を基板上に張り付けるとともに、当該ＤＮＡ分子に対して吸着されている化合物半導体微粒子を基板上に形成させることにより、その基板上に張り付けるＤＮＡ分子の形態に応じて化合物半導体微粒子の配置を自在に制御することが可能な化合物半導体微粒子の形成方法を見出した。 In order to solve the above-described problems, the present inventor has paid attention to the fact that DNA can be regularly arranged on a substrate by utilizing combing using DNA molecules. Since this DNA molecule is negatively charged, it is charged positively by attaching a cationic molecule to the compound semiconductor fine particle, and further, the compound semiconductor fine particle is attached to the DNA molecule via the cationic molecule. I thought of the structure to adsorb. Then, the compound semiconductor is adhered to the substrate and the compound semiconductor fine particles adsorbed to the DNA molecule are formed on the substrate, so that the compound semiconductor is formed according to the form of the DNA molecule to be adhered to the substrate. The present inventors have found a method of forming compound semiconductor fine particles capable of freely controlling the arrangement of the fine particles.
本発明に係る化合物半導体微粒子の形成方法は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯ、ＩｎＮ、Ｓｉ、ＧａＮの何れか１種からなる化合物半導体微粒子を含む溶液中にシランカップリング剤を混合し、上記溶液から上記化合物半導体微粒子を抽出し、ＤＮＡ分子を浮遊させたＤＮＡ溶液に上記抽出した上記化合物半導体微粒子を混合することにより、当該ＤＮＡ分子に上記化合物半導体微粒子を吸着させ、上記ＤＮＡ溶液を基板に付着させ、更に上記基板上に付着させた上記ＤＮＡ溶液を乾燥させることにより、これに含まれているＤＮＡ分子を上記基板上に張り付けるとともに、当該ＤＮＡ分子に対して吸着されている上記化合物半導体微粒子を上記基板上に形成させることを特徴とする。 In the method for forming compound semiconductor fine particles according to the present invention, a silane coupling agent is mixed in a solution containing compound semiconductor fine particles of any one of CdS, CdSe, ZnO, InN, Si, and GaN, The compound semiconductor fine particles are extracted, and the extracted compound semiconductor fine particles are adsorbed to the DNA molecules by mixing the extracted compound semiconductor fine particles with the DNA solution in which the DNA molecules are suspended, and the DNA solution is attached to the substrate. Furthermore, by drying the DNA solution adhered on the substrate, the DNA molecules contained in the DNA solution are pasted on the substrate, and the compound semiconductor fine particles adsorbed on the DNA molecules are adhered to the substrate. It is formed on a substrate.
本発明に係る化合物半導体微粒子の形成方法は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯ、ＩｎＮ、Ｓｉ、ＧａＮの何れか１種からなる化合物半導体微粒子の表面にカチオン性分子を付着させ、負に帯電したＤＮＡ分子を浮遊させたＤＮＡ溶液に上記化合物半導体微粒子を混合することにより、当該ＤＮＡ分子に上記化合物半導体微粒子を上記カチオン性分子を介して吸着させ、上記ＤＮＡ分子を上記基板上に張り付けるとともに、当該ＤＮＡ分子に対して吸着されている上記化合物半導体微粒子を上記基板上に形成させることを特徴とする。 In the method for forming compound semiconductor fine particles according to the present invention, cationic molecules are attached to the surface of compound semiconductor fine particles made of any one of CdS, CdSe, ZnO, InN, Si, and GaN, and negatively charged DNA molecules are attached. By mixing the compound semiconductor fine particles with the suspended DNA solution, the compound semiconductor fine particles are adsorbed to the DNA molecules via the cationic molecules, and the DNA molecules are attached onto the substrate, and the DNA molecules The compound semiconductor fine particles adsorbed on the substrate are formed on the substrate.
更に本発明に係る化合物半導体微粒子による伝送路は、基板上において幅５〜１０ｎｍの範囲で化合物半導体微粒子を線状に点在させたことを特徴とする。 Further, the transmission path by the compound semiconductor fine particles according to the present invention is characterized in that the compound semiconductor fine particles are scattered in a line shape in a range of 5 to 10 nm in width on the substrate.
上述した構成からなる本発明によれば、化合物半導体微粒子を基板上おいて列状に規則的に配置することが可能となる。特にこの化合物半導体微粒子が量子ドットである場合、その量子ドットを列状に規則的に配置することができ、量子ドットによるナノオーダの伝送路を形成させることが可能となる。このため本発明は、従来より提案されている量子ドットを用いたデバイスを実際に実用化に大きく寄与させることが可能となる。また従来において実現困難とされていた量子ドットによる半導体ナノ構造を用いたデバイスの量産化を実現することが可能となる。 According to the present invention having the above-described configuration, the compound semiconductor fine particles can be regularly arranged in a row on the substrate. In particular, when the compound semiconductor fine particles are quantum dots, the quantum dots can be regularly arranged in a row, and a nano-order transmission path using the quantum dots can be formed. For this reason, the present invention can make a significant contribution to practical use of devices using quantum dots that have been proposed in the past. In addition, mass production of devices using semiconductor nanostructures with quantum dots, which has been difficult to realize in the past, can be realized.
また本発明では、ナノテクノロジーを応用した産業において非常に大きなインパクトを与える技術的思想であるものと考えられる。つまり、これまで実用が不可能であると考えられていた量子ドットのオングストローム寸法での配列制御が実現するため、光デバイスの超小型化，低消費電力化が期待される。材料については、既に多くの知見があるため、実用化も迅速に進むと予想される。 Further, the present invention is considered to be a technical idea that has a very large impact in an industry to which nanotechnology is applied. In other words, since it is possible to control the arrangement of quantum dots in angstrom dimensions, which has been thought to be impractical until now, it is expected that the optical device will be ultra-small and low in power consumption. With regard to materials, since there is already a lot of knowledge, it is expected that commercialization will proceed rapidly.
以下、本発明を適用した化合物半導体微粒子の形成方法について詳細に説明する。 Hereinafter, a method for forming compound semiconductor fine particles to which the present invention is applied will be described in detail.
本発明を適用した化合物半導体微粒子の形成方法では、例えば量子ドットを始めとしたナノオーダのＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯ、ＩｎＮ、Ｓｉ、ＧａＮの何れか１種からなる化合物半導体微粒子を基板上に形成させるものである。以下ＺｎＯからなる化合物半導体微粒子を基板上に形成させる例について図１のフローチャートを用いて詳細に説明をする。 In the method for forming compound semiconductor fine particles to which the present invention is applied, for example, compound semiconductor fine particles made of any one of nano-order CdS, CdSe, ZnO, InN, Si, and GaN including quantum dots are formed on a substrate. It is. Hereinafter, an example of forming compound semiconductor fine particles made of ZnO on a substrate will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
先ずステップＳ１１において、酢酸亜鉛と水酸化リチウムを混合したエタノール溶液を作製する。酢酸亜鉛から亜鉛イオンが極性溶媒としてのエタノール溶液中に放出され、水酸化物を経てＺｎＯからなる化合物半導体微粒子が生成されることになる。このエタノール溶液内において化合物半導体微粒子はゾル−ゲル状に沈殿することになる。ちなみに、このエタノール溶液への酢酸亜鉛と水酸化リチウムの混合は、ＺｎＯの核成長による粒径増大を防ぐために４℃以下で実行する。しかし、このエタノール溶液への混合は、室温中において実行するようにしてもよい。また、エタノール溶液の代替として、メタノール、プロパノール、ブタノール、イソプロパノール等を用いるようにしてもよい。 First, in step S11, an ethanol solution in which zinc acetate and lithium hydroxide are mixed is prepared. Zinc ions are released from zinc acetate into an ethanol solution as a polar solvent, and compound semiconductor fine particles composed of ZnO are generated through hydroxides. In this ethanol solution, the compound semiconductor fine particles are precipitated in a sol-gel form. Incidentally, the mixing of zinc acetate and lithium hydroxide in this ethanol solution is carried out at 4 ° C. or lower in order to prevent an increase in particle size due to ZnO nucleus growth. However, the mixing into the ethanol solution may be performed at room temperature. Further, as an alternative to the ethanol solution, methanol, propanol, butanol, isopropanol, or the like may be used.
ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＩｎＮなどの化合物半導体の形成においては、カチオンとアニオンを放出しうる溶媒に溶解する前駆体を与えればよい。例えば、酢酸カドミニウムを溶解させ、硫化水素を導入することでＣｄＳが形成される。 In forming a compound semiconductor such as CdS, CdSe, or InN, a precursor that dissolves in a solvent capable of releasing cations and anions may be provided. For example, CdS is formed by dissolving cadmium acetate and introducing hydrogen sulfide.
次にステップＳ１２に移行し、ヘプタンとヘキサンからなる洗浄溶液を、エタノール溶液中に添加する。この洗浄溶液をエタノール溶液に添加することにより、エタノール溶液中において反応せずに残存している酢酸亜鉛や水酸化リチウムを除去することが可能となる。 Next, it transfers to step S12 and the washing | cleaning solution which consists of heptane and hexane is added in an ethanol solution. By adding this washing solution to the ethanol solution, it is possible to remove zinc acetate and lithium hydroxide remaining without reacting in the ethanol solution.
次にステップＳ１３へ移行し、洗浄溶液により洗浄された後の化合物半導体微粒子を一度エタノール溶液から抽出する。このステップＳ１３では、例えば濾紙を使用してエタノール溶液を濾過させることにより、濾紙を介して化合物半導体微粒子を抽出することが可能となる。ちなみに、このステップＳ１２、１３の工程は、本発明を実施する上で必須の工程とはならない。 Next, it transfers to step S13 and the compound semiconductor fine particle after wash | cleaning with a washing | cleaning solution is once extracted from an ethanol solution. In this step S13, for example, the compound semiconductor fine particles can be extracted through the filter paper by filtering the ethanol solution using filter paper. Incidentally, the processes of steps S12 and S13 are not essential processes for carrying out the present invention.
次にステップＳ１４へ移行し、抽出した化合物半導体微粒子を、純粋なエタノール溶液に混合する。この純粋なエタノール溶液中には、洗浄溶液や、酢酸亜鉛並びに水酸化リチウムが混在していないため、今後のプロセスを行う上での不純物が完全に存在しない環境を作り出すことが可能となる。 Next, the process proceeds to step S14, and the extracted compound semiconductor fine particles are mixed with a pure ethanol solution. Since this pure ethanol solution does not contain a cleaning solution, zinc acetate, or lithium hydroxide, it is possible to create an environment that is completely free of impurities in future processes.
次にステップＳ１５へ移行し、この化合物半導体微粒子が混合されたエタノール溶液に、シランカップリング剤を添加する。このシランカップリング剤としては、例えばＮ−トリメトロキシルプロピル−Ｎ、Ｎ，Ｎ，トリメチルアンモニウム クロリド等からなる。シランカップリング剤は、例えば４級アンモニウムを含むものであってもよい。また、このシランカップリング剤としては、これらに限定されるものではなく、アルキル鎖の異なるシランカプリング剤や、主鎖にフェニル環を含む場合でも可能である。このシランカップリング剤を添加した後に容器内の液体を攪拌する。このステップＳ１５のプロセスを通じて、化合物半導体微粒子の表面にはシランカップリング剤中のカチオン分子が付着された状態になる。その結果、この化合物半導体微粒子の表面は、正に帯電していることになる。 Next, it transfers to step S15 and a silane coupling agent is added to the ethanol solution with which this compound semiconductor fine particle was mixed. Examples of the silane coupling agent include N-trimetroxylpropyl-N, N, N, trimethylammonium chloride and the like. The silane coupling agent may contain, for example, quaternary ammonium. Further, the silane coupling agent is not limited to these, and may be a silane coupling agent having a different alkyl chain or a case where a phenyl ring is included in the main chain. After adding this silane coupling agent, the liquid in the container is stirred. Through the process of step S15, the surface of the compound semiconductor fine particles is in a state where the cation molecules in the silane coupling agent are attached. As a result, the surface of the compound semiconductor fine particles is positively charged.
次にステップＳ１６に移行し、上述した溶液をメンブレンフィルターを利用して濾過する。そして、このメンブレンフィルターに蓄積した化合物半導体微粒子を回収する。 Next, it transfers to step S16 and filters the solution mentioned above using a membrane filter. Then, the compound semiconductor fine particles accumulated in the membrane filter are collected.
次にステップＳ１７へ移行し、抽出した化合物半導体微粒子をＤＮＡ溶液に混合する。このＤＮＡ溶液は、ＤＮＡ分子を浮遊させたものであり、例えばλＤＮＡを含む溶液であってもよい。ちなみに、このＤＮＡ分子は、負に帯電している。また化合物半導体微粒子は、表面にカチオン分子が付着され、正に帯電していることから、このＤＮＡ分子に対してこのカチオン分子を介して吸着されることになる。 Next, the process proceeds to step S17, and the extracted compound semiconductor fine particles are mixed with the DNA solution. This DNA solution is a suspension of DNA molecules, and may be, for example, a solution containing λDNA. By the way, this DNA molecule is negatively charged. The compound semiconductor fine particles are adsorbed to the DNA molecules through the cation molecules since the cation molecules are attached to the surface and are positively charged.
次にステップＳ１８へ移行し、化合物半導体微粒子が混合されたＤＮＡ溶液に対して熱処理を行う。この熱処理は、例えば４８℃程度で２時間に亘りＤＮＡ溶液を加熱する。これにより環状ＤＮＡの存在確率を低減する効果がある。 Next, it transfers to step S18 and heat-processes with respect to the DNA solution with which the compound semiconductor fine particle was mixed. In this heat treatment, for example, the DNA solution is heated at about 48 ° C. for 2 hours. This has the effect of reducing the existence probability of circular DNA.
次にステップＳ１９へ移行し、実際に分子コーミングを利用し基板上においてＤＮＡ分子を張り付ける。この分子コーミングは、基板をカバーガラスとした場合、例えば図２(a)に示すように、ＤＮＡ溶液中にカバーガラス５を浸漬し、これを図２(b)に示すように一定の速度で引き上げる。これにより、カバーガラス５上にＤＮＡの分子の一部が線状に延伸されて張り付けられることになる。 Next, the process proceeds to step S19, where DNA molecules are actually pasted on the substrate using molecular combing. In this molecular combing, when the substrate is a cover glass, for example, as shown in FIG. 2 (a), the cover glass 5 is immersed in a DNA solution, and this is performed at a constant speed as shown in FIG. 2 (b). Pull up. Thereby, a part of DNA molecules is linearly stretched and pasted on the cover glass 5.
次にステップＳ２０において、ＤＮＡ溶液から引き上げた基板を乾燥させる。この乾燥方法は、自然乾燥でもよいし、ドライヤー等を介して乾燥させるようにしてもよい。その結果、基板上に付着しているＤＮＡ溶液を蒸発させることが可能となる。 Next, in step S20, the substrate pulled up from the DNA solution is dried. This drying method may be natural drying or may be dried through a dryer or the like. As a result, the DNA solution adhering to the substrate can be evaporated.
最後のステップＳ２１の段階では、基板上に張り付けられているＤＮＡ分子に吸着された化合物半導体微粒子が、この基板上において形成されていることになる。このＤＮＡ分子は、上述した分子コーミングを通じて線状に延伸させて張り付けているため、化合物半導体微粒子もこのＤＮＡ分子に沿って列状に形成させることが可能となる。なお、上述した例では、あくまで化合物半導体微粒子としてＺｎＯを用いた場合について説明したが、その他のＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＩｎＮ、Ｓｉ、ＧａＮについても同様にシランカプリング剤を用いることで包埋し、基板上に形成させることができることは勿論である。 In the final step S21, the compound semiconductor fine particles adsorbed on the DNA molecules attached on the substrate are formed on the substrate. Since the DNA molecules are stretched and pasted linearly through the above-described molecular combing, the compound semiconductor fine particles can be formed in a line along the DNA molecules. In the above-described example, the case where ZnO is used as the compound semiconductor fine particles has been described. However, other CdS, CdSe, InN, Si, and GaN are embedded by using a silane coupling agent in the same manner, Of course, it can be formed.
図３は、本発明により、実際に基板上において化合物半導体微粒子３１を形成させる場合の模式図を示している。負に帯電しているＤＮＡ分子３２の二重螺旋構造に対して、化合物半導体微粒子３１の表面に付着されているカチオン分子３５を介して吸着されている状態となっている。この化合物半導体微粒子３１に吸着されているカチオン分子３５は、正に帯電しており、隣接する他の化合物半導体微粒子３１に吸着されているカチオン分子３５同士で互いに反発を起こすことになる。その結果、隣接する化合物半導体微粒子３１間においてこのカチオン分子の分子鎖長に応じた間隔となるように自然に制御されることになる。 FIG. 3 shows a schematic diagram when the compound semiconductor fine particles 31 are actually formed on the substrate according to the present invention. The double helical structure of the negatively charged DNA molecule 32 is adsorbed via the cation molecule 35 attached to the surface of the compound semiconductor fine particle 31. The cation molecules 35 adsorbed on the compound semiconductor fine particles 31 are positively charged, and the cation molecules 35 adsorbed on other adjacent compound semiconductor fine particles 31 repel each other. As a result, the adjacent compound semiconductor fine particles 31 are naturally controlled so as to have an interval corresponding to the molecular chain length of the cation molecule.
図４は、本発明に基づいて基板上に形成させたＺｎＯからなる化合物半導体微粒子のＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)像を示している。ＺｎＯの微粒子が基板上において２〜３列に渡り、ほぼ線状に形成されているのが分かる。この化合物半導体微粒子の形成位置は、ＤＮＡ分子の延伸方向に沿ったものである。また、この図４のＴＥＭ像に示されているスケールから、化合物半導体微粒子の形成位置をナノオーダで制御することができたことが分かる。 FIG. 4 shows a TEM (Transmission Electron Microscope) image of ZnO compound semiconductor fine particles formed on a substrate according to the present invention. It can be seen that ZnO fine particles are formed in a substantially linear shape over a few rows on the substrate. The formation position of the compound semiconductor fine particles is along the extending direction of the DNA molecules. Further, it can be seen from the scale shown in the TEM image of FIG. 4 that the formation position of the compound semiconductor fine particles could be controlled in nano order.
この図４のＴＥＭ像では、基板上において幅５〜１０ｎｍの範囲で化合物半導体微粒子を線状に点在させている。上述した本発明による方法を適用することにより、このようなサイズまで狭小化された化合物半導体微粒子による伝送路を形成させることが可能となる。 In the TEM image of FIG. 4, compound semiconductor fine particles are interspersed linearly in a range of 5 to 10 nm in width on the substrate. By applying the above-described method according to the present invention, it is possible to form a transmission path using compound semiconductor fine particles narrowed to such a size.
このように、本発明によれば、化合物半導体微粒子を基板上おいて列状に規則的に配置することが可能となる。特にこの化合物半導体微粒子が量子ドットである場合、その量子ドットを列状に規則的に配置することができ、量子ドットによるナノオーダの伝送路を形成させることが可能となる。このため本発明は、従来より提案されている量子ドットを用いたデバイスを実際に実用化に大きく寄与させることが可能となる。 Thus, according to the present invention, the compound semiconductor fine particles can be regularly arranged in a row on the substrate. In particular, when the compound semiconductor fine particles are quantum dots, the quantum dots can be regularly arranged in a row, and a nano-order transmission path using the quantum dots can be formed. For this reason, the present invention can make a significant contribution to practical use of devices using quantum dots that have been proposed in the past.
なお、本発明は、上述した分子コーミングを利用する場合に限定されるものではない。化合物半導体微粒子は、上述したようにＤＮＡ分子に沿って基板上に配列させることができるものであることから、仮にＤＮＡ分子を曲線状に基板に張り付けることにより、化合物半導体微粒子を曲線状に配列させることも可能となる。ＤＮＡ分子を基板上に所望の形状に張り付ける技術は、従来において各種提案されていることから、これらあらゆる従来技術を利用してＤＮＡ分子を基板上に所望の形状に張り付けることにより、これに沿って化合物半導体微粒子を所望の形状に形成させることも可能となる。 In addition, this invention is not limited to the case where the molecular combing mentioned above is utilized. Since the compound semiconductor fine particles can be arranged on the substrate along the DNA molecules as described above, the compound semiconductor fine particles are arranged in a curved shape by pasting the DNA molecules on the substrate in a curved shape. It is also possible to make it. Various techniques for pasting DNA molecules in a desired shape on a substrate have been proposed in the past, and by using these conventional techniques, DNA molecules are pasted in a desired shape on a substrate. It is also possible to form compound semiconductor fine particles in a desired shape along.
このため、上述した化合物半導体微粒子を列状に規則的に形成させた伝送路のみならず、他に様々な形態に化合物半導体微粒子を規則的に配列させることにより、各種ナノメータサイズのデバイスを作製することも可能となる。 For this reason, not only the transmission lines in which the compound semiconductor fine particles are regularly formed in a row, but also various other nanometer-sized devices are produced by regularly arranging the compound semiconductor fine particles in various forms. It is also possible.
特にこのＤＮＡ分子は、ナノメータサイズの二重螺旋構造で構成されていることから、このＤＮＡ分子の基板への貼り付け形状をナノオーダで制御することにより、化合物半導体微粒子の形成位置もナノオーダで制御することが可能となる。 In particular, since this DNA molecule is composed of a nanometer-sized double helix structure, the formation position of the compound semiconductor fine particles is also controlled in nano order by controlling the shape of the DNA molecule attached to the substrate in nano order. It becomes possible.
なお、本発明を適用した化合物半導体微粒子の形成方法では、上述したような量子ドットを用いたデバイスの作製以外に、ナノロッドの側面にシランカプリング剤を反応して固定化することで、同様に配列固定化することができることは勿論である。 In addition, in the method for forming compound semiconductor fine particles to which the present invention is applied, in addition to the fabrication of the device using the quantum dots as described above, the silane coupling agent is reacted and immobilized on the side surfaces of the nanorods in the same manner. Of course, it can be fixed.
以下、本発明を適用した化合物半導体微粒子の形成方法の実施例１について説明をする。 Hereinafter, Example 1 of the formation method of the compound semiconductor fine particles to which the present invention is applied will be described.
上述した図１のフローチャートに基づいて実際に基板上にＺｎＯ微粒子３７を配列させ、図５(a)に示すようにＺｎＯ微粒子３７間の粒径ｐ、ＺｎＯ微粒子３７の中心間距離ｑ、ＺｎＯ微粒子３７間の距離ｒについて、度数を測定した。ちなみにこの度数分布は、画像解析ソフトを利用して測定した。 Based on the flowchart of FIG. 1 described above, ZnO fine particles 37 are actually arranged on the substrate. As shown in FIG. 5A, the particle size p between the ZnO fine particles 37, the center distance q of the ZnO fine particles 37, and the ZnO fine particles. The frequency was measured for the distance r between 37. Incidentally, this frequency distribution was measured using image analysis software.
図５(b)は、ＺｎＯ微粒子３７間の粒径ｐの度数分布を、図５(c)は、ＺｎＯ微粒子３７の中心間距離ｑの度数分布を、図５(d)は、ＺｎＯ微粒子３７間の距離ｒの度数分布を示している。 5 (b) shows the frequency distribution of the particle diameter p between the ZnO fine particles 37, FIG. 5 (c) shows the frequency distribution of the center-to-center distance q of the ZnO fine particles 37, and FIG. 5 (d) shows the ZnO fine particles 37. The frequency distribution of the distance r between is shown.
これらの度数分布から、ＺｎＯ微粒子３７間の距離ｒの平均は、約１．２ｎｍであった。ちなみに、シランカップリング剤におけるカチオン分子（Ｘ−ＣＨ２−ＣＨ２−ＣＨ２−Ｓｉ）の長さは、０．６ｎｍのものを用いている。このため、このカチオン分子同士が図３に示すような形態で反発しあうため、理論上このＺｎＯ微粒子３７間の距離ｒは、カチオン分子の２倍である１．２ｎｍとなる。このため、ＺｎＯ微粒子３７間の距離ｒの平均値と、理論値が一致していることから、図３に示すようなメカニズムに基づいてＤＮＡ分子にＺｎＯ微粒子３７が吸着されているものと推定することができる。 From these frequency distributions, the average distance r between the ZnO fine particles 37 was about 1.2 nm. Incidentally, the length of the cation molecule (X—CH 2 —CH 2 —CH 2 —Si) in the silane coupling agent is 0.6 nm. For this reason, since the cation molecules repel each other in the form shown in FIG. 3, the distance r between the ZnO fine particles 37 is theoretically 1.2 nm, which is twice the cation molecule. For this reason, since the average value of the distance r between the ZnO fine particles 37 and the theoretical value coincide with each other, it is estimated that the ZnO fine particles 37 are adsorbed to the DNA molecules based on the mechanism shown in FIG. be able to.
以下、本発明を適用した化合物半導体微粒子の形成方法の実施例２について説明をする。この実施例２においては、偏光依存性について調査を行った。この偏光依存性についての調査は、図６(a)に示すように、上述した図１のフローチャートに基づいて実際に基板上にＺｎＯ微粒子３７からなる量子ドットを列状に配列させ、これに光を照射して、さらにこのＺｎＯ微粒子３７から放出される出力光の強度を測定した。照射する光の偏光方向は、−９０°〜２７０°に至るまで全３６０°に亘って変更して測定した。ここでいうθ＝０°（θ＝１８０°）とは、ＺｎＯ微粒子３７の配列方向Ａと偏光成分Ｅｅｘとが同一方向にある場合を意味している。これに対して、θ＝９０°（θ＝−９０°）とは、この配列方向Ａに対して偏光成分Ｅｅｘが直交することを意味している。 Example 2 of the method for forming compound semiconductor fine particles to which the present invention is applied will be described below. In Example 2, the polarization dependence was investigated. As shown in FIG. 6 (a), this polarization dependency is investigated by actually arranging quantum dots made of ZnO fine particles 37 on a substrate on the basis of the above-described flowchart of FIG. And the intensity of the output light emitted from the ZnO fine particles 37 was measured. The polarization direction of the light to be irradiated was measured by changing over the entire 360 ° from −90 ° to 270 °. Here θ = 0 ° (θ = 180 °) and the and the arrangement direction A and the polarization component E ex of ZnO particles 37 means a case in the same direction. On the other hand, θ = 90 ° (θ = −90 °) means that the polarization component E ex is orthogonal to the arrangement direction A.
図６(b)は、その偏光方向に対する出力光の強度を実際に測定した結果を示している。この図６(b)の結果から、θ＝０°（θ＝１８０°）において出力光の強度が極大になり、θ＝９０°（θ＝−９０°）において出力光の強度が極小になることが分かる。即ち、ＺｎＯ微粒子３７の配列方向Ａと偏光成分Ｅｅｘとが同一方向にある場合において、光の吸収効率が増大し、ＺｎＯ微粒子３７の配列方向Ａと偏光成分Ｅｅｘとが互いに直交する場合において、光の吸収効率が減少することが分かる。 FIG. 6B shows the result of actually measuring the intensity of the output light with respect to the polarization direction. From the result of FIG. 6B, the intensity of the output light becomes maximum at θ = 0 ° (θ = 180 °), and the intensity of the output light becomes minimum at θ = 90 ° (θ = −90 °). I understand that. That is, when the arrangement direction A of the ZnO fine particles 37 and the polarization component E ex are in the same direction, the light absorption efficiency increases, and when the arrangement direction A of the ZnO fine particles 37 and the polarization component E ex are orthogonal to each other. It can be seen that the light absorption efficiency decreases.
これらの傾向から、ＺｎＯ微粒子３７からなる量子ドットが線状に形成されていることが分かる。 From these tendencies, it can be seen that quantum dots made of ZnO fine particles 37 are formed in a linear shape.
５ カバーガラス
３１ 化合物半導体微粒子
３２ ＤＮＡ分子
３５ カチオン分子
３７ ＺｎＯ微粒子
5 Cover glass 31 Compound semiconductor fine particle 32 DNA molecule 35 Cationic molecule 37 ZnO fine particle
Claims (8)
上記溶液から上記化合物半導体微粒子を抽出し、
ＤＮＡ分子を浮遊させたＤＮＡ溶液に上記抽出した上記化合物半導体微粒子を混合することにより、当該ＤＮＡ分子に上記化合物半導体微粒子を吸着させ、
上記ＤＮＡ溶液を基板に付着させ、
更に上記基板上に付着させた上記ＤＮＡ溶液を乾燥させることにより、これに含まれているＤＮＡ分子を上記基板上に張り付けるとともに、当該ＤＮＡ分子に対して吸着されている上記化合物半導体微粒子を上記基板上に形成させること
を特徴とする化合物半導体微粒子の形成方法。 A silane coupling agent is mixed in a solution containing compound semiconductor fine particles made of any one of CdS, CdSe, ZnO, and InN,
Extracting the compound semiconductor fine particles from the solution;
The compound semiconductor fine particles are adsorbed on the DNA molecules by mixing the extracted compound semiconductor fine particles with the DNA solution in which the DNA molecules are suspended.
Attaching the DNA solution to a substrate;
Further, by drying the DNA solution adhered on the substrate, the DNA molecules contained in the DNA solution are pasted on the substrate, and the compound semiconductor fine particles adsorbed on the DNA molecules are bonded to the substrate. A method for forming compound semiconductor fine particles, comprising forming on a substrate.
を特徴とする請求項１記載の化合物半導体微粒子の形成方法。 The method for forming compound semiconductor fine particles according to claim 1, wherein the silane coupling agent is N-trimetroxylpropyl-N, N, N, trimethylammonium chloride.
負に帯電したＤＮＡ分子を浮遊させたＤＮＡ溶液に上記化合物半導体微粒子を混合することにより、当該ＤＮＡ分子に上記化合物半導体微粒子を上記カチオン性分子を介して吸着させ、
上記ＤＮＡ分子を上記基板上に張り付けるとともに、当該ＤＮＡ分子に対して吸着されている上記化合物半導体微粒子を上記基板上に形成させること
を特徴とする化合物半導体微粒子の形成方法。 Cationic molecules are attached to the surface of compound semiconductor fine particles made of any one of CdS, CdSe, ZnO, and InN,
By mixing the compound semiconductor fine particles with a DNA solution in which negatively charged DNA molecules are suspended, the compound semiconductor fine particles are adsorbed to the DNA molecules via the cationic molecules,
A method for forming compound semiconductor fine particles, comprising attaching the DNA molecules on the substrate and forming the compound semiconductor fine particles adsorbed on the DNA molecules on the substrate.
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の化合物半導体微粒子の形成方法。 The compound semiconductor fine particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound semiconductor fine particles are formed in a line by stretching the DNA linearly on the substrate and sticking the DNA. Forming method.
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の化合物半導体微粒子の形成方法。 The method for forming compound semiconductor fine particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound semiconductor fine particles are formed in a curved shape by pasting the DNA on the substrate in a curved shape.
を特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載の化合物半導体微粒子の形成方法。 The method for forming compound semiconductor fine particles according to any one of claims 1 to 5, wherein the compound semiconductor fine particles having a nanometer size are used.
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