JP6789016B2 - Manufacturing method of wavelength conversion nanoparticles - Google Patents

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Description

本発明は、波長変換ナノ粒子及びその製造方法、波長変換ナノ粒子を含んだ溶液に関する。 The present invention relates to wavelength conversion nanoparticles, a method for producing the same, and a solution containing wavelength conversion nanoparticles.

従来より、励起光を吸収すると共に、励起されたエネルギーを所定のバンドギャップエネルギーで遷移させることで、そのエネルギーに相当する波長の光を発光する波長変換材料としての半導体ナノ粒子が知られている。 Conventionally, semiconductor nanoparticles have been known as a wavelength conversion material that absorbs excitation light and emits light having a wavelength corresponding to that energy by transitioning the excited energy with a predetermined band gap energy. ..

具体的に、特許文献1では、コアがシェルに覆われて構成された半導体ナノ粒子が提案されている。このようなコアシェル構造では、バンドギャップエネルギーがより大きい化合物で被覆されることにより半導体ナノ粒子表面のエネルギー状態が安定する。このため、半導体ナノ粒子の発光効率が向上する。 Specifically, Patent Document 1 proposes semiconductor nanoparticles in which the core is covered with a shell. In such a core-shell structure, the energy state of the surface of the semiconductor nanoparticles is stabilized by being coated with a compound having a larger bandgap energy. Therefore, the luminous efficiency of the semiconductor nanoparticles is improved.

特表2008−544013号公報Japanese Patent Publication No. 2008-544013

しかしながら、上記従来の技術では、コアとシェルとの間の格子不整合に起因して、多数の結晶欠陥が発生したり、コアやシェルの表面に凹凸が発生する。このため、コア及びその上のシェルの結晶性が著しく低下し、表面に結晶欠陥が出来易くなるので、バンド端発光以外にも結晶欠陥による弱い発光が起き、ひいてはエネルギー利用効率が低下するという問題がある。 However, in the above-mentioned conventional technique, a large number of crystal defects are generated or irregularities are generated on the surface of the core or the shell due to the lattice mismatch between the core and the shell. For this reason, the crystallinity of the core and the shell above it is remarkably lowered, and crystal defects are likely to be formed on the surface. Therefore, weak light emission due to crystal defects occurs in addition to band-end light emission, which in turn reduces energy utilization efficiency. There is.

本発明は上記点に鑑み、発光強度を高めることができる波長変換ナノ粒子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above point, the purpose is to provide a method for manufacturing a wavelength conversion nanoparticles that can be enhanced emission intensity.

請求項に記載の発明では、励起光を吸収することによって励起状態を発生させるコア部(11)と、コア部(11)を覆うと共に、励起状態のコア部(11)からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を発生させる発光源としてのイオンを含んでおり、さらに最表面(15)に水溶性配位子が配置されたシェル部(12)と、を備え、発光源としてのイオンは、Mnイオンであり、コア部(11)はZnSeを主成分として構成され、シェル部(12)はZnSを主成分として構成された波長変換ナノ粒子の製造方法であって、まず、コア部(11)の原料となるイオン源(20、21)を、水溶性配位子としてN−アセチル−L−システインを含んだ水溶液中で混合する(第1混合工程)。また、第1混合工程で得られた第1混合液(22)のpHを調整する(調整工程)。そして、調整工程で得られた第1混合液(22)を加熱することで第1混合液(22)中にコア部(11)を形成する(第1加熱工程)。 In the invention according to claim 1 , the core portion (11) that generates an excited state by absorbing the excitation light and the core portion (11) are covered, and energy is transferred from the core portion (11) in the excited state. Along with this, it contains ions as a light emitting source that generates light having a wavelength corresponding to the band gap energy, and further includes a shell portion (12) in which a water-soluble ligand is arranged on the outermost surface (15). The ion as a light emitting source is Mn ion, the core portion (11) is composed of ZnSe as a main component, and the shell portion (12) is a method for producing wavelength-converted nanoparticles composed of ZnS as a main component. First, the ion sources (20, 21) that are the raw materials of the core portion (11) are mixed in an aqueous solution containing N-acetyl-L-cysteine as a water-soluble ligand (first mixing step). Further, the pH of the first mixed solution (22) obtained in the first mixing step is adjusted (adjustment step). Then, the core portion (11) is formed in the first mixed solution (22) by heating the first mixed solution (22) obtained in the adjusting step (first heating step).

次に、第1混合液(22)にシェル部(12)の原料となるイオン源(23)及び発光源としてのイオンを含んだイオン源(24)を混合し(第2混合工程)、第2混合工程で得られた第2混合液(25)を加熱することでシェル部(12)の一部を形成する(第2加熱工程)。 Next, the first mixed solution (22) is mixed with an ion source (23) as a raw material for the shell portion (12) and an ion source (24) containing ions as a light emitting source (second mixing step). 2 A part of the shell portion (12) is formed by heating the second mixed solution (25) obtained in the mixing step (second heating step).

また、第2加熱工程後の第2混合液(25)にシェル部(12)の原料となるイオン源(23)を混合し(第3混合工程)、第3混合工程で得られた第3混合液(26)を加熱することでシェル部(12)の一部を形成する(第3加熱工程)ことを特徴とする。 Further, the ion source (23) which is the raw material of the shell portion (12) is mixed with the second mixed solution (25) after the second heating step (third mixing step), and the third obtained in the third mixing step. It is characterized in that a part of the shell portion (12) is formed by heating the mixed liquid (26) (third heating step).

以上の製造方法によると、コア部11の製造時に長時間の加熱を行っても白濁が起こらないので、コア部11の結晶性が向上する。これに伴い、シェル部12の結晶性も向上する。このため、波長変換ナノ粒子10の全体で結晶欠陥が少ない構造を得ることができる。したがって、波長変換ナノ粒子10における結晶欠陥による発光を抑制することができ、ひいては波長変換ナノ粒子10の発光強度を向上させることができる。 According to manufacturing method described above, since the cloudiness be performed prolonged heating during production of the core part (11) does not occur, thereby improving the crystallinity of the core portion 11. Along with this, the crystallinity of the shell portion ( 12 ) is also improved. Therefore, it is possible to obtain a structure having few crystal defects in the entire wavelength-converted nanoparticles ( 10 ) . Therefore, it is possible to suppress light emission due to crystal defects in the wavelength conversion nanoparticles ( 10 ), and it is possible to improve the light emission intensity of the wavelength conversion nanoparticles ( 10 ) .

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 The reference numerals in parentheses of each means described in this column and the scope of claims indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.

本発明の第1実施形態に係る波長変換ナノ粒子の断面図である。It is sectional drawing of the wavelength conversion nanoparticles which concerns on 1st Embodiment of this invention. 波長変換ナノ粒子の波長変換機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the wavelength conversion function of a wavelength conversion nanoparticle. 波長変換ナノ粒子の製造工程を示した図である。It is a figure which showed the manufacturing process of the wavelength conversion nanoparticle. 波長変換ナノ粒子と比較品の発光スペクトルを示した図である。It is a figure which showed the emission spectrum of the wavelength conversion nanoparticle and the comparative product. 波長変換ナノ粒子にMnをドープしたものとドープしないものの発光スペクトルを示した図である。It is a figure which showed the emission spectrum of the wavelength conversion nanoparticles doped with Mn and undoped. コア部のシェル化の回数を変化させたときの波長変換ナノ粒子の発光スペクトルを示した図である。It is a figure which showed the emission spectrum of the wavelength conversion nanoparticles when the number of times of shelling of a core part was changed. 図6に示された波長変換ナノ粒子の発光スペクトルに対する比較例として、コアにMnイオンがドープされたものについての発光スペクトルを示した図である。As a comparative example with respect to the emission spectrum of the wavelength conversion nanoparticles shown in FIG. 6, it is a figure which showed the emission spectrum about the core doped with Mn ion. S/Se比と内部量子効率との関係を示した図である。It is a figure which showed the relationship between the S / Se ratio and the internal quantum efficiency. S/Se比を変化させたときの波長変換ナノ粒子の発光スペクトルを示した図である。It is a figure which showed the emission spectrum of the wavelength conversion nanoparticle when the S / Se ratio was changed.

(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態に係る波長変換ナノ粒子は、例えば太陽電池を構成するガラス表面に塗布されることで入射光の波長を所定の波長に変換することにより当該太陽電池の効率を向上させる等の用途に使用される。
(First Embodiment)
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The wavelength conversion nanoparticles according to the present embodiment are used, for example, for improving the efficiency of the solar cell by converting the wavelength of incident light into a predetermined wavelength by being applied to the glass surface constituting the solar cell. used.

図1に示されるように、波長変換ナノ粒子10は、コア部11及びシェル部12を備えて構成されている。このうちのコア部11は、励起光を吸収することによって励起状態を発生させる結晶部分である。コア部11は、半導体材料であるZnSeを主成分として構成されている。 As shown in FIG. 1, the wavelength conversion nanoparticles 10 are configured to include a core portion 11 and a shell portion 12. Of these, the core portion 11 is a crystal portion that generates an excited state by absorbing excitation light. The core portion 11 is composed mainly of ZnSe, which is a semiconductor material.

図2に示されるように、波長変換ナノ粒子10に紫外線(UV)を含んだ励起光が入射すると、コア部11の電子がZnSeのエネルギー準位に従って励起されて励起状態となる。なお、励起された電子が元のエネルギー準位に戻る際にする発光がバンド端発光である。 As shown in FIG. 2, when excitation light containing ultraviolet rays (UV) is incident on the wavelength conversion nanoparticles 10, the electrons in the core portion 11 are excited according to the energy level of ZnSe to be in an excited state. The light emitted when the excited electrons return to the original energy level is band-end light emission.

図1に示されたシェル部12は、コア部11を覆う結晶部分である。シェル部12は、半導体材料であるZnSを主成分として構成されている。このように、コア部11及びシェル部12はコアシェル構造を構成し、それぞれZn原子を含んで構成されている。 The shell portion 12 shown in FIG. 1 is a crystal portion that covers the core portion 11. The shell portion 12 is composed mainly of ZnS, which is a semiconductor material. As described above, the core portion 11 and the shell portion 12 form a core-shell structure, and each contains a Zn atom.

また、シェル部12は、発光源としてのイオンを含んでいる。発光源としてのイオンは、Mnイオン(Mn2+)である。図2に示されるように、Mnイオンは、励起状態のコア部11からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を発生させる役割を果たす。このように、シェル部12にはドーパントがドープされており、ドーパントがコア部11からのエネルギー移動によって発光する。 Further, the shell portion 12 contains ions as a light emitting source. The ion as a light emitting source is Mn ion (Mn 2+ ). As shown in FIG. 2, the Mn ion plays a role of generating light having a wavelength corresponding to the bandgap energy with the energy transfer from the core portion 11 in the excited state. As described above, the shell portion 12 is doped with a dopant, and the dopant emits light by energy transfer from the core portion 11.

ここで、シェル部12は、第1シェル部13及び第2シェル部14を有している。第1シェル部13はコア部11を覆うと共に、Mnイオンを含んだ部分である。第2シェル部14は、第1シェル部13を覆うと共に、Mnイオンを含んでいない部分である。これら各シェル部13、14は、図1では図示していないが、それぞれ薄い層が複数積層されて構成されている。 Here, the shell portion 12 has a first shell portion 13 and a second shell portion 14. The first shell portion 13 is a portion that covers the core portion 11 and contains Mn ions. The second shell portion 14 is a portion that covers the first shell portion 13 and does not contain Mn ions. Although not shown in FIG. 1, each of these shell portions 13 and 14 is configured by laminating a plurality of thin layers.

さらに、シェル部12は、最表面15に水溶性配位子であるN−アセチル−L−システインが配置されている。これにより、波長変換ナノ粒子10が水に分散すなわち溶けやすくなっている。つまり、波長変換ナノ粒子10を水溶液中で保存することができる。以下では、N−アセチル−L−システインをNACという。 Further, N-acetyl-L-cysteine, which is a water-soluble ligand, is arranged on the outermost surface 15 of the shell portion 12. As a result, the wavelength conversion nanoparticles 10 are easily dispersed, that is, dissolved in water. That is, the wavelength conversion nanoparticles 10 can be stored in an aqueous solution. Hereinafter, N-acetyl-L-cysteine is referred to as NAC.

次に、波長変換ナノ粒子10の製造方法について説明する。まず、コア部11を形成する。具体的には、図3(a)に示す第1混合工程では、コア部11の原料となるイオン源20、21を、水溶性配位子としてN−アセチル−L−システインを含んだ水溶液中で混合する。これにより、第1混合液22を作る。 Next, a method for producing the wavelength conversion nanoparticles 10 will be described. First, the core portion 11 is formed. Specifically, in the first mixing step shown in FIG. 3A, the ion sources 20 and 21 which are the raw materials of the core portion 11 are contained in an aqueous solution containing N-acetyl-L-cysteine as a water-soluble ligand. Mix with. As a result, the first mixed solution 22 is prepared.

イオン源20はZnイオンを含んだZn源であり、例えばZn(ClO・6HO(過塩素酸亜鉛)である。また、イオン源20は、ZnとNACとを1:4.8のモル比で含む水溶液である。イオン源20をこの条件とすることで結晶性の良いコア部11を形成することができる。一方、イオン源21はSeイオンを含んだSeイオン源であり、例えばNaHSeである。 The ion source 20 is a Zn source containing Zn ions, for example Zn (ClO 4) 2 · 6H 2 O ( zinc perchlorate). The ion source 20 is an aqueous solution containing Zn and NAC in a molar ratio of 1: 4.8. By setting the ion source 20 as this condition, the core portion 11 having good crystallinity can be formed. On the other hand, the ion source 21 is a Se ion source containing Se ions, for example, NaHSe.

続いて、図3(b)に示す調整工程では、第1混合工程で得られた第1混合液22のpHが6.0となるように第1混合液22に水酸化ナトリウム(NaOH)を添加する。 Subsequently, in the adjustment step shown in FIG. 3B, sodium hydroxide (NaOH) was added to the first mixed solution 22 so that the pH of the first mixed solution 22 obtained in the first mixing step was 6.0. Added.

そして、図3(c)に示す第1加熱工程では、pH調整された第1混合液22を加熱することで第1混合液22中にコア部11の結晶(ZnSe)を形成する。加熱は、ユラボ社のオートクレーブやオイルバスを用いることができる。加熱時間は60分であり、加熱温度は150℃〜200℃である。長時間で高温の加熱を行うことでコア部11の結晶性を良くすることができる。 Then, in the first heating step shown in FIG. 3C, the pH-adjusted first mixed solution 22 is heated to form crystals (ZnSe) of the core portion 11 in the first mixed solution 22. For heating, an autoclave or oil bath manufactured by Yulabo can be used. The heating time is 60 minutes, and the heating temperature is 150 ° C. to 200 ° C. The crystallinity of the core portion 11 can be improved by heating at a high temperature for a long time.

また、第1加熱工程では、pH調整された第1混合液22の加熱時のpHを6〜8としている。これは、pHが6より低いと波長変換ナノ粒子10が壊れてイオン化してしまい、pHが8より高いと波長変換ナノ粒子10の発光効率が悪くなってしまうからである。本工程では、pHを6.0とした。 Further, in the first heating step, the pH of the pH-adjusted first mixed solution 22 at the time of heating is set to 6 to 8. This is because if the pH is lower than 6, the wavelength-converted nanoparticles 10 are broken and ionized, and if the pH is higher than 8, the luminous efficiency of the wavelength-converted nanoparticles 10 deteriorates. In this step, the pH was set to 6.0.

次に、シェル部12を形成する。まず、図3(d)に示す第2混合工程では、第1加熱工程で得られた第1混合液22にシェル部12の原料となるイオン源23及び発光源としてのイオンを含んだイオン源24を混合する。これにより、第2混合液25を作る。 Next, the shell portion 12 is formed. First, in the second mixing step shown in FIG. 3 (d), the first mixed solution 22 obtained in the first heating step contains an ion source 23 as a raw material for the shell portion 12 and an ion source as a light emitting source. 24 is mixed. As a result, the second mixed solution 25 is prepared.

イオン源23は、Znイオン及びSイオンを含んだZn源及びS源であり、例えばZn(ClO・6HO及びNaSである。イオン源23は水溶液である。一方、イオン源24は、Mnイオンを含んだMn源であり、例えばMn(ClO・6HOである。また、イオン源24は、MnとNACとを1:1のモル比で含む水溶液である。イオン源24をこの条件とすることで結晶性の良いシェル部12を形成することができる。 The ion source 23 is a Zn source and S sources containing Zn ions and S ions, for example Zn (ClO 4) is 2 · 6H 2 O and Na 2 S. The ion source 23 is an aqueous solution. On the other hand, the ion source 24, a Mn source containing Mn ions, for example Mn (ClO 4) is 2 · 6H 2 O. The ion source 24 is an aqueous solution containing Mn and NAC in a molar ratio of 1: 1. By setting the ion source 24 as this condition, the shell portion 12 having good crystallinity can be formed.

ここで、Mnのモル比がZnに対して10%となるように、イオン源24のモル比を調整する。これは、この後の工程でイオン源23、24を第2混合液25に何度も追加していくためである。 Here, the molar ratio of the ion source 24 is adjusted so that the molar ratio of Mn is 10% with respect to Zn. This is because the ion sources 23 and 24 are added to the second mixed solution 25 many times in the subsequent steps.

続いて、図3(e)に示す第2加熱工程では、第2混合液25をマイクロ波加熱する。マイクロ波加熱は、CEM社のDiscover SPを用いることができる。加熱時間は5分であり、加熱温度は80℃〜100℃である。この温度範囲とすることで良好な結晶が得られる。これにより、コア部11の表面にMnイオンを含んだZnSの層を一層形成する。第2加熱工程においても、加熱時の第2混合液25のpHは6〜8になっている。 Subsequently, in the second heating step shown in FIG. 3 (e), the second mixed solution 25 is microwave-heated. For microwave heating, Discover SP manufactured by CEM can be used. The heating time is 5 minutes, and the heating temperature is 80 ° C. to 100 ° C. Good crystals can be obtained in this temperature range. As a result, a ZnS layer containing Mn ions is further formed on the surface of the core portion 11. Also in the second heating step, the pH of the second mixed solution 25 during heating is 6 to 8.

Mnイオンを含んでいない第1混合液22に対して、Mnイオンを含んだ第2混合液25に対する加熱時間を短くしているのは、第2混合液25の白濁を抑制するためである。すなわち、シェル部12のNACの配位が無くなって複数の粒子が凝集して結晶欠陥が発生してしまうことを抑制するためである。 The reason why the heating time for the second mixed solution 25 containing Mn ions is shorter than that for the first mixed solution 22 containing no Mn ions is to suppress the white turbidity of the second mixed solution 25. That is, this is to prevent the NAC coordination of the shell portion 12 from being lost and a plurality of particles from aggregating to generate crystal defects.

そして、SとSeとのモル比がS/Se=2.0になるまで、図3(d)の第2混合工程と図3(e)の第2加熱工程とを繰り返す。例えば、第2混合液25に対して0.25モルのSを含んだイオン源23を混合して加熱することを6回繰り返す。これにより、シェル部12の一部であるMnイオンを含んだ複数のZnSの層、すなわち第1シェル部13を形成する。 Then, the second mixing step of FIG. 3 (d) and the second heating step of FIG. 3 (e) are repeated until the molar ratio of S and Se becomes S / Se = 2.0. For example, the ion source 23 containing 0.25 mol of S is mixed with the second mixed solution 25 and heated, which is repeated 6 times. As a result, a plurality of ZnS layers containing Mn ions that are a part of the shell portion 12, that is, the first shell portion 13 are formed.

この後、図3(f)に示す第3混合工程では、第2混合液25にシェル部12の原料となるイオン源23を混合する。これにより、第3混合液26を作る。そして、図3(g)に示す第3加熱工程では、第3混合液26をマイクロ波加熱する。加熱時間は2分であり、加熱温度は100℃〜140℃である。この温度範囲とすることで良好な結晶が得られる。これにより、シェル部12の一部であるZnSの層を形成する。第3加熱工程においても、加熱時の第3混合液26のpHは6〜8になっている。 After that, in the third mixing step shown in FIG. 3 (f), the ion source 23, which is the raw material of the shell portion 12, is mixed with the second mixed liquid 25. As a result, the third mixed solution 26 is prepared. Then, in the third heating step shown in FIG. 3 (g), the third mixed solution 26 is microwave-heated. The heating time is 2 minutes, and the heating temperature is 100 ° C. to 140 ° C. Good crystals can be obtained in this temperature range. As a result, a layer of ZnS which is a part of the shell portion 12 is formed. Also in the third heating step, the pH of the third mixed solution 26 at the time of heating is 6 to 8.

そして、上記と同様に、SとSeとのモル比がS/Se=15になるまで、図3(f)の第3混合工程と図3(g)の第3加熱工程とを繰り返す。これにより、複数のZnSの層、すなわち第2シェル部14を形成する。こうして、コア部11がシェル部12で被覆された波長変換ナノ粒子10(ZnSe/Mn/ZnS)が完成する。ここで、シェル部12の最表面15にはNACが配位しており、波長変換ナノ粒子10が水溶液中に分散した状態になっている。このようにして、波長変換ナノ粒子10が完成する。 Then, in the same manner as described above, the third mixing step of FIG. 3 (f) and the third heating step of FIG. 3 (g) are repeated until the molar ratio of S and Se becomes S / Se = 15. As a result, a plurality of ZnS layers, that is, the second shell portion 14, is formed. In this way, the wavelength conversion nanoparticles 10 (ZnSe / Mn / ZnS) in which the core portion 11 is coated with the shell portion 12 are completed. Here, NAC is coordinated on the outermost surface 15 of the shell portion 12, and the wavelength conversion nanoparticles 10 are in a state of being dispersed in the aqueous solution. In this way, the wavelength conversion nanoparticles 10 are completed.

発明者らは、上記のように製造した波長変換ナノ粒子10に対して325nmの励起光を照射して発光スペクトルを測定した。比較例として、コアであるZnSeSにMnイオンをドープしたナノ粒子(ZnSeS:Mn)の発光スペクトルも測定した。比較品はシェル部12が無い構成である。測定には日本分光株式会社の分光蛍光光度計FP8600を用いた。その結果を図4に示す。 The inventors measured the emission spectrum by irradiating the wavelength-converted nanoparticles 10 produced as described above with excitation light of 325 nm. As a comparative example, the emission spectrum of nanoparticles (ZnSeS: Mn) obtained by doping the core ZnSeS with Mn ions was also measured. The comparative product has a configuration without the shell portion 12. A spectrofluorometer FP8600 manufactured by JASCO Corporation was used for the measurement. The result is shown in FIG.

図4に示されるように、本実施形態に係る波長変換ナノ粒子10では400nm付近と600nm付近に発光強度のピークが現れた。一方、比較品では600nm付近に発光強度のピークが現れた。400nm付近のピークはZnSeのバンド端発光によるピークである。また、600nm付近のピークはMnの発光によるピークであり、可視光の発光である。波長変換ナノ粒子10は、可視光について、比較品に対して約4倍高い発光強度が得られた。なお、480nm付近のピークは結晶欠陥によるピークであると考えられる。 As shown in FIG. 4, in the wavelength conversion nanoparticles 10 according to the present embodiment, peaks of emission intensity appeared at around 400 nm and around 600 nm. On the other hand, in the comparative product, a peak of emission intensity appeared around 600 nm. The peak near 400 nm is a peak due to the band end emission of ZnSe. Further, the peak near 600 nm is a peak due to the emission of Mn, which is the emission of visible light. The wavelength-converted nanoparticles 10 had an emission intensity about 4 times higher than that of the comparative product for visible light. The peak near 480 nm is considered to be a peak due to crystal defects.

また、発明者らは、図4に示された蛍光波長の範囲で波長変換ナノ粒子10が吸収した光に対してどれだけ発光したかを示す全内部量子効率を調べた。その結果、波長変換ナノ粒子10の全内部量子効率は58.7%であった。これは、吸収した光の6割程度を発光に変換したことを意味する。Mnの発光ピーク付近である500nm〜700nmの範囲では、波長変換ナノ粒子10の全内部量子効率は51.9%であった。 In addition, the inventors investigated the total internal quantum efficiency indicating how much the wavelength-converted nanoparticles 10 emitted with respect to the light absorbed in the range of the fluorescence wavelength shown in FIG. As a result, the total internal quantum efficiency of the wavelength-converted nanoparticles 10 was 58.7%. This means that about 60% of the absorbed light is converted into light emission. In the range of 500 nm to 700 nm near the emission peak of Mn, the total internal quantum efficiency of the wavelength conversion nanoparticles 10 was 51.9%.

これに対し、比較品の全内部量子効率は31.0%であった。また、500nm〜700nmの範囲では、比較品の全内部量子効率は28.3%であった。すなわち、波長変換ナノ粒子10は比較品に対して約2倍の発光効率を持った素子であると言える。 On the other hand, the total internal quantum efficiency of the comparative product was 31.0%. Further, in the range of 500 nm to 700 nm, the total internal quantum efficiency of the comparative product was 28.3%. That is, it can be said that the wavelength conversion nanoparticles 10 are elements having a luminous efficiency about twice that of the comparative product.

さらに、発明者らは、本実施形態に係る波長変換ナノ粒子10と、当該波長変換ナノ粒子10のシェル部12にMnイオンをドープしないものと、の発光スペクトルをそれぞれ測定した。その結果を図5に示す。 Further, the inventors measured the emission spectra of the wavelength-converted nanoparticles 10 according to the present embodiment and those in which the shell portion 12 of the wavelength-converted nanoparticles 10 was not doped with Mn ions. The result is shown in FIG.

図5に示されるように、Mnイオンをドープした波長変換ナノ粒子10は図4に示された発光スペクトルと同じになる。一方、Mnイオンをドープしていない波長変換ナノ粒子10の発光スペクトルは、400nm付近のバンド端発光のピークが大きく現れるが、600nm付近ではほとんど発光のピークが現れない。なお、Mnイオンをドープしていない波長変換ナノ粒子10の全内部量子効率は52.8%であった。このように、シェル部12にドーパントをドープすることによって、入射光から所望の波長の光を選択的に取り出すことができる。 As shown in FIG. 5, the wavelength conversion nanoparticles 10 doped with Mn ions have the same emission spectrum as shown in FIG. On the other hand, in the emission spectrum of the wavelength-converted nanoparticles 10 not doped with Mn ions, a large peak of band-end emission near 400 nm appears, but a peak of emission hardly appears near 600 nm. The total internal quantum efficiency of the wavelength-converted nanoparticles 10 not doped with Mn ions was 52.8%. By doping the shell portion 12 with a dopant in this way, it is possible to selectively extract light having a desired wavelength from the incident light.

また、発明者らは、波長変換ナノ粒子10のシェル部12の被覆層数を変化させたときの波長変換ナノ粒子10(ZnSe/ZnS:Mn)の発光スペクトルを測定した。その結果を図6に示す。なお、測定装置及び測定条件は上記と同じである。また、横軸は光子エネルギーを示し、縦軸は発光強度を示している。 In addition, the inventors measured the emission spectrum of the wavelength-converted nanoparticles 10 (ZnSe / ZnS: Mn) when the number of coating layers of the shell portion 12 of the wavelength-converted nanoparticles 10 was changed. The result is shown in FIG. The measuring device and measuring conditions are the same as above. The horizontal axis represents photon energy, and the vertical axis represents emission intensity.

図6に示されるように、ZnSeで構成されたコア部11のみでは、3.0eV〜3.5eVにピークが現れた。そして、コア部11にシェル化を1回行ったものは、コア部11のピークだけではなく、2.09eVにもピークが現れた。この2.09eVのピークはシェル部12にドープされたMnイオンによるものである。 As shown in FIG. 6, a peak appeared at 3.0 eV to 3.5 eV only in the core portion 11 composed of ZnSe. Then, when the core portion 11 was shelled once, a peak appeared not only at the peak of the core portion 11 but also at 2.09 eV. This 2.09 eV peak is due to Mn ions doped in the shell portion 12.

そして、コア部11に対するシェル化を4回行ったものは1回行ったものよりも発光強度のピーク値が大きくなった。なお、シェル化とは、図3(f)の第3混合工程と図3(g)の第3加熱工程とを繰り返すことである。 Then, the peak value of the emission intensity of the core portion 11 that was shelled four times was larger than that of the core portion 11 that was shelled four times. In addition, shelling means repeating the third mixing step of FIG. 3 (f) and the third heating step of FIG. 3 (g).

さらに、コア部11のシェル化を5回行ったものは4回のものよりも発光強度のピーク値が大きくなった。このように、コア部11に対してシェル部12の層を厚くすることでMnイオンによる発光のピークが大きくなることがわかった。これは、シェル部12に含まれるMnイオンの量が増加したことに対応していると考えられる。 Further, the case where the core portion 11 was shelled 5 times had a larger peak value of the emission intensity than the case where the core portion 11 was shelled 5 times. As described above, it was found that the peak of light emission by Mn ions is increased by thickening the layer of the shell portion 12 with respect to the core portion 11. It is considered that this corresponds to the increase in the amount of Mn ions contained in the shell portion 12.

これに対する比較例として、発明者らは、コアであるZnSeにMnイオンをドープしたものをZnSeでシェル化したナノ粒子(ZnSe:Mn/ZnS)の発光スペクトルも測定した。その結果を図7に示す。 As a comparative example, the inventors also measured the emission spectrum of nanoparticles (ZnSe: Mn / ZnS) obtained by shelling a core ZnSe doped with Mn ions with ZnSe. The result is shown in FIG.

図7に示されるように、Mnイオンを含むZnSeのコアのみでは、2.13eVにピークが現れた。そして、コアがZnSでシェル化された場合、1回のシェル化によって3.0eV付近にZnSのピークが現れた。Mnイオンはコアに含まれるだけであるので、シェル化の回数が4回や5回に増加しても2.13eVのピーク値の増加は僅かだった。また、ピーク値の最大値は、波長変換ナノ粒子10よりも低い値であり、図6に示されたシェル化1回目と同程度であった。 As shown in FIG. 7, a peak appeared at 2.13 eV only in the ZnSe core containing Mn ions. Then, when the core was shelled with ZnS, a peak of ZnS appeared in the vicinity of 3.0 eV by one shelling. Since Mn ions are only contained in the core, the increase in the peak value of 2.13 eV was slight even if the number of shelling was increased to 4 or 5. Further, the maximum value of the peak value was lower than that of the wavelength-converted nanoparticles 10, which was about the same as that of the first shelling shown in FIG.

上記の結果によると、シェル部12に発光源であるMnイオンが含まれる波長変換ナノ粒子10の場合、Mnイオンの発光スペクトルのピークが2.12eVよりも低エネルギー側に現れている。さらに詳細には、ピークが2.10eVよりも低エネルギー側に現れている。また、Mnイオンの発光スペクトルのピークは2.06eVよりも高エネルギー側に現れている。 According to the above results, in the case of the wavelength-converted nanoparticles 10 in which the shell portion 12 contains Mn ions as a light emitting source, the peak of the light emission spectrum of Mn ions appears on the energy side lower than 2.12 eV. More specifically, the peak appears on the lower energy side than 2.10 eV. Further, the peak of the emission spectrum of Mn ion appears on the higher energy side than 2.06 eV.

したがって、2.06eV〜2.12eVの範囲、より詳細には2.06eV〜2.10eVの範囲に発光スペクトルのピークが現れた場合、そのピークはコア部11にMnイオンがドープされた波長変換ナノ粒子10のピークであると言える。 Therefore, when a peak of the emission spectrum appears in the range of 2.06 eV to 2.12 eV, more specifically in the range of 2.06 eV to 2.10 eV, the peak is a wavelength conversion in which the core portion 11 is doped with Mn ions. It can be said that this is the peak of the nanoparticles 10.

ここで、波長と発光エネルギーとの関係は一義的に決まる。したがって、2.12eVを波長変換(=1240/2.12)すると、585nmとなる。したがって、波長の観点では、波長変換ナノ粒子10のMnイオンの発光スペクトルのピークは585nmよりも長波長側に現れる。 Here, the relationship between the wavelength and the emission energy is uniquely determined. Therefore, when 2.12 eV is wavelength-converted (= 1240 / 2.12), it becomes 585 nm. Therefore, from the viewpoint of wavelength, the peak of the emission spectrum of the Mn ion of the wavelength-converted nanoparticles 10 appears on the longer wavelength side than 585 nm.

同様に、2.10eVを波長変換すると590nmであるので、Mnイオンの発光スペクトルのピークは590nmよりも長波長側に現れる。波長の上限値についても同様に、2.06eVを波長変換すると601nmであるので、Mnイオンの発光スペクトルのピークは601nmよりも低波長側に現れる。 Similarly, when 2.10 eV is wavelength-converted, it is 590 nm, so that the peak of the emission spectrum of Mn ions appears on the longer wavelength side than 590 nm. Similarly, the upper limit of the wavelength is 601 nm when 2.06 eV is wavelength-converted, so that the peak of the emission spectrum of Mn ions appears on the lower wavelength side than 601 nm.

したがって、585nm〜601nmの範囲、より詳細には590nm〜601nmの範囲に発光スペクトルのピークが現れた場合、そのピークはコア部11にMnイオンがドープされた波長変換ナノ粒子10のピークであると言える。 Therefore, when a peak of the emission spectrum appears in the range of 585 nm to 601 nm, more specifically in the range of 590 nm to 601 nm, the peak is considered to be the peak of the wavelength conversion nanoparticles 10 in which the core portion 11 is doped with Mn ions. I can say.

また、発明者らは、コア部11を構成するSeに対してシェル部12を構成するSの比を変化させたときの内部量子効率及び発光スペクトルについて調べた。発光スペクトルの測定装置及び測定条件は上記と同じである。 In addition, the inventors investigated the internal quantum efficiency and the emission spectrum when the ratio of S constituting the shell portion 12 to Se constituting the core portion 11 was changed. The measurement device and measurement conditions for the emission spectrum are the same as above.

ここでは、2個の試料を用意し、各試料に対してS/Se比を大きくしていくと共に、S/Se比が16、46、69、92の場合の4点で測定を行った。測定値の平均値±3σを算出した。その結果を図8に示す。図8の横軸はS/Se比を示しており、S/Se比が大きいほどシェル部12の層が何層も重ねられて厚くなっていることを意味する。 Here, two samples were prepared, the S / Se ratio was increased for each sample, and the measurement was performed at four points when the S / Se ratio was 16, 46, 69, 92. The average value of the measured values ± 3σ was calculated. The result is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 8 shows the S / Se ratio, and the larger the S / Se ratio, the thicker the layers of the shell portion 12 are stacked.

図8に示されるように、S/Se比と内部量子効率との関係は、比16の場合は59.5±1.3%になり、比46の場合は64.2±5.2%になり、比69の場合は66.9±7.0%になり、比92の場合のは57.9±9.9%になった。 As shown in FIG. 8, the relationship between the S / Se ratio and the internal quantum efficiency is 59.5 ± 1.3% in the case of the ratio 16 and 64.2 ± 5.2% in the case of the ratio 46. In the case of the ratio 69, it was 66.9 ± 7.0%, and in the case of the ratio 92, it was 57.9 ± 9.9%.

そして、上記の4点から、S/Se比が16以上86以下の場合、内部量子効率が確実に60%以上になった。したがって、S/Se比が16以上86以下の範囲となるように波長変換ナノ粒子10を構成することで、高い波長変換効率が得られる。また、S/Se比を46以上76以下の範囲に限定することで、さらに高波長変換効率を持つ波長変換ナノ粒子10が得られる。 From the above four points, when the S / Se ratio is 16 or more and 86 or less, the internal quantum efficiency is surely 60% or more. Therefore, high wavelength conversion efficiency can be obtained by configuring the wavelength conversion nanoparticles 10 so that the S / Se ratio is in the range of 16 or more and 86 or less. Further, by limiting the S / Se ratio to the range of 46 or more and 76 or less, the wavelength conversion nanoparticles 10 having higher wavelength conversion efficiency can be obtained.

図9に示されるように、S/Se比が16、46、69、92の場合の発光スペクトルのピークは、2.07eVに現れた。もちろん、上述の2.06eV〜2.10eVの範囲に含まれている。さらに、S/Se比が小さくなるほど、発光強度が高くなる結果となった。なお、図9では、横軸を蛍光波長で示している。2.07eVを波長変換すると599nmに対応する。 As shown in FIG. 9, the peak of the emission spectrum when the S / Se ratio was 16, 46, 69, 92 appeared at 2.07 eV. Of course, it is included in the above-mentioned range of 2.06 eV to 2.10 eV. Further, the smaller the S / Se ratio, the higher the emission intensity. In FIG. 9, the horizontal axis is indicated by the fluorescence wavelength. Wavelength conversion of 2.07 eV corresponds to 599 nm.

以上説明したように、本実施形態に係る波長変換ナノ粒子10では、コア部11にドーパントがドープされているのではなく、コア部11を覆うシェル部12にドープされた構成が特徴となっている。これによると、コア部11の製造時に長時間の加熱が可能になり、コア部11の結晶性が向上するので、コア部11の上に形成されるシェル部12の結晶性も向上する。このため、波長変換ナノ粒子10の全体で結晶欠陥が少なくなり、ひいては結晶欠陥による発光を抑制することができる。すなわち、入射光を効率的に所望の波長の光に変換することができる。したがって、波長変換ナノ粒子10のエネルギー利用効率を向上させることができる。言い換えると、波長変換ナノ粒子10の発光強度を向上させることができる。 As described above, the wavelength conversion nanoparticles 10 according to the present embodiment are characterized in that the core portion 11 is not doped with a dopant, but the shell portion 12 covering the core portion 11 is doped. There is. According to this, it is possible to heat the core portion 11 for a long time at the time of manufacturing, and the crystallinity of the core portion 11 is improved, so that the crystallinity of the shell portion 12 formed on the core portion 11 is also improved. Therefore, crystal defects are reduced in the entire wavelength-converted nanoparticles 10, and light emission due to crystal defects can be suppressed. That is, the incident light can be efficiently converted into light having a desired wavelength. Therefore, the energy utilization efficiency of the wavelength conversion nanoparticles 10 can be improved. In other words, the emission intensity of the wavelength-converted nanoparticles 10 can be improved.

また、波長変換ナノ粒子10の最表面15には水溶性配位子が配置されているので、波長変換ナノ粒子10が水に溶けやすくなっている。このため、波長変換ナノ粒子10を利用する際の取扱いを容易にすることができる。 Further, since the water-soluble ligand is arranged on the outermost surface 15 of the wavelength-converted nanoparticles 10, the wavelength-converted nanoparticles 10 are easily dissolved in water. Therefore, it is possible to facilitate the handling when the wavelength conversion nanoparticles 10 are used.

(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態で示された波長変換ナノ粒子10が液体に分散・拡散した状態になっている。このように、本実施形態では、波長変換ナノ粒子10は溶液として取り扱われる。液体が水の場合、波長変換ナノ粒子10は水溶液の状態で取り扱われる。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the wavelength conversion nanoparticles 10 shown in the first embodiment are in a state of being dispersed and diffused in a liquid. As described above, in the present embodiment, the wavelength conversion nanoparticles 10 are treated as a solution. When the liquid is water, the wavelength conversion nanoparticles 10 are handled in the form of an aqueous solution.

本実施形態に係る発光源としてのイオンはMnイオンである。したがって、溶液の状態において、第1実施形態と同様に、発光スペクトルのピークが2.12eVあるいは2.10eVよりも低エネルギー側に現れる。一方、発光スペクトルのピークが2.06eVよりも高エネルギー側に現れる。以上のように、溶液の状態で波長変換ナノ粒子10を取り扱うことができる。 The ion as a light emitting source according to this embodiment is Mn ion. Therefore, in the state of the solution, the peak of the emission spectrum appears on the lower energy side than 2.12 eV or 2.10 eV as in the first embodiment. On the other hand, the peak of the emission spectrum appears on the higher energy side than 2.06 eV. As described above, the wavelength conversion nanoparticles 10 can be handled in the state of a solution.

なお、波長変換ナノ粒子10を分散・拡散させる液体は水に限られず、他の液体を採用しても構わない。 The liquid that disperses and diffuses the wavelength conversion nanoparticles 10 is not limited to water, and other liquids may be used.

(他の実施形態)
上記の実施形態で示された波長変換ナノ粒子10の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記で示した波長変換ナノ粒子10の製造条件は一例であり、他の条件で製造しても構わない。
(Other embodiments)
The configuration of the wavelength conversion nanoparticles 10 shown in the above embodiment is an example, and the configuration is not limited to the configuration shown above, and other configurations that can realize the present invention can be used. For example, the production conditions of the wavelength conversion nanoparticles 10 shown above are an example, and may be produced under other conditions.

上記各実施形態ではドーパントとしてMnイオンが用いられたが、これは一例である。例えば、ドーパントとしてCu2+、Eu3+、Yb3+等の他のイオンを採用しても良い。これにより、ドーパントに対応した波長を取り出すことが可能となる。 In each of the above embodiments, Mn ion was used as the dopant, which is an example. For example, other ions such as Cu 2+ , Eu 3+ , and Yb 3+ may be used as the dopant. This makes it possible to extract the wavelength corresponding to the dopant.

また、コア部11及びシェル部12を他の半導体材料で構成しても良い。さらに、水溶性配位子としては、NACの他、メルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸、メルカプトこはく酸等を採用しても良い。 Further, the core portion 11 and the shell portion 12 may be made of another semiconductor material. Further, as the water-soluble ligand, in addition to NAC, mercaptoacetic acid, mercaptopropionic acid, mercaptosuccinic acid and the like may be adopted.

11 コア部
12 シェル部
15 最表面
20、21、23、24 イオン源
22、25、26 混合液
11 Core part 12 Shell part 15 Outer surface 20, 21, 23, 24 Ion source 22, 25, 26 Mixed solution

Claims (5)

励起光を吸収することによって励起状態を発生させるコア部(11)と、
前記コア部(11)を覆うと共に、前記励起状態のコア部(11)からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を発生させる発光源としてのイオンを含んでおり、さらに最表面(15)に水溶性配位子が配置されたシェル部(12)と、
を備え
前記発光源としてのイオンは、Mnイオンであり、
前記コア部(11)はZnSeを主成分として構成され、前記シェル部(12)はZnSを主成分として構成された波長変換ナノ粒子の製造方法であって、
前記コア部(11)の原料となるイオン源(20、21)を、前記水溶性配位子としてN−アセチル−L−システインを含んだ水溶液中で混合する第1混合工程と、
前記第1混合工程で得られた第1混合液(22)のpHを調整する調整工程と、
前記調整工程で得られた前記第1混合液(22)を加熱することで前記第1混合液(22)中に前記コア部(11)を形成する第1加熱工程と、
前記第1混合液(22)に前記シェル部(12)の原料となるイオン源(23)及び前記発光源としてのイオンを含んだイオン源(24)を混合する第2混合工程と、
前記第2混合工程で得られた第2混合液(25)を加熱することで前記シェル部(12)の一部を形成する第2加熱工程と、
前記第2加熱工程後の前記第2混合液(25)に前記シェル部(12)の原料となるイオン源(23)を混合する第3混合工程と、
前記第3混合工程で得られた第3混合液(26)を加熱することで前記シェル部(12)の一部を形成する第3加熱工程と、
を含んでいることを特徴とする波長変換ナノ粒子の製造方法。
A core portion (11) that generates an excited state by absorbing excitation light,
It covers the core portion (11) and contains ions as a light emitting source that generates light having a wavelength corresponding to the bandgap energy as the energy is transferred from the core portion (11) in the excited state. A shell portion (12) in which a water-soluble ligand is arranged on the surface (15),
Equipped with a,
The ion as the light emitting source is Mn ion.
The core portion (11) is composed of ZnSe as a main component, and the shell portion (12) is a method for producing wavelength-converted nanoparticles composed of ZnS as a main component .
The first mixing step of mixing the ion sources (20, 21) which are the raw materials of the core portion (11) in an aqueous solution containing N-acetyl-L-cysteine as the water-soluble ligand.
An adjustment step of adjusting the pH of the first mixed solution (22) obtained in the first mixing step, and a step of adjusting the pH.
A first heating step of forming the core portion (11) in the first mixed solution (22) by heating the first mixed solution (22) obtained in the adjusting step.
A second mixing step of mixing the first mixed solution (22) with an ion source (23) as a raw material for the shell portion (12) and an ion source (24) containing ions as a light emitting source.
A second heating step of forming a part of the shell portion (12) by heating the second mixed liquid (25) obtained in the second mixing step, and
A third mixing step of mixing the second mixed solution (25) after the second heating step with an ion source (23) which is a raw material of the shell portion (12).
A third heating step of forming a part of the shell portion (12) by heating the third mixed solution (26) obtained in the third mixing step.
A method for producing wavelength-converted nanoparticles, which comprises.
前記第1混合工程では、前記コア部(11)の原料となるイオン源(20、21)として、Znと前記N−アセチル−L−システインとを1:4.8のモル比で含む水溶液を用い、
前記第2混合工程では、前記発光源としてのイオンを含んだイオン源(24)として、Mnと前記N−アセチル−L−システインとを1:1のモル比で含む水溶液を用いることを特徴とする請求項に記載の波長変換ナノ粒子の製造方法。
In the first mixing step, an aqueous solution containing Zn and the N-acetyl-L-cysteine in a molar ratio of 1: 4.8 is used as an ion source (20, 21) as a raw material for the core portion (11). Use,
The second mixing step is characterized in that an aqueous solution containing Mn and the N-acetyl-L-cysteine in a molar ratio of 1: 1 is used as the ion source (24) containing ions as the light emitting source. The method for producing wavelength-converted nanoparticles according to claim 1 .
前記第2加熱工程及び前記第3加熱工程では、前記加熱としてマイクロ波加熱を行うことを特徴とする請求項またはに記載の波長変換ナノ粒子の製造方法。 The method for producing wavelength-converted nanoparticles according to claim 1 or 2 , wherein in the second heating step and the third heating step, microwave heating is performed as the heating. 前記第1加熱工程では、加熱温度が150℃〜200℃であり、
前記第2加熱工程及び前記第3加熱工程では、加熱温度が80℃〜140℃であることを特徴とする請求項ないしのいずれか1つに記載の波長変換ナノ粒子の製造方法。
In the first heating step, the heating temperature is 150 ° C. to 200 ° C.
The method for producing wavelength-converted nanoparticles according to any one of claims 1 to 3 , wherein in the second heating step and the third heating step, the heating temperature is 80 ° C. to 140 ° C.
前記第1加熱工程、前記第2加熱工程、及び前記第3加熱工程では、加熱時のpHが6〜8であることを特徴とする請求項ないしのいずれか1つに記載の波長変換ナノ粒子の製造方法。 The wavelength conversion according to any one of claims 1 to 4 , wherein the pH at the time of heating is 6 to 8 in the first heating step, the second heating step, and the third heating step. A method for producing nanoparticles.
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