ノーベル化学賞を受賞した量子ドットがテレビに使われるかもしれない

北京時間10月4日午後5時45分頃、スウェーデン王立科学アカデミーは、量子ドットの発見と研究を評価され、アメリカの科学者ムンギ・G・バウェンディ氏（マサチューセッツ工科大学）、ルイス・E・ブルス氏（コロンビア大学）、ロシアの科学者アレクセイ・I・エキモフ氏（ナノクリスタルテクノロジーズ社）に2023年のノーベル化学賞を授与することを決定した。

2023年のノーベル賞の個人賞金は1100万スウェーデンクローナ（約722万5800人民元）で、昨年より100万スウェーデンクローナ増加した。

01 受賞者紹介

ムンギ・G・バウェンディは1961年にフランスのパリで生まれました。 1988年、米国イリノイ州シカゴ大学で博士号を取得。米国マサチューセッツ州ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学（MIT）の教授。

ルイス・E・ブラスは1943年に米国オハイオ州クリーブランドで生まれました。 1969年に博士号を取得した。米国ニューヨークのコロンビア大学卒業。米国ニューヨークのコロンビア大学教授。

アレクセイ・I・エキモフは1945年にソビエト連邦で生まれました。 1974年、ロシアのサンクトペテルブルクにあるジョッフェ物理技術研究所を卒業し、博士号を取得。彼は1999年にアメリカに移住し、民間企業で働きました。彼は米国ニューヨークのナノクリスタルテクノロジー社の主任科学者でした。

02 量子ドットとは何ですか?

量子ドットといえば、間違いなく次の図が思い浮かぶでしょう。暗闇の中で紫外線を照射すると、一列に並んだ試験管の中の溶液が、息を呑むほど純粋な青から赤の光を発します。では、量子ドットとは何でしょうか?なぜ量子ドットはこのような鮮やかな色を発するのでしょうか?

▲量子ドットの蛍光写真（写真出典／TV常識講座：量子ドットって何？）

石であろうと砂粒であろうと、それは原子や分子で構成されています。砂粒と石片は大きさが大きく異なりますが、物理的および化学的性質はほぼ同じです。しかし、物質のサイズがナノスケールに入ると、状況は変わり始めます。 「量子ドットには魅力的で珍しい特性が数多くある。重要なのは、量子ドットは大きさによって色が異なるということだ」とノーベル化学委員会のヨハン・オクヴィスト委員長は語った。

量子ドットと呼ばれるものは、半導体ナノ結晶とも呼ばれ、数百または数千個の原子から構成され、通常 20 ナノメートル未満の大きさの半導体結晶粒子です。半導体材料は情報化社会の礎です。一般的に繰り返し単位構造を持つ結晶で構成されており、その半導体特性は繰り返し単位の種類によって決まります。量子ドットのサイズがナノスケールに入ると、半導体ナノ結晶内の繰り返し単位の数が制限され、材料の電子構造に大きな変化が生じます。

Brus、Ekimovらは、このサイズに関連した現象を量子閉じ込め効果と説明しました。量子ドットの電子構造は、バルク材料（マクロ結晶）の連続エネルギーバンドから離散エネルギーレベルに変化し、結晶サイズが減少するにつれてバンドギャップが徐々に増加します。同時に、量子ドットのサイズは励起子（電子正孔対）のボーア半径よりも小さいのが一般的であるため、光励起によって生成された励起子は各量子ドット内にしっかりと結合し、高効率な放射再結合を実現します。現在最も広く研究されているセレン化カドミウム（CdSe）量子ドットを例にとると、セレン化カドミウムの本体は黒色粉末であり、通常は蛍光効果はありません。一方、溶液中で合成されたセレン化カドミウム量子ドットは、そのサイズを変えることで青から赤まで複数の色の発光を実現できます。

▲球状量子ドットの構造図（出典：第18回CHTFリテックコーティングおよび量子ドット技術サミットフォーラム）

03 コロイド中の量子ドットはどのように作られるのでしょうか?

コロイド量子ドットは通常、有機金属前駆体の高温熱分解によって合成されます。簡単に言えば、陰イオン前駆体を陽イオン前駆体を含む高温反応溶液に急速に注入する方法であるため、高温ホットインジェクション法とも呼ばれます。この合成法の反応メカニズムは、反応前駆体の濃度が瞬時に過飽和となり、核形成の臨界点を超え、その後、単分散結晶核が急速に得られ、量子ドットの核形成過程と成長過程が分離され、量子ドットの急速な核形成と緩やかな成長が実現されるというものである。

▲量子ドット合成装置（画像提供：Today's New Materials）

高温ホットインジェクションによるコアシェル構造の量子ドットの合成は、図2に示す装置を使用して2段階法で行うことができます。

最初のステップでは、裸のコアの量子ドットを合成し、次に室温で有機溶媒で繰り返し抽出し、その後、高速遠心分離によって反応溶媒と副産物を除去して精製します。精製の際には、異なる遠心速度を選択することで、大きいベアコア量子ドットと小さいベアコア量子ドットを除去し、中間サイズと比較的均一な粒子サイズのベアコア量子ドットのみを残すことができます。

2 番目のステップでは、裸のコア量子ドットを反応溶液に再分散させて表面シェルをコーティングします。有機蛍光染料の蛍光寿命は、通常、わずか数ナノ秒です。直接バンドギャップを持つ量子ドットの蛍光寿命は数十ナノ秒続くことがありますが、シリコン量子ドットなどの準直接バンドギャップを持つ量子ドットの蛍光寿命は 100 マイクロ秒以上続くことがあります。

このように、光励起下では、自発蛍光の大部分は減衰しますが、量子ドットの蛍光は依然として存在し、背景干渉のない蛍光信号が得られます。

04 量子ドットの応用

量子ドットの豊富な物理的・化学的特性により、多くの学者が注目しています。基礎研究のたゆまぬ探求を通じて、多くの重要な最先端技術が形成されてきました。

たとえば、量子ドットは効率的で安定した発光特性を備えているため、古典的なタイプの蛍光標識材料となっています。生物学的検出や医療画像の分野では、科学研究やin vitro検出に広く使用され、画像化および検出技術の発展を促進しています。一方、量子ドットは発光範囲が狭く、発光色を調整できるという特徴があり、ディスプレイ分野における新世代の発光材料システムとなっています。

同時に、太陽電池、赤外線検出・イメージング、光触媒、量子光源などの分野における量子ドットの応用も大きく進歩しました。その中で最も代表的な応用は、量子ドットの優れた発光性能と、ノーベル賞を受賞したもう一つの成果である GaN ベースの青色光 LED を組み合わせて、量子ドットカラー強化液晶ディスプレイ技術を実現することです。この技術では、量子ドットが LED バックライトの色を高純度の赤、緑、青の原色に変換し、従来の LCD や有機 LED ディスプレイを超える広い色域を実現します。

▲TCL量子ドットテレビ（画像出典：www.jiaoanw.com）

▲量子ドットテレビの撮像原理の模式図（画像出典：www.modernart2008.cn）

現在商品化されている量子ドット液晶ディスプレイに加えて、量子ドットは将来のディスプレイ、光源技術、新エネルギー分野で大きな応用可能性を秘めています。

1) 将来のディスプレイ:

電子機器の小型化、インテリジェント化、柔軟性の向上に伴い、スマートウェアラブルデバイスが急成長しています。仮想現実アプリケーションでは、近眼ディスプレイ デバイスに、高色域、高リフレッシュ レート、超高解像度などの特性が求められます。量子ドット発光（QLED）技術は、上記の特性を同時に持つことが期待されています。

量子ドットやその他の関連半導体材料の急速な発展により、今後 3 ～ 5 年以内に商用性能基準を満たす QLED デバイスが実現され、将来のディスプレイに使用されることが期待されています。

（２）太陽光発電：

クリーンエネルギーとして認められた太陽エネルギーは、次世代のエネルギー革命における主要な技術となるでしょう。現在、科学研究部門と産業界は、太陽電池の光電変換効率と信頼性の向上に全力を尽くしています。 PbS に代表される量子ドット材料は、赤外線帯域でのバンドギャップ調整可能性により、次世代の溶液プロセス太陽電池において大きな可能性を秘めています。量子ドット材料を他の半導体感光材料と組み合わせることは、高性能太陽光発電技術を実現するための重要な技術的ルートです。

（３）高性能レーザー光源の応用：

レーザー技術は現代の光学の発展における重要な技術の 1 つであり、宇宙通信、測定、ジャイロスコープ、軍事において重要な用途があります。量子ドットの連続的なスペクトル調整可能性と高効率の発光性能は、次世代の新しいレーザーの材料となる上での重要な利点です。

同時に、量子ドットの合成および準備コストの低下は、レーザーの小型化と民生用開発を積極的に促進するでしょう。量子ドットベースの光ポンピングレーザーと電気ポンピングレーザーは、どちらもこの分野の研究の最前線にあります。

（４）単一光子光源の応用：

量子情報・量子通信技術の急速な発展に伴い、単一光子源は量子情報デバイスに欠かせない構成要素の一つとなっています。単一粒子量子ドットは理想的な 2 レベル システムとして近似できるため、単一光子源の分野で独自の利点があります。現在、最も成熟した単一光子源デバイスは、エピタキシャル成長などの方法で作成された自己組織化量子ドットです。量子ドット溶液調製および処理技術の発展により、将来的には、低コストの溶液合成量子ドットを単一光子源として使用して、マルチバンド、高効率、低コストの量子ドット単一光子源アレイを調製し、量子コンピューティングと量子通信を実現するための新しい技術を提供することが期待されます。

05 量子ドット研究における中国の強み

1980年代に始まった国際的な研究に比べると、量子ドット分野の国内研究は少し遅れて始まりました。近年、中国の科学者はたゆまぬ努力により、量子ドット合成、量子ドット発光ダイオード（QLED）、量子ドットウイルス標識、ペロブスカイト量子ドットディスプレイ応用などの研究分野で独自の先導的成果を達成しました。

清華大学の李亜東院士、中国科学院化学研究所の李永芳院士、中国科学院物理化学研究所の呉立竹院士、東呉大学の高明元教授、南開大学の龐大文教授らは、中国で量子ドット研究を行った最初の学者たちの中にいた。彭暁剛教授は2009年に中国に帰国後、浙江大学に加わり、量子ドットの励起状態化学制御の研究と産業発展に専念しました。彼はまた、周囲の若い学者のグループに量子ドットの分野で研究に取り組むよう刺激を与えました。

2014年、彭暁剛教授と金一珍教授は共同で、理論効率に近い赤色QLED電界発光装置をネイチャー誌に発表し、その年の中国のトップ10の科学的進歩の1つに選ばれました。それ以来、中国の学者たちはQLEDに懸命に取り組み続け、デバイスの性能を継続的に向上させてきました。例えば、2022年には、華南理工大学の金一珍の研究グループと黄飛の研究グループが共同研究を行い、青色光デバイスの性能を産業レベル近くまで向上させた成果を発表しました。

さらに、北京理工大学の鍾海正教授と南京理工大学の曽海波教授は、ペロブスカイト量子ドットを開発した世界初の研究グループとなった。彼らは、ペロブスカイト量子ドットの光ルミネッセンスおよび電界発光の応用に関する代表的な研究成果を発表した。浙江大学が2021年に開催した第2回量子ドット化学・物理・応用シンポジウムには、100名を超える教員と500名を超える学生が参加しました。中国の量子ドット研究はほとんどの研究方向をカバーしており、いくつかの研究分野では世界レベルと同等かそれ以上の状況を形成している。

同時に、科学技術部の支援を受けて、TCL、BOE、Huaweiなどの企業が量子ドットディスプレイ技術に注力しており、杭州ナノクリスタルや智晶科技に代表される技術革新企業も継続的に成長しています。

張宏偉記者がまとめた

コンテンツソース: 北京日報、グローバルサイエンス、「科学技術」WeChatパブリックアカウント、今日の新素材、学術緯度経度