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JP2009132771A - Core-shell-type semiconductor nanoparticle and its manufacturing method - Google Patents

Core-shell-type semiconductor nanoparticle and its manufacturing method Download PDF

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JP2009132771A
JP2009132771A JP2007308559A JP2007308559A JP2009132771A JP 2009132771 A JP2009132771 A JP 2009132771A JP 2007308559 A JP2007308559 A JP 2007308559A JP 2007308559 A JP2007308559 A JP 2007308559A JP 2009132771 A JP2009132771 A JP 2009132771A
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Japan
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shell
core
type semiconductor
semiconductor nanoparticles
semiconductor nanoparticle
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JP2007308559A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigero Hotta
繁郎 堀田
Hisahiro Okada
尚大 岡田
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Konica Minolta Medical and Graphic Inc
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Konica Minolta Medical and Graphic Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a core-shell-type semiconductor nanoparticle that exhibits a suppressed blinking phenomenon and enhanced luminous intensity by improving a core-shell-type semiconductor nanoparticle from the viewpoint of an impurity concentration in a shell, core/shell lattice mismatch and the like, and to provide a manufacturing method of the nanoparticle. <P>SOLUTION: The core-shell-type semiconductor nanoparticle is a core-shell-type semiconductor nanoparticle having a core portion and a shell layer, where the impurity concentration in the shell layer is at most 5.0 atom percent and the core/shell lattice mismatching ratio is at most 15%. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、コア/シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法に関する。詳しくは、コア/シェル構造を有するナノ粒子蛍光体において、シェル内の不純物濃度とシェル厚、更にはコア/シェル間の格子不整合を最適に制御することにより、コアからの発光の外部取り出し効率を向上させたコア/シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法に関する。   The present invention relates to a core / shell type semiconductor nanoparticle and a method for producing the same. Specifically, in the nanoparticle phosphor having a core / shell structure, the external extraction efficiency of light emission from the core is optimized by optimally controlling the impurity concentration and shell thickness in the shell, and the lattice mismatch between the core and shell. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a core / shell type semiconductor nanoparticle having an improved surface roughness and a method for producing the same.

半導体や金属などの超微細粒子のうち、電子の波長(10nm程度)より小さい粒子径を有するナノサイズの粒子は、量子サイズ効果として電子の運動に対するサイズ有限性の影響が大きくなってくるために、バルク体とは異なる特異な物性を示すことが知られている。   Among ultrafine particles such as semiconductors and metals, nano-sized particles having a particle diameter smaller than the wavelength of electrons (about 10 nm) have an effect of size finiteness on the movement of electrons as a quantum size effect. It is known that it exhibits unique physical properties different from those of bulk bodies.

一般に、ナノ・メートルサイズの半導体物質で量子閉じ込め(quantum confinement)効果を示す物質、例えば半導体ナノ粒子は、「量子ドット」とも称されている。このような量子ドットは、半導体原子が数百個から数千個集まった10数nm程度以内の小さな塊であるが、励起源から光を吸収してエネルギー励起状態に達すると、量子ドットのエネルギーバンドギャップに相当するエネルギーを放出する。したがって、量子ドットの大きさまたは物質組成を調節すると、エネルギーバンドギャップを調節することができて様々な水準の波長帯のエネルギーを利用することができる。   In general, a material that exhibits a quantum confinement effect in a nanometer-sized semiconductor material, for example, a semiconductor nanoparticle, is also referred to as a “quantum dot”. Such a quantum dot is a small lump within about 10 and several nanometers in which several hundred to several thousand semiconductor atoms are gathered, but when absorbing energy from an excitation source and reaching an energy excited state, the energy of the quantum dot Releases energy corresponding to the band gap. Therefore, by adjusting the size or material composition of the quantum dots, the energy band gap can be adjusted, and energy in various levels of wavelength bands can be used.

また、半導体ナノ粒子は、同一組成で、粒径を変化させることで、発光波長をコントロールできるという特徴をもつ。従来技術である有機蛍光色素に比較して安定性、発光の明るさの点で優れており注目されている。   In addition, semiconductor nanoparticles have the same composition and the feature that the emission wavelength can be controlled by changing the particle size. Compared to organic fluorescent dyes of the prior art, it is superior in terms of stability and brightness of light emission, and has attracted attention.

なお、当該量子ドットは、粒径を量子効果が現れるサイズまで極小化すると、強い励起子をもたらす量子閉じ込め効果によって発光効率が向上し、目視で確認されるほどの発光が得られることも知られている。   In addition, it is also known that when the particle size is minimized to the size where the quantum effect appears, the quantum efficiency is improved by the quantum confinement effect that brings about strong excitons, and light emission that can be confirmed visually can be obtained. ing.

コア/シェル構造を持つ半導体ナノ粒子、すなわち、コア部とシェル層を有するコア/シェル型半導体ナノ粒子は、量子井戸構造を有することから電子の動きをシェル層により抑制でき、発光効率が向上することが知られている。   A semiconductor nanoparticle having a core / shell structure, that is, a core / shell type semiconductor nanoparticle having a core part and a shell layer has a quantum well structure, so that movement of electrons can be suppressed by the shell layer, and luminous efficiency is improved. It is known.

しかし、コア部表面に覆うシェル層は、コア粒子部との物性の違いや覆っている状態などにより、コア粒子部からの発光を円滑に外部へ取り出せず、本来の発光効率向上の能力より下回ってしまっていることが懸念されている。したがって、より発光効率を向上させるためには、コア/シェルの相性がよく、かつシェルの構成について改善が望まれている(例えば特許文献1〜3参照)。   However, the shell layer that covers the surface of the core part cannot smoothly emit light emitted from the core particle part to the outside due to the difference in physical properties from the core particle part or the state of covering, and falls below the original ability to improve luminous efficiency. There is a concern that this is happening. Therefore, in order to further improve the luminous efficiency, the compatibility of the core / shell is good, and an improvement in the configuration of the shell is desired (for example, see Patent Documents 1 to 3).

特許文献1には、Si又はGeからなるコアを有し、実質的に欠陥が無いとされるコア/シェル構造の半導体ナノ粒子(「量子ドット」ともいう。)が開示されている。また、シェル厚、シェル被服率などにより量子効率を調整することが開示されている。   Patent Document 1 discloses semiconductor nanoparticles (also referred to as “quantum dots”) having a core / shell structure that has a core made of Si or Ge and is substantially free of defects. Further, it is disclosed that the quantum efficiency is adjusted by the shell thickness, the shell coverage ratio, and the like.

特許文献2には、コア/シェル構造をもつ半導体ナノ粒子であって、シェルの一部が欠損していることにより、又はコアの一部がアモルファスである粒子が開示されている。   Patent Document 2 discloses a semiconductor nanoparticle having a core / shell structure, in which a part of the shell is missing or a part of the core is amorphous.

特許文献3には、化学的湿式合成法によって形成された半導体ナノ結晶を還元剤で表面処理して量子効率を向上させる技術が開示されている。   Patent Document 3 discloses a technique for improving quantum efficiency by surface-treating a semiconductor nanocrystal formed by a chemical wet synthesis method with a reducing agent.

しかしながら、上記特許文献1〜3では、シェル内不純物濃度、格子不整合について言及していない。したがって、これらの因子に着目した改善がなされておらず、量子効率を上げ、発光強度を向上させることができる余地があると考えられる。
特開2006−513458号公報 特開2007−197382号公報 特開2005−101601号公報
However, Patent Documents 1 to 3 do not mention the impurity concentration in the shell and the lattice mismatch. Therefore, it is considered that there is room for improving the quantum efficiency and the emission intensity by making no improvement focusing on these factors.
JP 2006-513458 A JP 2007-197382 A JP 2005-101601 A

本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、シェル内不純物濃度、コア/シェル間の格子不整合等の観点からコア/シェル型半導体ナノ粒子を改善することにより、ブリンキング現象を抑制し、発光強度を向上させたコア/シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems and situations, and the problem to be solved is to improve the core / shell type semiconductor nanoparticles from the viewpoint of the impurity concentration in the shell, the lattice mismatch between the core and the shell, and the like. Thus, it is to provide a core / shell type semiconductor nanoparticle which suppresses the blinking phenomenon and has improved emission intensity and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、シェル内不純物濃度、コア/シェル間の格子不整合等を特定条件範囲に制御することにより、格子不整合に起因して生じていると思われているブリンキング現象等が改善され、コア/シェル型半導体ナノ粒子の発光強度を向上させることができることを見出し、本発明に至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have caused the lattice mismatch by controlling the impurity concentration in the shell, the lattice mismatch between the core and the shell to a specific condition range, etc. The present inventors have found that the blinking phenomenon considered to be improved and the emission intensity of the core / shell type semiconductor nanoparticles can be improved, leading to the present invention.

すなわち、本発明に係る課題は以下の手段により解決される。   That is, the subject concerning this invention is solved by the following means.

1.コア部とシェル層を有するコア/シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が5.0原子%以下であり、かつコア/シェル間の格子不整合率が15%以下であることを特徴とするコア/シェル型半導体ナノ粒子。   1. A core / shell type semiconductor nanoparticle having a core part and a shell layer, wherein the impurity concentration in the shell layer is 5.0 atomic% or less, and the lattice mismatch ratio between the core and shell is 15% or less. A core / shell type semiconductor nanoparticle characterized by being.

2.前記シェル層のシェル厚が0.1〜5nmであることを特徴とする前記1に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子。   2. 2. The core / shell type semiconductor nanoparticles according to 1 above, wherein the shell layer has a shell thickness of 0.1 to 5 nm.

3.前記コア/シェル型半導体ナノ粒子の平均粒径が0.1〜10nmであることを特徴とする前記1又は2に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子。   3. 3. The core / shell type semiconductor nanoparticles according to 1 or 2 above, wherein the core / shell type semiconductor nanoparticles have an average particle size of 0.1 to 10 nm.

4.前記コア部がSiを含有していて、前記シェル層がSiO2又はZnSを含有していることを特徴とする前記1〜3のいずれか一項に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子。 4). 4. The core / shell type semiconductor nanoparticles according to any one of 1 to 3, wherein the core portion contains Si, and the shell layer contains SiO 2 or ZnS.

5.前記1〜4のいずれか一項に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子の製造方法であって、シェル層を形成する材料として高純度のガスを用いたことを特徴とするコア/シェル型半導体ナノ粒子の製造方法。   5). 5. The core / shell type semiconductor nanoparticle manufacturing method according to claim 1, wherein a high purity gas is used as a material for forming the shell layer. A method for producing nanoparticles.

本発明の上記手段により、シェル内不純物濃度、コア/シェル間の格子不整合等の観点からコア/シェル型半導体ナノ粒子を改善して、ブリンキング現象を抑制し、発光強度を向上させたコア/シェル型半導体ナノ粒子とその製造方法を提供することができる。   By the above means of the present invention, the core / shell type semiconductor nanoparticles are improved from the viewpoint of the impurity concentration in the shell, the lattice mismatch between the core and the shell, etc., the blinking phenomenon is suppressed, and the light emission intensity is improved. / Shell-type semiconductor nanoparticles and a method for producing the same can be provided.

本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子は、コア部とシェル層を有するコア/シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が5.0原子%以下であり、かつコア/シェル間の格子不整合率が15%以下であることを特徴とする。この特徴は、請求項1〜4に係る発明に共通する技術的特徴である。   The core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention are core / shell type semiconductor nanoparticles having a core part and a shell layer, and the impurity concentration in the shell layer is 5.0 atomic% or less, and The lattice mismatch rate between shells is 15% or less. This feature is a technical feature common to the inventions according to claims 1 to 4.

本発明の実施態様としては、前記シェル層のシェル厚が0.1〜5nmであることが好ましい。また、前記コア/シェル型半導体ナノ粒子の平均粒径が0.1〜10nmであることが好ましい。更に、前記コア部がSiを含有していて、前記シェル層がSiO2又はZnSを含有していることが好ましい。 As an embodiment of the present invention, the shell layer preferably has a shell thickness of 0.1 to 5 nm. Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the said core / shell type semiconductor nanoparticle is 0.1-10 nm. Furthermore, it is preferable that the core part contains Si and the shell layer contains SiO 2 or ZnS.

本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子の製造方法としては、シェル層を形成する材料として高純度のガスを用いる製造方法であることが好ましい。   The production method of the core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention is preferably a production method using a high-purity gas as a material for forming the shell layer.

なお、本発明は、コア/シェル間の格子不整合率とシェル内不純物濃度、さらにはシェル厚を考慮することにより、蛍光体形成後のブリンキング(明滅)現象の抑制がされる特徴を有する。   The present invention is characterized in that the blinking phenomenon after phosphor formation is suppressed by considering the lattice mismatch ratio between the core and shell, the impurity concentration in the shell, and the shell thickness. .

本願において、「ブリンキング」とは、励起光を照射した時の照射時間もしくは照射量に対して発光強度が突然殆どゼロ(OFF)となる滅時間(消滅時間)が数msec〜100msec近く続き、再び元の発光強度を得る現象の繰り返しをいう。   In the present application, “blinking” means that the extinction time (extinction time) at which the emission intensity suddenly becomes almost zero (OFF) with respect to the irradiation time or irradiation amount when irradiating the excitation light lasts nearly several msec to 100 msec, The repetition of the phenomenon of obtaining the original emission intensity again.

「蛍光強度が殆どゼロとなる滅時間」とは、励起光照射時間であれば例えば5分間励起光を照射した時の発光強度のOFF時間が1msec以上となるものの平均時間で表したものである。例えば、滅時間が3回繰り返されたとして各々10msec、50msec、100msecだった場合は、53msecが平均滅時間となる。一方、励起光照射量であればmJ/cm2で表した単位で例えば1000mJ/cm2での平均滅時間となる。 The “time when the fluorescence intensity becomes almost zero” is the average time of the excitation light irradiation time, for example, when the OFF time of the emission intensity when the excitation light is irradiated for 5 minutes is 1 msec or more. . For example, if the decay time is repeated 3 times and is 10 msec, 50 msec, and 100 msec, 53 msec is the average decay time. On the other hand, if the irradiation dose is excitation light, the average decay time is, for example, 1000 mJ / cm 2 in units expressed in mJ / cm 2 .

ブリンキングの評価方法は、励起光を当てながら1msecの分解能で発光強度を追跡し、5分間照射した際のブリンキング頻度を計測した。つまり、発光している時と発光が消えた時の回数を計測した。   In the evaluation method of blinking, the emission intensity was traced with a resolution of 1 msec while applying excitation light, and the blinking frequency when irradiated for 5 minutes was measured. That is, the number of times when the light was emitted and when the light was extinguished was measured.

(コア/シェル型半導体ナノ粒子)
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子は、コア部(以下において「コア粒子」ともいう。)とシェル層を有する半導体ナノ粒子であることを特徴とする。
(Core / shell type semiconductor nanoparticles)
The core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention are semiconductor nanoparticles having a core portion (hereinafter also referred to as “core particles”) and a shell layer.

以下、コア部とシェル層の形成材料等について説明する。   Hereinafter, materials for forming the core portion and the shell layer will be described.

〈コア部〉
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア部の形成材料としては、公知の種々の蛍光発光性化合物及びその原料を用いることができる。例えば、従来、半導体ナノ粒子の材料として知られている種々の半導体材料を用いて形成することができる。具体的には、例えば、元素の周期表のIV族、II−VI族、及びIII−V族の半導体化合物及びこれらの化合物を構成する元素を含む原料化合物を用いることができる。
<Core part>
As the material for forming the core part of the core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention, various known fluorescent compounds and their raw materials can be used. For example, it can be formed using various semiconductor materials conventionally known as semiconductor nanoparticle materials. Specifically, for example, group IV, II-VI group, and group III-V semiconductor compounds of the periodic table of elements and raw material compounds containing elements constituting these compounds can be used.

II−VI族の半導体の中では、特に、MgS、MgSe、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、HgS、HgSe及びHgTeを挙げることができる。   Among II-VI group semiconductors, in particular, MgS, MgSe, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, HgS, Mention may be made of HgSe and HgTe.

III−V族の半導体の中では、GaAs、GaN、GaPGaSb、InGaAs、InP、InN、InSb、InAs、AlAs、AlP、AlSb及びAlSを挙げることができる。   Among group III-V semiconductors, GaAs, GaN, GaPGaSb, InGaAs, InP, InN, InSb, InAs, AlAs, AlP, AlSb, and AlS can be cited.

IV族の半導体の中では、Ge及びSiは特に適している。   Among group IV semiconductors, Ge and Si are particularly suitable.

上記の各種半導体材料のうち、安全性を満たす組成という観点から、特に、Si、Ge、InN、InPが好ましい材料として挙げられるが、これらのうちで、本発明の半導体ナノ粒子を構成する主要成分原子としては、シリコン(Si)及びゲルマニウム(Ge)が最も好ましい。なお、本願において、「半導体ナノ粒子を構成する主要成分原子」とは、当該半導体ナノ粒子を構成する原子のうち含有比率が最大である原子をいう。   Of these various semiconductor materials, Si, Ge, InN, and InP are particularly preferable materials from the viewpoint of a composition that satisfies safety, and among these, the main components constituting the semiconductor nanoparticles of the present invention. As atoms, silicon (Si) and germanium (Ge) are most preferable. In the present application, the “main component atom constituting the semiconductor nanoparticle” means an atom having a maximum content ratio among atoms constituting the semiconductor nanoparticle.

なお、本発明においては、半導体ナノ粒子をコア/シェル構造を有する粒子にすることを要する。この場合、半導体ナノ粒子は半導体微粒子からなるコア粒子と当該コア粒子を被覆するシェル層とで構成されるコア/シェル構造を有する半導体ナノ微粒子であって、該コア粒子とシェル層の化学組成が相異するものであることが好ましい。これにより、シェルのバンドギャップは、コアより高くすることが好ましい。   In the present invention, the semiconductor nanoparticles need to be particles having a core / shell structure. In this case, the semiconductor nanoparticles are semiconductor nanoparticles having a core / shell structure composed of core particles composed of semiconductor particles and a shell layer covering the core particles, and the chemical composition of the core particles and the shell layer is It is preferable that they are different. Thereby, the band gap of the shell is preferably higher than that of the core.

シェルはコア粒子の表面欠陥を安定化し輝度を向上させるために必要であるし、表面修飾剤が吸着・結合しやすい面を形成するためにも重要となる。   The shell is necessary for stabilizing the surface defects of the core particles and improving the luminance, and is important for forming a surface on which the surface modifier is easily adsorbed and bonded.

以下、コア粒子とシェル層について説明する。   Hereinafter, the core particles and the shell layer will be described.

本発明に係るコア部(コア粒子)の平均粒径に関しては、0.5〜10nmであることが好ましい。更には、0.1〜5nmであること、特に0.1〜3nmであることが好ましい。   The average particle size of the core part (core particle) according to the present invention is preferably 0.5 to 10 nm. Furthermore, it is preferable that it is 0.1-5 nm, especially 0.1-3 nm.

なお、本発明において、半導体ナノ粒子の平均粒径は本来3次元で求める必要があるが、微粒子過ぎるため難しく、現実には二次元画像で評価せざるを得ないため、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて電子顕微鏡写真の撮影シーンを変えて数多く撮影し平均化することで求めることが好ましい。従って、TEMで撮影する粒子数としては100個以上が好ましい。   In the present invention, the average particle diameter of the semiconductor nanoparticles must originally be determined in three dimensions, but it is difficult because it is too fine, and in reality it must be evaluated with a two-dimensional image. Therefore, a transmission electron microscope (TEM) ) Is preferably obtained by averaging a large number of images taken by changing the shooting scene of the electron micrograph. Therefore, the number of particles photographed with a TEM is preferably 100 or more.

本発明に係る半導体ナノ粒子は、赤外線領域の波長領域において蛍光発光する、すなわち赤外発光するように、コアの平均粒径を調整することも好ましい。   It is also preferable to adjust the average particle diameter of the core so that the semiconductor nanoparticles according to the present invention emit fluorescence in the wavelength region of the infrared region, that is, emit infrared light.

〈ドーパント〉
本発明の半導体ナノ粒子は、それを構成する主要成分原子と等価の価電子配置をもつ異種原子もしくは当該異種原子の原子対をドーパントとして含有することも好ましい。この場合、当該ドーパントが半導体ナノ粒子表面又はその近傍に均一に分布していることが好ましい。
<Dopant>
The semiconductor nanoparticle of the present invention preferably contains a hetero atom having a valence configuration equivalent to a main component atom constituting the semiconductor nano particle or an atom pair of the hetero atom as a dopant. In this case, it is preferable that the dopant is uniformly distributed on the surface of the semiconductor nanoparticles or in the vicinity thereof.

なお、「価電子」とは、原子を構成する電子殻(K殻、L殻、M殻・・・)の最外殻に保有される電子のことをいう。従って、半導体ナノ粒子構成する主要成分原子をシリコン(Si)とした場合は、その価電子は4電子を最外殻に配置しているため、等価の価電子配置をとる原子もしくは原子対はBe−Be(Be対)、Mg−Mg(Mg対)、Geなどが挙げられる。   The “valence electron” refers to an electron held in the outermost shell of an electron shell (K shell, L shell, M shell,...) That constitutes an atom. Therefore, when silicon (Si) is used as the main component atom constituting the semiconductor nanoparticle, four electrons are arranged in the outermost shell, and therefore an atom or an atom pair having an equivalent valence electron arrangement is Be. -Be (Be pair), Mg-Mg (Mg pair), Ge and the like.

本発明の半導体ナノ粒子構成する主要成分原子をシリコン(Si)又はゲルマニウム(Ge)にした場合、ドーパントとして、特にBe−Beが好ましい。   When the main component atoms constituting the semiconductor nanoparticles of the present invention are silicon (Si) or germanium (Ge), Be—Be is particularly preferable as the dopant.

なお、本発明において、ドーパントの含有位置としては、半導体ナノ粒子の表面又はその近傍であることが好ましい。ここで、「表面の近傍」とは、半導体ナノ粒子の表面から半径の30%の範囲以内、特に好ましくは15%の以内範囲である。   In the present invention, the dopant content is preferably on the surface of the semiconductor nanoparticles or in the vicinity thereof. Here, “in the vicinity of the surface” is within 30% of the radius from the surface of the semiconductor nanoparticles, particularly preferably within 15%.

本発明に係るドーパントの分布状態は、X線光電子分光分析法(XPS/ESCA;XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy/ESCA:Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)により観察・測定することができる。なお、X線光電子分光分析法は、単色の光(X線)照射で飛び出す電子の運動エネルギーを測定することにより、固体表面及びその近傍の状態(例えば元素の組成)を調べる方法である。   The distribution state of the dopant according to the present invention can be observed and measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS / ESCA; XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy / ESCA: Electron Spectroscopy for Chemical Analysis). The X-ray photoelectron spectroscopic analysis method is a method for examining the state of a solid surface and the vicinity thereof (for example, the composition of elements) by measuring the kinetic energy of electrons that are emitted by monochromatic light (X-ray) irradiation.

〈シェル層〉
シェル層に用いられる半導体材料としては、種々の半導体材料を用いることができる。具体例としては、例えば、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgS、MgSe、GaS、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InN、InP、InSb、AlAs、AlN、AlP、AlSb、又はこれらの混合物等が挙げられる。
<Shell layer>
Various semiconductor materials can be used as the semiconductor material used for the shell layer. Specific examples include, for example, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, GaS, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InAs, InN, InP, InSb, AlAs, AlN, AlP. , AlSb, or a mixture thereof.

本発明において、特に好ましい半導体材料は、SiO2、ZnSである。 In the present invention, particularly preferred semiconductor materials are SiO 2 and ZnS.

なお、本発明に係るシェル層は、コア粒子が部分的に露出して弊害を生じない限り、コア粒子の全表面を完全に被覆するものでなくてもよい。   Note that the shell layer according to the present invention may not completely cover the entire surface of the core particle as long as the core particle is not partially exposed to cause a harmful effect.

《シェル厚》
当該シェル層の、シェル厚は、0.1〜5nmであることが好ましい。更には、0.1〜2nmであること、特に0.1〜1nmであることが好ましい。
《Shell thickness》
The shell thickness of the shell layer is preferably 0.1 to 5 nm. Further, it is preferably 0.1 to 2 nm, particularly preferably 0.1 to 1 nm.

《シェル層の不純物濃度》
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子においては、当該シェル層内の不純物濃度は、5.0原子%以下であることを特徴とする。なお、当該不純物濃度は、2.0原子%以下であること、特に1.0原子%以下であることが好ましい。
<Impurity of shell layer>
In the core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention, the impurity concentration in the shell layer is 5.0 atomic% or less. The impurity concentration is preferably 2.0 atomic% or less, particularly preferably 1.0 atomic% or less.

なお、不純物濃度の調整は、シェル形成材料を精製(高純度化)することにより行う。   The impurity concentration is adjusted by refining (purifying) the shell forming material.

具体的には、シェル形成材料として、純度5N以上の高純度の酸素ガスやHSガス等を用いることが好ましい。ここで、「純度5N」とは、99.999%以上の純度であることをいう。   Specifically, it is preferable to use high-purity oxygen gas or HS gas having a purity of 5N or more as the shell forming material. Here, “purity 5N” means that the purity is 99.999% or more.

《コア/シェル型半導体ナノ粒子の粒径》
本発明に係る半導体ナノ粒子の平均粒径は、0.1〜10nmであることが好ましい。更には、0.1〜5nmであること、特に0.1〜3nmであることが好ましい。
<Particle size of core / shell type semiconductor nanoparticles>
The average particle size of the semiconductor nanoparticles according to the present invention is preferably 0.1 to 10 nm. Furthermore, it is preferable that it is 0.1-5 nm, especially 0.1-3 nm.

本発明に係るコア/シェル型半導体ナノ粒子は、350〜1100nmの範囲の蛍光を発光するように調整することができるが、当該粒子を生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)に適用する場合においては、生体細胞自らがもつ発光の影響をなくしSN比を向上するため、近赤外領域の波長の発光も好ましく用いられる。   The core / shell type semiconductor nanoparticles according to the present invention can be adjusted to emit fluorescence in the range of 350 to 1100 nm, and the particles are applied to a biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent). In some cases, light emission in the near-infrared region is also preferably used in order to eliminate the influence of light emission of living cells and improve the SN ratio.

《コア/シェル間の格子不整合率》
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子の「コア/シェル間の格子不整合率」は、15%以下であることを特徴とする。当該格子不整合率は、エピタキシャル結晶成長の観点等から、5.0以下であること、更には、2.0以下であることが好ましい。
《Core / shell lattice mismatch rate》
The “core / shell lattice mismatch ratio” of the core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention is 15% or less. The lattice mismatch rate is preferably 5.0 or less, and more preferably 2.0 or less, from the viewpoint of epitaxial crystal growth.

なお、本願において、「コア/シェル間の格子不整合率」とは、コアの格子定数とシェルの格子定数から割出せ、“1−シェルの格子定数/コアの格子定数”から割り出せるパーセンテージの絶対値の値をいう。   In the present application, the “core / shell lattice mismatch ratio” is an absolute value of the percentage that can be calculated from the core lattice constant and the shell lattice constant, and from “1-shell lattice constant / core lattice constant”. Value value.

Figure 2009132771
Figure 2009132771

(半導体ナノ粒子の製造方法)
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア部(コア粒子)を構成する半導体ナノ粒子の製造方法としては、従来公知の液相法又は気相法による製造方法を用いることができる。本発明に係るコア粒子の製造については、特に液相法によることがこのましい。
(Method for producing semiconductor nanoparticles)
As a manufacturing method of the semiconductor nanoparticles constituting the core part (core particle) of the core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention, a conventionally known manufacturing method by a liquid phase method or a gas phase method can be used. For the production of the core particles according to the present invention, the liquid phase method is particularly preferred.

〈液相法〉
液相法の製造方法としては、沈殿法、共沈法、ゾル−ゲル法、均一沈殿法、還元法などがある。そのほかに、逆ミセル法、超臨界水熱合成法、などもナノ粒子を作製する上で優れた方法である(例えば、特開2002−322468号、特開2005−239775号、特開平10−310770号、特開2000−104058号公報等を参照)。
<Liquid phase method>
Examples of the liquid phase method include a precipitation method, a coprecipitation method, a sol-gel method, a uniform precipitation method, and a reduction method. In addition, the reverse micelle method, the supercritical hydrothermal synthesis method, and the like are also excellent methods for producing nanoparticles (for example, JP 2002-322468, JP 2005-239775, JP 10-310770 A). No., JP 2000-104058 A, etc.).

なお、液相法により、半導体ナノ粒子を製造する場合においては、当該半導体の前駆体を還元反応により還元する工程を有する製造方法であることが好ましい。また、当該半導体前駆体の反応を界面活性剤の存在下で行う工程を有する態様が好ましい。なお、本発明に係る半導体前駆体は、上記の半導体材料として用いられる元素を含む化合物であり、たとえば半導体がシリコン(Si)の場合、半導体前駆体としてはSiCl4などが挙げられる。その他半導体前駆体としては、InCl3、P(SiMe33、ZnMe2、CdMe2、GeCl4、トリブチルホスフィンセレンなどが挙げられる。 In addition, when manufacturing semiconductor nanoparticles by a liquid phase method, it is preferable that it is a manufacturing method which has the process of reduce | restoring the precursor of the said semiconductor by a reductive reaction. Moreover, the aspect which has the process of performing reaction of the said semiconductor precursor in presence of surfactant is preferable. The semiconductor precursor according to the present invention is a compound containing an element used as the semiconductor material. For example, when the semiconductor is silicon (Si), the semiconductor precursor includes SiCl 4 . Other semiconductor precursors include InCl 3 , P (SiMe 3 ) 3 , ZnMe 2 , CdMe 2 , GeCl 4 , tributylphosphine selenium and the like.

反応前駆体の反応温度としては、半導体前駆体の沸点以上かつ溶媒の沸点以下であれば、特に制限はないが、70〜110℃の範囲が好ましい。   The reaction temperature of the reaction precursor is not particularly limited as long as it is not lower than the boiling point of the semiconductor precursor and not higher than the boiling point of the solvent, but is preferably in the range of 70 to 110 ° C.

《還元剤》
半導体前駆体を還元する還元剤としては、従来周知の種々の還元剤を反応条件に応じて選択し用いることができる。本発明においては、還元力の強さの観点から、水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)、水素化ビス(2−メトキシエトキシ)アルミニウムナトリウム、水素化トリ(sec−ブチル)ホウ素リチウム(LiBH(sec−C493)及び水素化トリ(sec−ブチル)ホウ素カリウム、水素化トリエチルホウ素リチウムなどの還元剤が好ましい。特に、還元力の強さから水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)が好ましい。
《Reducing agent》
As the reducing agent for reducing the semiconductor precursor, various conventionally known reducing agents can be selected and used according to the reaction conditions. In the present invention, from the viewpoint of the strength of reducing power, lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), sodium borohydride (NaBH 4 ), sodium bis (2-methoxyethoxy) aluminum hydride, trihydride (sec- butyl) lithium borohydride (LiBH (sec-C 4 H 9) 3) and hydrogenated tri (sec-butyl) potassium boron reducing agent such as lithium triethylborohydride being preferred. In particular, lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ) is preferable because of its reducing power.

《溶媒》
半導体前駆体の分散用溶媒としては、従来周知の種々の溶媒を使用できるが、エチルアルコール、sec−ブチルアルコール、t−ブチルアルコール等のアルコール類、トルエン、デカン、ヘキサンなどの炭化水素類溶媒を使用することが好ましい。本発明においては、特に、トルエン等の疎水性の溶媒が分散用溶媒として好ましい。
"solvent"
Various known solvents can be used as the solvent for dispersing the semiconductor precursor. Alcohols such as ethyl alcohol, sec-butyl alcohol, and t-butyl alcohol, and hydrocarbon solvents such as toluene, decane, and hexane are used. It is preferable to use it. In the present invention, a hydrophobic solvent such as toluene is particularly preferable as the dispersion solvent.

《界面活性剤》
界面活性剤としては、従来周知の種々の界面活性剤を使用でき、陰イオン、非イオン、陽イオン、両性界面活性剤が含まれる。なかでも第四級アンモニウム塩系である、テトラブチルアンモニウムクロリド、ブロミド又はヘキサフルオロホスフェート、テトラオクチルアンモニウムブロミド(TOAB)、またはトリブチルヘキサデシルホスホニウムブロミドが好ましい。特に、テトラオクチルアンモニウムブロミドが好ましい。
<Surfactant>
As the surfactant, various conventionally known surfactants can be used, and anionic, nonionic, cationic, and amphoteric surfactants are included. Of these, tetrabutylammonium chloride, bromide or hexafluorophosphate, tetraoctylammonium bromide (TOAB), or tributylhexadecylphosphonium bromide, which are quaternary ammonium salt systems, are preferred. Tetraoctyl ammonium bromide is particularly preferable.

なお、液相法による反応は、液中の溶媒を含む化合物の状態により大きく変化する。単分散性の優れたナノサイズの粒子を製造する際には、特に注意を要する必要がある。例えば、逆ミセル反応法では、界面活性剤の濃度や種類により、反応場となる逆ミセルの大きさや状態が変わってくるため、ナノ粒子が形成される条件が限られてしまう。したがって、適切な界面活性剤は溶媒との組み合わせが必要となる。   The reaction by the liquid phase method greatly varies depending on the state of the compound containing the solvent in the liquid. When producing nano-sized particles with excellent monodispersity, special care must be taken. For example, in the reverse micelle reaction method, the size and state of the reverse micelle serving as a reaction field vary depending on the concentration and type of the surfactant, so that the conditions under which nanoparticles are formed are limited. Therefore, a suitable surfactant needs to be combined with a solvent.

〈気相法〉
気相法の製造方法としては、(1)対向する原料半導体を電極間で発生させた第一の高温プラズマによって蒸発させ、減圧雰囲気中において無電極放電で発生させた第二の高温プラズマ中に通過させる方法(例えば特開平6−279015号公報参照)、(2)電気化学的エッチングによって、原料半導体からなる陽極からナノ粒子を分離・除去する方法(例えば特表2003−515459号公報参照)、(3)レーザーアブレーション法(例えば特開2004−356163号参照)、(4)高速スパッタリング法(例えば特開2004−296781号参照)などが用いられる。また、原料ガスを低圧状態で気相反応させて、粒子を含む粉末を合成する方法も、好ましく用いられる。
<Gas phase method>
As a manufacturing method of the vapor phase method, (1) the opposing raw material semiconductor is evaporated by the first high temperature plasma generated between the electrodes, and in the second high temperature plasma generated by electrodeless discharge in a reduced pressure atmosphere. (2) a method for separating and removing nanoparticles from an anode made of a raw material semiconductor by electrochemical etching (for example, see JP-A-2003-515458), (3) A laser ablation method (for example, see JP-A No. 2004-356163), (4) a high-speed sputtering method (for example, see JP-A No. 2004-296781), or the like is used. A method of synthesizing a powder containing particles by reacting a raw material gas in a gas phase in a low pressure state is also preferably used.

〈半導体ナノ粒子形成後の後処理〉
本発明の半導体ナノ粒子の製造方法においては、半導体ナノ粒子形成後、特にシェル形成後にプラズマ、熱、放射線、又は超音波による処理のいずれかの後処理を行う工程を含む態様も好ましい。
<Post-processing after semiconductor nanoparticle formation>
In the method for producing semiconductor nanoparticles of the present invention, an embodiment including a step of performing post-treatment of any of plasma, heat, radiation, and ultrasonic treatment after formation of the semiconductor nanoparticles, particularly after formation of the shell is also preferable.

プラズマ処理であれば、その粒子組成・結晶性・表面性を考慮し低温・高温プラズマ、マイクロ波プラズマ、大気圧プラズマなど適応するものを選択するが、マイクロ波プラズマが好ましい。   In the case of plasma treatment, an appropriate one such as low temperature / high temperature plasma, microwave plasma, atmospheric pressure plasma is selected in consideration of the particle composition, crystallinity, and surface properties, but microwave plasma is preferable.

熱処理については、大気、真空、不活性ガス領域のいずれかを選択し、熱を施すが蛍光体粒子の構成によりその適用する温度領域は異なる。温度が高すぎた場合にはコアとシェルの間にひずみが生じたり、剥がれが生じることもある。低温では効果に乏しく100℃以上300℃以下が好ましく用いられる。   For the heat treatment, any one of air, vacuum, and inert gas region is selected and heated, but the applied temperature region differs depending on the configuration of the phosphor particles. If the temperature is too high, the core and the shell may be distorted or peeled off. The effect is poor at low temperatures, and a temperature of 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower is preferably used.

放射線処理は、高エネルギーを要するX線、γ線、中性子線が用いられたり、エネルギーは低いものの真空紫外線(VUV)、紫外線や短パルスレーザーなどが用いられる。その処理時間は放射線の種類によって異なる。X線などにおいては透過能が高いため、どのような組成においても比較的短時間で済むことが多く、紫外線においては比較的長時間の照射が必要となる。   For the radiation treatment, X-rays, γ-rays, and neutron beams that require high energy are used, or vacuum ultraviolet rays (VUV), ultraviolet rays, short pulse lasers, etc., which are low in energy, are used. The processing time varies depending on the type of radiation. Since X-rays and the like have a high transmission power, a relatively short time is often required for any composition, and ultraviolet rays require a relatively long time of irradiation.

これら後処理の効果については、原理的なものは解明できてないがコア/シェル型粒子のコアとシェルの界面の接合性を強化し、不動態化が促進した結果、発光効率が向上したと推定している。赤外発光体にはその影響が著しく現れ、特性に反映したものと推定する。   Regarding the effects of these post-treatments, the fundamentals have not been elucidated, but the bonding efficiency at the interface between the core and shell of core / shell type particles has been strengthened and the passivation has been promoted, resulting in an increase in luminous efficiency. Estimated. It is estimated that the influence appears in the infrared light emitter and is reflected in the characteristics.

本発明においては、シェル層のバンドギャップはコア部より高いことが好ましい。シェルはコア粒子の表面欠陥を安定化し輝度を向上させるために必要であるし、蛍光標識剤とする場合には、表面修飾剤が吸着・結合しやすい面を形成するために重要となる。   In the present invention, the band gap of the shell layer is preferably higher than that of the core portion. The shell is necessary for stabilizing the surface defects of the core particles and improving the brightness, and in the case of using a fluorescent labeling agent, it is important for forming a surface on which the surface modifier is easily adsorbed and bound.

[応用例]
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子は、種々の分野において応用ないし利用することができる。以下において、蛍光標識物質(蛍光標識剤)、特に生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)に適用する場合について説明する。
[Application example]
The core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention can be applied or used in various fields. In the following, a case where the present invention is applied to a fluorescent labeling substance (fluorescent labeling agent), particularly a biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent) will be described.

(蛍光標識物質)
本発明のコア/シェル型半導体ナノ粒子(以下、適宜、「半導体ナノ粒子」と略称する。)は、その表面に適当な表面修飾化合物を配置することにより標的(ターゲット)物質を蛍光標識するための蛍光標識物質(蛍光標識剤)に適用できる。特に、当該粒子表面にその表面に生体に親和性を有する、もしくは、接合できる表面修飾化合物を配置し、タンパク質やペプチドなどの標的物質を蛍光標識するための生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)とすることに適している。
(Fluorescent labeling substance)
The core / shell type semiconductor nanoparticles of the present invention (hereinafter abbreviated as “semiconductor nanoparticles” where appropriate) are used for fluorescently labeling a target substance by disposing an appropriate surface modifying compound on the surface thereof. It can be applied to fluorescent labeling substances (fluorescent labeling agents). In particular, a biomolecule fluorescent labeling agent (biosubstance fluorescent labeling agent) is provided on the surface of the particle to place a surface-modifying compound having affinity for or attached to the living body on the surface of the particle and fluorescently label a target substance such as a protein or peptide. It is suitable for use as an agent.

なお、生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)とする場合、近赤外〜赤外励起で赤外発光する特性を有するように半導体ナノ粒子の発光特性を粒径等により調整することが生体分子に対する非侵襲性、生体組織の透過性等の観点から好ましい。   When a biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent) is used, the emission characteristics of the semiconductor nanoparticles can be adjusted by the particle size or the like so as to have infrared emission characteristics in the near infrared to infrared excitation. It is preferable from the viewpoints of non-invasiveness to biomolecules, permeability of living tissue, and the like.

本発明においては、表面修飾化合物としては、少なくとも1つの官能基と少なくとも1つの半導体ナノ粒子に結合する基を有する化合物であることが好ましい。後者は疎水性の半導体ナノ粒子に吸着できる基であり、他方は生体物質に親和性があり生体分子に結合する官能基である。互いの表面修飾化合物は互いをつなぐ各種のリンカーを使用してもよい。   In the present invention, the surface modifying compound is preferably a compound having at least one functional group and at least one group capable of binding to semiconductor nanoparticles. The latter is a group that can be adsorbed to hydrophobic semiconductor nanoparticles, and the other is a functional group that has affinity for biological substances and binds to biomolecules. The surface modification compounds of each other may use various linkers that connect each other.

半導体ナノ粒子に結合する基としては、当該半導体ナノ粒子を形成するための半導体材料に結合する官能基であれば良い。本発明においては、当該官能基として、特にメルカプト基(チオール基)が好ましい。   As a group couple | bonded with a semiconductor nanoparticle, what is necessary is just a functional group couple | bonded with the semiconductor material for forming the said semiconductor nanoparticle. In the present invention, a mercapto group (thiol group) is particularly preferable as the functional group.

生体物質に親和的に結合する官能基としては、カルボキシル基、アミノ基、フォスフォン酸基、スルホン酸基などが挙げられる。   Examples of the functional group that binds to the biological substance with affinity include a carboxyl group, an amino group, a phosphonic acid group, and a sulfonic acid group.

なお、ここで、「生体物質」とは、細胞、DNA、RNA、オリゴヌクレオチド、蛋白質、抗体、抗原、小胞体、核、ゴルジ体等を指す。   Here, “biological substance” refers to cells, DNA, RNA, oligonucleotides, proteins, antibodies, antigens, endoplasmic reticulums, nuclei, Golgi bodies, and the like.

また、半導体ナノ粒子に結合させる方法としては、表面修飾に適するpHに調整することによりメルカプト基を粒子に結合させることができる。それぞれ他端にはアルデヒド基、アミノ基、カルボキシル基が導入され、生体のアミノ基、カルボキシル基とペプチド結合することができる。また、DNA、オリゴヌクレオチドなどにアミノ基、アルデヒド基、カルボキシル基を導入しても同様に結合させることができる。   As a method for bonding to semiconductor nanoparticles, a mercapto group can be bonded to particles by adjusting the pH to be suitable for surface modification. An aldehyde group, an amino group, and a carboxyl group are introduced into the other end, respectively, and a peptide bond can be formed with a biological amino group or carboxyl group. Moreover, even if an amino group, an aldehyde group, or a carboxyl group is introduced into DNA, oligonucleotide or the like, it can be similarly bonded.

本発明の半導体ナノ粒子を用いて生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)を作製する具体的方法としては、例えば、親水化処理された半導体ナノ粒子を有機分子を介して分子標識物質と結合させる方法を挙げることができる。この方法により作製された生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)において、分子標識物質は、標的とする生体物質と特異的に結合及び/又は反応することにより、生体物質の蛍光標識が可能となる。   As a specific method for producing a biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent) using the semiconductor nanoparticles of the present invention, for example, a hydrophilized semiconductor nanoparticle is combined with a molecular labeling substance via an organic molecule. A method of bonding can be mentioned. In the biomolecular fluorescent labeling agent (biomaterial fluorescent labeling agent) produced by this method, the molecular labeling substance can specifically bind to and / or react with the target biological substance, thereby enabling fluorescent labeling of the biological substance. It becomes.

当該分子標識物質としては例えば、ヌクレオチド鎖、抗体、抗原およびシクロデキストリン等が挙げられる。   Examples of the molecular labeling substance include nucleotide chains, antibodies, antigens and cyclodextrins.

また、有機分子としては半導体ナノ粒子と分子標識物質とを結合できる有機分子であれば特に制限はないが、例えば、タンパク質中でも、アルブミン、ミオグロビンおよびカゼイン等、またタンパク質の一種であるアビジンをビオチンと共に用いることも好適に用いられる。上記結合の態様としては特に限定されず、共有結合、イオン結合、水素結合、配位結合、物理吸着および化学吸着等が挙げられる。結合の安定性から共有結合などの結合力の強い結合が好ましい。   The organic molecule is not particularly limited as long as it is an organic molecule capable of binding a semiconductor nanoparticle and a molecular labeling substance. For example, among proteins, albumin, myoglobin, casein, etc., and avidin, which is a kind of protein, are combined with biotin. It is also preferably used. The form of the bond is not particularly limited, and examples thereof include a covalent bond, an ionic bond, a hydrogen bond, a coordinate bond, physical adsorption, and chemical adsorption. A bond having a strong bonding force such as a covalent bond is preferable from the viewpoint of bond stability.

具体的には、半導体ナノ粒子をメルカプトウンデカン酸で親水化処理した場合は、有機分子としてアビジンおよびビオチンを用いることができる。この場合親水化処理された当該ナノ粒子のカルボキシル基はアビジンと好適に共有結合し、アビジンがさらにビオチンと選択的に結合し、ビオチンがさらに分子標識物質と結合することにより生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)となる。   Specifically, when the semiconductor nanoparticles are hydrophilized with mercaptoundecanoic acid, avidin and biotin can be used as organic molecules. In this case, the carboxyl group of the nanoparticle subjected to the hydrophilic treatment is preferably covalently bonded to avidin, the avidin is further selectively bonded to biotin, and biotin is further bonded to the molecular labeling substance (biomolecule fluorescent labeling agent ( Biological substance fluorescent labeling agent).

〈半導体ナノ粒子の親水化処理〉
上述した半導体ナノ粒子表面は、一般的には、疎水性であるため、例えば生体分子標識試薬として使用する場合は、このままでは水分散性が悪く、粒子が凝集してしまう等の問題があるため、半導体ナノ粒子の表面を親水化処理することが好ましい。
<Hydrophilic treatment of semiconductor nanoparticles>
Since the surface of the semiconductor nanoparticles described above is generally hydrophobic, for example, when used as a biomolecule labeling reagent, water dispersibility is poor as it is, and there are problems such as aggregation of particles. The surface of the semiconductor nanoparticles is preferably subjected to a hydrophilic treatment.

親水化処理の方法としては、例えば、表面の親油性基をピリジン等で除去した後に粒子表面に表面修飾剤を化学的および/または物理的に結合させる方法がある。表面修飾剤としては、親水基として、カルボキシル基・アミノ基を持つものが好ましく用いられ、具体的にはメルカプトプロピオン酸、メルカプトウンデカン酸、アミノプロパンチオールなどがあげられる。具体的には、例えば、Ge/GeO2型ナノ粒子10-5gをメルカプトウンデカン酸0.2gが溶解した純水10ml中に分散させて、40℃、10分間攪拌し、シェルの表面を処理することで半導体ナノ粒子の表面をカルボキシル基で修飾することができる。 As a method of hydrophilization treatment, for example, there is a method of chemically and / or physically binding a surface modifier to the particle surface after removing the lipophilic group on the surface with pyridine or the like. As the surface modifier, those having a carboxyl group / amino group as a hydrophilic group are preferably used, and specific examples include mercaptopropionic acid, mercaptoundecanoic acid, aminopropanethiol and the like. Specifically, for example, 10 −5 g of Ge / GeO 2 type nanoparticles are dispersed in 10 ml of pure water in which 0.2 g of mercaptoundecanoic acid is dissolved, and stirred at 40 ° C. for 10 minutes to treat the surface of the shell. By doing so, the surface of the semiconductor nanoparticles can be modified with a carboxyl group.

なお、半導体ナノ粒子の表面修飾のための具体的調製は、例えば、Dabbousi等(1997)J.Phys.Chem.B101:9463、Hinesら(1996)J.Phys.Chem.100:468−471、Peng等(1997)J.Am.Chem.Soc.119:7019−7029、及びKuno等(1997)J.Phys.Chem.106:9869に記載されている方法に準拠して行うことができる。   Specific preparations for surface modification of semiconductor nanoparticles are described in, for example, Dabbousi et al. (1997) J. Mol. Phys. Chem. B101: 9463, Hines et al. (1996) J. MoI. Phys. Chem. 100: 468-471, Peng et al. (1997) J. MoI. Am. Chem. Soc. 119: 7019-7029, and Kuno et al. (1997) J. MoI. Phys. Chem. 106: 9869.

(蛍光標識物質とそれを用いた生体分子検出システム)
本発明に係る蛍光標識物質は、上記特徴を有することにより、当該蛍光標識物質を標的となる生細胞又は生組織に供給し、半導体ナノ粒子の放射線励起により放出される蛍光を検出することにより当該標的となる生細胞又は生体組織における生体分子を検出することを特徴とする生体分子検出システムに好ましく適応できる。
(Fluorescent labeling substance and biomolecule detection system using it)
The fluorescent labeling substance according to the present invention has the above characteristics, and supplies the fluorescent labeling substance to a target living cell or tissue, and detects the fluorescence emitted by radiation excitation of the semiconductor nanoparticles. The present invention can be preferably applied to a biomolecule detection system characterized by detecting a biomolecule in a target living cell or living tissue.

標的(追跡)生体分子を有する生細胞もしくは生体組織に本発明に係る蛍光標識物質を添加することで、標的分子と結合もしくは吸着し、当該結合体もしくは吸着体に所定の波長の励起光(放射線)を照射し、当該励起光に応じて半導体ナノ粒子(蛍光半導体微粒子)から発生する所定の波長の蛍光を検出することにより、上記標的(追跡)生体分子の蛍光動態イメージングを行うことができる。すなわち、本発明に係る蛍光標識物質は、バイオイメージング法(生体物質を構成する生体分子やその動的現象を可視化する技術手段)に利用することができる。   By adding the fluorescent labeling substance according to the present invention to a living cell or biological tissue having a target (tracking) biomolecule, it binds or adsorbs to the target molecule, and excitation light (radiation) having a predetermined wavelength is attached to the conjugate or adsorbent. ) And detecting fluorescence of a predetermined wavelength generated from the semiconductor nanoparticles (fluorescent semiconductor fine particles) in accordance with the excitation light, the fluorescence dynamic imaging of the target (tracking) biomolecule can be performed. That is, the fluorescent labeling substance according to the present invention can be used in a bioimaging method (technical means for visualizing biomolecules constituting a biological substance and dynamic phenomena thereof).

なお、励起のための放射線としては、ハロゲンランプ、タングステンランプなどの可視光からLED、近赤外レーザー光、赤外レーザー光、X線、γ線などが含まれる。   The radiation for excitation includes visible light such as halogen lamps and tungsten lamps, LEDs, near-infrared laser light, infrared laser light, X-rays and γ-rays.

〈分子・細胞イメージング法〉
本発明の半導体ナノ粒子は、標的(ターゲット)とする細胞組織の内部若しくは表面に存在する分子に特異的に反応するプローブ分子(探索用分子)を結合させて蛍光標識物質として使用することができる。
<Molecular / cell imaging method>
The semiconductor nanoparticle of the present invention can be used as a fluorescent labeling substance by binding a probe molecule (search molecule) that specifically reacts with a molecule present inside or on the surface of a target cell tissue. .

本願において、「標的(ターゲット)」とは、半導体ナノ粒子の標的とする生体分子等をいい、例えば、組織および細胞で優先的に発現したりするタンパクであったり、細胞内のゴルジ体、核、膜タンパクなどである。なお、適当なターゲット物質としては、例えば、酵素および蛋白質、細胞表面受容体;核酸;脂質およびリン脂質を挙げることができるが、これらに限定されない。   In the present application, “target” refers to a biomolecule or the like targeted by a semiconductor nanoparticle, for example, a protein that is preferentially expressed in tissues and cells, a Golgi body in a cell, a nucleus And membrane proteins. Examples of suitable target substances include, but are not limited to, enzymes and proteins, cell surface receptors; nucleic acids; lipids and phospholipids.

本発明において、プローブ分子としては、生体内部の画像化、細胞内の物質動態計測等を目的として、標的(測定)物質に対応する適切なプローブ分子を採用することが好ましい。   In the present invention, as a probe molecule, it is preferable to employ an appropriate probe molecule corresponding to a target (measurement) substance for the purpose of imaging the inside of a living body, measuring intracellular substance dynamics, and the like.

本発明の半導体ナノ粒子を利用した生体分子蛍光標識剤(生体物質蛍光標識剤)は、従来公知の種々の分子・細胞イメージング法に適用することができる。例えば、レーザインジェクション法、マイクロインジェクション法、エレクトロポレーション法などによる分子・細胞イメージング法が挙げられる。これらの方法うち、レーザインジェクション法による分子・細胞イメージング法に適用することが好ましい。   The biomolecule fluorescent labeling agent (biological substance fluorescent labeling agent) using the semiconductor nanoparticles of the present invention can be applied to various conventionally known molecular / cell imaging methods. Examples thereof include molecular / cell imaging methods such as laser injection, microinjection, and electroporation. Among these methods, it is preferable to apply to a molecular / cell imaging method by a laser injection method.

ここで、「レーザインジェクション法」とは、レーザ光を細胞に直接照射し、細胞に微細な穴を開けて遺伝子などの外来物質を導入する光学的方法をいう。   Here, the “laser injection method” refers to an optical method in which a cell is directly irradiated with laser light, a minute hole is formed in the cell, and a foreign substance such as a gene is introduced.

「マイクロインジェクション法」とは、微細な針(マイクロピペット、マイクロシリンジ)を用いて空気圧で機械的に、細胞内に遺伝子などの外来物質を直接注入して導入する方法をいう。   The “microinjection method” refers to a method in which a foreign substance such as a gene is directly injected and introduced into a cell mechanically by air pressure using a fine needle (micropipette, microsyringe).

また、「エレクトロポレーション法」(「電気穿孔法」ともいう。)とは、細胞に電気的刺激を印加し、細胞の変形を誘起して細胞内に遺伝子などの外来物質を導入する物理的方法をいう。例えば、細胞懸濁液に数千V/cmの高電圧を数十マイクロ秒のパルスで与えた時に細胞膜に短時間生じる小孔を通して外液が取り込まれることを利用して、細胞外液にDNA等の注入したい試料を加えておき、これを細胞内に導入する方法である。   The “electroporation method” (also referred to as “electroporation method”) is a physical method in which an electrical stimulus is applied to a cell to induce deformation of the cell to introduce a foreign substance such as a gene into the cell. Say the method. For example, when a high voltage of several thousand V / cm is applied to a cell suspension with a pulse of several tens of microseconds, DNA is incorporated into the extracellular fluid using the fact that the external fluid is taken in through a small hole that occurs in the cell membrane for a short time This is a method in which a sample to be injected is added and introduced into cells.

〈比較例1〉:シェルがSiO2で、シェル原料の純度が低く、シェル厚が厚い場合
コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてSiO2を用い、シェル原料に純度3Nの酸素ガスを用いた。製造方法は、噴霧装置を用いて、原料を噴霧状にしたまま反応ガスと同様にキャリアガスとして酸素ガスを1.5L/minの流量で流し加熱部へ搬送し、1200℃の加熱温度で焼成、その後に捕集するといった粒子作製を行った。
<Comparative example 1>: When the shell is SiO 2 , the purity of the shell raw material is low, and the shell thickness is large Si is used as the core forming material, SiO 2 is used as the shell forming material, and oxygen gas having a purity of 3N is used as the shell raw material. It was. The manufacturing method uses a spraying device to flow the oxygen gas as a carrier gas at a flow rate of 1.5 L / min as in the case of the reaction gas while keeping the raw material in a sprayed state, transport it to the heating unit, and fire at a heating temperature of 1200 ° C. Then, the particles were collected so as to be collected.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.8%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a lattice mismatch ratio between the core and shell of 0.8%.

この形成粒子のシェルの結晶性、不純物濃度、シェル厚、発光強度を、それぞれ、XRD、AES、TEM、蛍光光度計により測定し、また、励起光を当てながら1msecの分解能で発光強度を追跡し、5分間照射した際のブリンキング頻度を測定した。その結果については、シェル素材の半値幅は0.48°(粒子をXRD測定して得られた結果から、バックグランドと最高ピークの半分の位置での回折角度を表す。)で、シェル厚は1nm以上、不純物濃度は4.21原子%であった。この比較例1で得られた粒子のブリンキング頻度、発光強度を、他の作製条件で得られた粒子の発光強度と比較するため比較基準の発光強度と定める。この試料を比較例粒子1とする。   The crystallinity, impurity concentration, shell thickness, and emission intensity of the shell of the formed particles are measured by XRD, AES, TEM, and a fluorometer, respectively, and the emission intensity is traced with a resolution of 1 msec while applying excitation light. The blinking frequency when irradiated for 5 minutes was measured. As for the result, the half width of the shell material is 0.48 ° (from the result obtained by XRD measurement of the particle, the diffraction angle at the position of half of the background and the highest peak is represented), and the shell thickness is The impurity concentration was 1 nm or more and 4.21 atomic%. In order to compare the blinking frequency and emission intensity of the particles obtained in Comparative Example 1 with the emission intensity of particles obtained under other production conditions, the emission intensity is set as a reference emission intensity. This sample is referred to as Comparative Example Particle 1.

〈比較例2〉:シェルがZnSで、シェル原料の純度が低くて、シェル厚が薄い場合
コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてZnSを用い、シェル原料に純度3NのZn金属とHSガスを用いた。
<Comparative example 2>: When the shell is ZnS, the purity of the shell raw material is low, and the shell thickness is thin Si is used as the core forming material, ZnS is used as the shell forming material, and Zn metal having a purity of 3N and HS gas are used as the shell raw material. Was used.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.4%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a core / shell lattice mismatch of 0.4%.

この形成粒子について、比較例1と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は0.38°で、シェル厚1n未満、不純物濃度3.05原子%、ブリンキング頻度、発光強度は比較例1の発光強度と比較してそれぞれ60、1.25倍であった。この試料を比較例粒子2とする。   The formed particles were measured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The half width of the shell material is 0.38 °, the shell thickness is less than 1 n, the impurity concentration is 3.05 atomic%, the blinking frequency, and the emission intensity are 60 and 1.25 times the emission intensity of Comparative Example 1, respectively. there were. This sample is referred to as Comparative Example Particle 2.

〈比較例3〉:シェルがSiO2で、シェル原料の純度が低く、シェル厚が薄い場合。 <Comparative Example 3>: shell with SiO 2, low purity of the shell material, when the shell is thin.

コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてSiO2を用い、シェル原料に純度3Nの酸素ガスを用いた。 Si was used as the core forming material, SiO 2 was used as the shell forming material, and oxygen gas having a purity of 3N was used as the shell raw material.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.8%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a lattice mismatch ratio between the core and shell of 0.8%.

この形成粒子について、比較例1と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は0.44°で、シェル厚1nm未満、不純物濃度3.21原子%で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例1の発光強度と比較してそれぞれ70、1.18倍であった。この試料を比較例粒子3とする。   The formed particles were measured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The half width of the shell material is 0.44 °, the shell thickness is less than 1 nm, the impurity concentration is 3.21 atomic%, the blinking frequency and the emission intensity are 70 and 1.18 times the emission intensity of Comparative Example 1, respectively. Met. This sample is referred to as Comparative Example Particle 3.

〈実施例1〉:シェルがSiO2で、シェル原料の純度が5Nで、シェル厚が薄い場合 コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてSiO2を用い、シェル原料に純度5Nの酸素ガスを用いた。 <Example 1>: When the shell is SiO 2 , the purity of the shell raw material is 5N, and the shell thickness is thin Si is used as the core forming material, SiO 2 is used as the shell forming material, and oxygen gas having a purity of 5N is used as the shell raw material. Using.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.8%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a lattice mismatch ratio between the core and shell of 0.8%.

この形成粒子について、比較例1と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は0.34°で、シェル厚1nm未満、不純物濃度2.15原子%で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例1の発光強度と比較してそれぞれ25、1.33倍であった。この試料を実施例粒子1とする。   The formed particles were measured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The half width of the shell material is 0.34 °, the shell thickness is less than 1 nm, the impurity concentration is 2.15 atomic%, the blinking frequency and the emission intensity are 25 and 1.33 times the emission intensity of Comparative Example 1, respectively. Met. This sample is referred to as Example Particle 1.

〈実施例2〉:シェルがSiO2で、シェル原料の純度が6Nで、シェル厚が薄い場合 コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてSiO2を用い、シェル原料に純度6Nの酸素ガスを用いた。 <Example 2>: When the shell is SiO 2 and the purity of the shell raw material is 6N and the shell thickness is thin Si is used as the core forming material, SiO 2 is used as the shell forming material, and oxygen gas having a purity of 6N is used as the shell raw material. Using.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.8%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a lattice mismatch ratio between the core and shell of 0.8%.

この形成粒子について、比較例1と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は0.26°で、シェル厚1nm未満、不純物濃度1.53原子%で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例1の発光強度と比較してそれぞれ10、1.45倍であった。この試料を実施例粒子2とする。   The formed particles were measured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The half width of the shell material is 0.26 °, the shell thickness is less than 1 nm, the impurity concentration is 1.53 atomic%, the blinking frequency and the emission intensity are 10 and 1.45 times the emission intensity of Comparative Example 1, respectively. Met. This sample is referred to as Example Particle 2.

〈実施例3〉:シェルがZnSで、シェル原料の純度が6Nで、シェル厚が薄い場合
コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてZnSを用い、シェル原料に純度6NのZn金属とHSガスを用いた。
<Example 3>: When the shell is ZnS, the purity of the shell raw material is 6N, and the shell thickness is thin Si is used as the core forming material, ZnS is used as the shell forming material, and the 6N purity Zn metal and HS gas are used as the shell raw material. Was used.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.4%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a core / shell lattice mismatch of 0.4%.

この形成粒子について、比較例1と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は0.21°で、シェル厚1nm未満、不純物濃度1.21原子%で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例1の発光強度と比較してそれぞれ5、1.53倍であった。この試料を実施例粒子3とする。   The formed particles were measured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The half width of the shell material is 0.21 °, the shell thickness is less than 1 nm, the impurity concentration is 1.21 atomic%, the blinking frequency and the emission intensity are 5 and 1.53 times the emission intensity of Comparative Example 1, respectively. Met. This sample is referred to as Example Particle 3.

〈実施例4〉:シェルがSiO2で、シェル原料の純度が6Nで、シェル厚が厚い場合 コア形成素材としてSiを、シェル形成材料としてSiO2を用い、シェル原料に純度6Nの酸素ガスを用いた。 <Example 4>: shell with SiO 2, purity of the shell material is 6N, Si as if the core-forming material shell is thick, the SiO 2 used as the shell-forming material, the purity 6N oxygen gas to the shell material Using.

上記により製造(形成)したコア/シェル型半導体ナノ粒子のコア/シェル間の格子不整合率は、0.8%であった。   The core / shell type semiconductor nanoparticles produced (formed) as described above had a lattice mismatch ratio between the core and shell of 0.8%.

この形成粒子について、比較例1と同様の測定・評価をした。シェル素材の半値幅は0.30°で、シェル厚1nm以上、不純物濃度2.07原子%で、ブリンキング頻度、発光強度は比較例1の発光強度と比較してそれぞれ30、1.35倍であった。この試料を実施例粒子4とする。   The formed particles were measured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The half width of the shell material is 0.30 °, the shell thickness is 1 nm or more, the impurity concentration is 2.07 atomic%, the blinking frequency and the emission intensity are 30 and 1.35 times that of Comparative Example 1, respectively. Met. This sample is referred to as Example Particle 4.

以上の、測定・評価を表2にまとめて示す。   The above measurement and evaluation are summarized in Table 2.

Figure 2009132771
Figure 2009132771

表2に示した結果から次のことが言える。   The following can be said from the results shown in Table 2.

(l)実施例2、実施例4、比較例1、比較例3の結果から、シェル厚の厚さによって、シェル内の結晶性も異なり、かつ厚さによりコアから発光された光が散乱、反射され一部外部へ放出されない減少が起きていると考えられる。   (L) From the results of Example 2, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 3, the crystallinity in the shell differs depending on the thickness of the shell, and light emitted from the core is scattered depending on the thickness. It is thought that there is a decrease that is reflected and partly not released to the outside.

(2)実施例1、実施例2、比較例3の結果から、シェル材料に用いた原料により、シェル内の不純物濃度が変化しており、そのことにより、シェル内に欠陥が生じたと考えられ結晶性が変化し、発光強度に影響を与えていると考えられる。   (2) From the results of Example 1, Example 2, and Comparative Example 3, it was considered that the impurity concentration in the shell was changed by the raw material used for the shell material, and that this caused defects in the shell. It is considered that the crystallinity has changed and the emission intensity is affected.

上記の実施例及び比較例から、コア/シェル間の格子不整合率、シェル内の不純物濃度、シェル厚の3因子を考慮に入れることで、発光効率の向上も実現でき、されにはブリンキング現象の抑制も可能とすることができた。   From the above examples and comparative examples, the luminous efficiency can be improved by taking into account the three factors of the lattice mismatch ratio between the core and the shell, the impurity concentration in the shell, and the shell thickness. It was also possible to suppress the phenomenon.

Claims (5)

コア部とシェル層を有するコア/シェル型半導体ナノ粒子であって、当該シェル層内の不純物濃度が5.0原子%以下であり、かつコア/シェル間の格子不整合率が15%以下であることを特徴とするコア/シェル型半導体ナノ粒子。 A core / shell type semiconductor nanoparticle having a core part and a shell layer, wherein the impurity concentration in the shell layer is 5.0 atomic% or less, and the lattice mismatch ratio between the core and shell is 15% or less. A core / shell type semiconductor nanoparticle characterized by being. 前記シェル層のシェル厚が0.1〜5nmであることを特徴とする請求項1に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子。 The core / shell type semiconductor nanoparticles according to claim 1, wherein the shell layer has a shell thickness of 0.1 to 5 nm. 前記コア/シェル型半導体ナノ粒子の平均粒径が0.1〜10nmであることを特徴とする請求項1又は2に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子。 The core / shell type semiconductor nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein the core / shell type semiconductor nanoparticles have an average particle size of 0.1 to 10 nm. 前記コア部がSiを含有していて、前記シェル層がSiO2又はZnSを含有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子。 The core / shell type semiconductor nanoparticles according to any one of claims 1 to 3, wherein the core part contains Si, and the shell layer contains SiO 2 or ZnS. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のコア/シェル型半導体ナノ粒子の製造方法であって、シェル層を形成する材料として高純度のガスを用いたことを特徴とするコア/シェル型半導体ナノ粒子の製造方法。 The core / shell type semiconductor nanoparticle manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, wherein a high purity gas is used as a material for forming the shell layer. A method for producing semiconductor nanoparticles.
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