2023年のノーベル化学賞は、量子ドットの発見と開発に対して授与されました。ノーベル委員会は、「量子ドットは人類に最大の恩恵をもたらしており、その可能性の探求はまだ始まったばかりです」と述べています。この受賞は、量子ドット研究に対する最高の評価を示すものであるだけでなく、ディスプレイ照明、エネルギー触媒、バイオメディカル、量子技術といった分野におけるその巨大な可能性を浮き彫りにしています。本特集は、シリコン量子ドット、特に溶媒分散系に焦点を当て、合成法、構造特性、光学特性、そして溶液プロセス発光ダイオード（導かれた）への応用に関する研究の進展を体系的に紹介しています。
量子ドットは、わずか数ナノメートルの大きさを持つ半導体ナノ結晶です。コロイド状量子ドットは、非真空プロセスでサイズ調整可能なフルカラー発光を実現できること、発光量子収率が100%に近づくこと、発光帯域幅が20～40 nmと狭く、色域が有機ELの3～4倍であること、低温溶液法を用いて室温で作製できることなど、独自の利点を有しています。これらの特性を活かし、狭バンドギャップを工学的に制御できるコアシェル構造が実現され、量子ドットテレビなどの製品化に成功しています。今後、量子ドットは、小型LED、ミクロンサイズLED、量子ドットLED技術の開発において中心的な役割を果たし、伸縮性ウェアラブルデバイスなど、人間中心の次世代オプトエレクトロニクス技術の開発を牽引すると期待されています。この技術の波に後押しされて、世界の量子ドット市場は 9.47% の 年平均成長率 で拡大し続けると予測されています。
しかし、量子ドット技術の広範な応用には、依然として3つの大きな課題が存在します。第一に、原材料の入手が困難であり、安全上のリスクが生じる可能性があります。現在、市販されている量子ドットは、主に希少金属のインジウムや有毒金属のカドミウム、鉛などの重金属材料をベースとしています。一方、コロイド状シリコン量子ドットとそのナノ材料は、本質的に重金属やハロゲンを含まないため、持続可能な次世代ディスプレイ、固体照明、生物医学イメージング、さらには最先端の量子分野にとって理想的な代替手段となります。第二に、量子ドットの効率ボトルネックを早急に克服する必要があります。カドミウムベースおよびペロブスカイト量子ドットはほぼ100%の量子収率を達成していますが、重金属を含まないシステムは、表面欠陥や不完全なパッシベーションのために長い間遅れをとってきました。幸いなことに、最近の研究ではシリコン量子ドットの量子収率は70%以上に向上しています。第三に、既存の合成方法は早急に簡素化する必要があります。広く用いられているホットインジェクション法では、核形成を誘発するために前駆体を高温溶媒に急速に注入する必要があるため、温度制御、不活性雰囲気、特殊な装置に対する厳しい要求が課せられ、大規模生産には高コストが伴います。さらに重要なことに、現在、ホットインジェクション法を用いて高い結晶性と優れた光学特性を両立するシリコン量子ドットを合成できる適切な前駆体や溶媒は存在しません。
研究チームは過去20年間にわたり、シリコン量子ドット研究においていくつかのマイルストーンを体系的に前進させてきました。具体的には、3色発光と連続白色発光の実現、初のスカイブルー発光シリコン量子ドットダイオードの開発、製造コストを数百分の1から数千分の1に削減する低コスト合成ルートの開発、米のもみ殻を使用した持続可能なシリコン量子ドットダイオードの作製、量子収率が約80%で結晶性が明確に定義されたシリコン量子ドットの取得、耐久性のある赤、緑、青の3色薄膜の製造、外部量子効率が10%を超える発光ダイオードデバイスの実現、および4つの性能記録の樹立などです。
広島大学の斉藤健一氏らは、特別報告の中で、量子収率が80%にも達する高結晶性シリコン量子ドットの合成法、構造特性、光物性についてまとめました。シリコン量子ドットの利点を概説した後、焦点はコロイド状シリコン量子ドットの合成経路、特に水素シルセスキオキサンポリマー法に移ります。この方法は、ホットインジェクションステップが不要で、室温の穏やかな条件下で実行できるため、急速な前駆体注入や厳格な操作手順が不要です。これにより、実験プロセスが大幅に簡素化され、大規模生産が容易になります。この合成経路に基づいて調製された水素シルセスキオキサン由来の材料は、4つの主要な性能指標において、シリコン量子ドット発光ダイオードの記録破りの成果をさらに実証しています。