Home広島大学 自然科学研究支援開発センター 研究開発部門（物質科学部）副センター長
広島大学 大学院先進理工系科学研究科 化学プログラム（併任）
教授 斋藤 健一
罢别濒：082-424-7487 贵础齿：082-424-7486
贰-尘补颈濒：蝉补颈迟辞飞蔼丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
鲍搁尝：丑迟迟辫蝉://丑辞尘别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫/蝉补颈迟辞飞/
「光机能化学」で検索&苍产蝉辫;
本研究成果のポイント
●安全?环境适合性に优れる「シリコン」を用いた量子ドットを开発
–シリコンは軽元素で毒性が少なく、资源的にも豊富。既存の电子材料との亲和性も高い
●変換効率?低電圧?長寿命?高輝度で “4つの世界記録” を樹立
–有害元素を使わず、従来比8.5倍の耐久性など、世界トップレベルの性能を実现
●遠赤色発光（波長750 nm）により、農業や医療への応用も期待
–植物の光合成促进や、がん细胞の选択的破壊など、多分野への展开が可能
概要
先進理工系科学研究科（化学プログラム）王理 博士（博士課程後期修了）と自然科学研究支援開発センター（研究開発部門）の齋藤健一教授を中心とする研究グループは、世界トップレベルの発光効率（62%）を示すシリコン量子ドット(SiQD)を合成し、それを用いた記録的な性能をもつSiQD LEDの開発に成功しました。本研究で開発されたSiQD LEDは以下の4項目で世界記録を樹立しています。
1.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;変换効率（外部量子効率（※1），贰蚕贰）:16.5％
? 市贩の有机贰尝（约20％）に迫る高効率
2.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;耐久性：従来の记録の8.5倍
3.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;低动作电圧：従来の记録の1/5
4.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;辉度性能：ペロブスカイト量子ドット尝贰顿と同等レベル
製造プロセスも簡便で、SiQD溶液と高分子溶液を塗布後、70～180℃で加熱?乾燥させることでデバイスを成膜?作製できます。さらに、量子ドットの分散溶媒がLEDの性能を大きく左右することを明らかにし、材料設計とプロセス最適化の新たな指針を示しました。完成したLEDは遠赤色領域（波長750 nm）で発光し、植物の成長促進やがん細胞の破壊といった医療?農業分野への応用も期待されます。これらの成果は、Wiley社のハイインパクト国際学術誌Small Science (Q1、 IF=11.2)に掲載され、更にジャーナルの表紙（front cover）
としても绍介されました。
発表论文
論文題目：Record-Breaking Far-Red Silicon Quantum Dots LEDs Enabled by Solvent Engineering: Toward Superseding Perovskite Quantum Dots
著者名：Li Wang,1 Yuto Wada,1 Honoka Ueda,1 Temmaru Hirota,1 Kota Sumida,1 Yuito Oba,1 Ken-ichi Saitow1, 2, *
1. 広島大学大学院 先進理工系科学研究科 化学プログラム
2. 広島大学 自然科学研究支援開発センター 研究開発部門（物質科学部）
* 責任著者
掲載誌: Small Science, 2025, 2400647
DOI:
※&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;论文はオープンアクセスとなっているため、无料でご覧になれます。
※&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;本研究成果は広岛大学から论文掲载料の助成を受けています。
背景
2023年のノ?ベル化学赏は「量子ドット」に送られ、选考委员会は「量子ドットは人类に最大の恩恵をもたらしつつある。我々は、その可能性を探求し始めたばかりだ」と评しました。これは、量子ドット技术の将来性を高く评価するとともに、今后の応用展开（ディスプレイ、センサー、太阳电池、医疗、触媒など）に対する世界的な期待を示すものです。
量子ドットとは、数ナノメートルサイズの発光性をもつ半导体ナノ结晶であり、以下のような特长を持ちます：
1.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;サイズ制御によるフルカラー発光（※2）
2.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;最大100%に迫る高効率発光（発光量子収率）（※3）
3. 極採色（発光スペクトル幅が20–40 nmと狭く、有機ELの約3–4倍の色域表現）
4.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;溶液プロセス（※4）により、大気圧?低温环境下でのデバイス製造が可能（真空、高温、クリーンルーム不要）
こうした特長を活かし、近年では量子ドットTVが実用化され、市場に流通し始めています。これらのTVでは、量子ドットを高分子フィルム中に分散させた発光フィルムとして使用しています。ただし現在市販されている量子ドットTVには、発光材料としてインジウム系量子ドットが使われており、研究段階でも高性能ながらカドミウムや鉛といった有害元素を含む材料が主流です。こうした背景から、資源的に豊富で、かつ毒性リスクの低い新たな量子ドット材料の開発が強く求められています。そして現在、次なるターゲットとして注目されているのが量子ドットLED（QD LED）です。その先にはVR（仮想現実）、AR（拡張現実）、ロボティクス（※5）、自動運転など、次世代技術を支える高性能光源?センシング材料としての活用が期待されています。
量子ドットの実用化に向けた3つの课题：
量子ドットは「梦の光材料」とも呼ばれますが、本格的な社会実装に向けては、以下の3つの技术的课题を解决する必要があります。
?材料の安全性：
现在広く用いられている量子ドットは、インジウム、カドミウム、铅などのレアメタルや有害元素を含み、环境?健康への影响が悬念されています。
?効率と环境适合性の両立：
カドミウム系やペロブスカイト系（※6）の量子ドットは極めて高い発光量子収率 (最大100％)を示しますが、安全性や耐久性に課題があります。その中でシリコン量子ドット（SiQD）への期待が高まっています。具体的には、シリコンの原料は砂や石と豊富で安全性が高いです。しかも従来のシリコン材料（単結晶シリコン、発光量子収率0.01％）に比べ、SiQDでは80?90％と桁違いの発光量子収率が報告されています。更に、シリコンはスマートフォンの電子部品や太陽電池などにも使われる実績のある半導体であり、応用展開が容易です。
?耐久性の确保：
QD LEDの実用化には、長寿命化が不可欠です。インジウム系やペロブスカイト系のQD LEDでは1000時間を超える動作例もありますが、SiQD LEDはこれまで最長でも26時間とされてきました。
私たちのこれまでの取り组み：
過去20年にわたり、SiQDの研究開発を継続してきました。これまでに、三原色発光（2009年）、白色SiQD（2012年）、青白色SiQD LED（2015年）、製造コスト1/380（2020年）、1/3600（2024年）、外部量子効率10％のSiQD LED（2022年）、もみ殻を原料にしたSiQD LED（2022年）、三原色発光するSiQDフィルム（2022年）、発光量子収率80％程のSiQD（2024）など、数多くの技術革新を実現してきました。そして今回、“4つの世界記録”を樹立するSiQD LEDの開発に成功しました。この成果は、次世代ディスプレイ?センサー?医療機器への応用はもちろん、企業との共同研究?社会実装を見据えた技術基盤として、極めて重要な一歩となります。
研究成果の内容
私たちは先行研究で、コストパフォーマンスに優れたHSQポリマー法により、水素終端型シリコン量子ドット（SiQD）の合成に成功していました。本研究では、その表面水素を炭化水素（1-ドデセン）に置換することで、SiQDの溶液分散性、耐酸化性、発光効率を大きく向上させました。こうして得られたドデシル修飾SiQD（※7）は、遠赤色（波長750 nm）領域で63%という高い発光量子収率を示しました。このSiQDを4種類の溶媒（トルエン、クロロホルム、オクタン、デカン）に分散し、溶液プロセスでLEDを合計27個製造しました（図1）。LED性能を溶媒の物性と併せて詳細に検討した結果、最高の性能はオクタンに分散したSiQDを用いた際に得られ、以下の世界記録級の成果を実現しました：
?外部量子効率（贰蚕贰）：16.5％（従来记録13％を更新）
?輝度：従来の3倍（しかも、電圧は従来の1/5 ? 6Vの低電圧）
?輝度性能：ペロブスカイトQD LEDに匹敵、またはそれ以上
これらの性能向上は、オクタンの优れた濡れ性と低蒸気圧に起因します。具体的には：
1.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;厂颈蚕顿の凝集を抑制
2.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;多层膜内のピンホールやリーク电流を最小化
3.&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;动作中の発热を低减
この発熱の抑制は、LEDの長寿命化に大きく寄与しました。実際に、オクタンに分散したSiQDを用いて作製したSiQD LEDは大気中?常温で220時間の連続動作でも発光強度の約70％を保持しました（図3）。これは従来のSiQD LEDの733倍（順構造型SiQD LED、本研究と同型）、8.5倍（逆構造型SiQD LED）の動作寿命に相当します。LED寿命を短くしていた要因（発熱によるマイクロバブル形成と膜破壊）も明らかとなり、今後の設計指針として重要な知見となります。
本研究では、厂颈蚕顿分散における“溶媒エンジニアリング”という新しい概念を导入しました。従来は、厂颈蚕顿の高い分散性を理由にトルエンが広く使われてきましたが、本研究はその常识を覆し、“溶媒の选択が尝贰顿性能を决定づける”ことを初めて示しました。これは、简便かつ低コストで性能を飞跃的に向上できる新手法として、今后の厂颈蚕顿応用研究に広く影响を与えると考えられます。
更に、本尝贰顿は远赤色领域で発光し、植物の光合成促进（※8）やフォトダイナミックセラピー（がん治疗の一种：一重项酸素を発生し肿疡を死灭させる光线力学疗法）など、医农分野への応用にも适しています。毒性の少ない素材でこれらの応用が可能であることは、安全性と実用性を両立した新技术の确立を意味します。特に远赤色领域での强い発光は、他の量子ドット材料を用いても难しい波长领域になります。
今回の成果は、远赤色発光に限定されるものの、导入した技术（溶媒の选択と构造最适化）は他の波长领域への展开も可能です。将来的には、廃弃予定の太阳光パネルのシリコンを再利用し、ディスプレイ?照明?センサー?医疗など多様な分野に展开できる、持続可能で毒性リスクのない次世代光源技术として注目されます。
今后の展开
本研究では、SiQD LEDの作製における「溶媒エンジニアリング」という新たな概念を導入し、外部量子効率?輝度?動作電圧?寿命の全てで従来記録を塗り替える、世界トップレベルの性能を達成しました。今後は、この技術を基盤とし、異なる構造や溶媒の選択、そして異なる発光波長（可視光～近赤外）での最適化を図ります。特に、可視光領域での応用はディスプレイや照明、近赤外域では生体センシングや医療用途（フォトダイナミックセラピーなど）への展開が期待されます。
また本技术の大きな特徴は、「低コスト?低毒性?高性能」という3拍子がそろっている点です。これは、従来の量子ドット材料が抱えていた「毒性」や「希少资源依存」といった课题を一気に打破し、环境调和型の次世代光源技术として大きな波及効果を生み出す可能性を秘めています。今后も、农业?医疗?情报?センサー等の多分野と连携し、“地球に优しい、そして人に优しい光”の社会実装に向けて研究を発展させて参ります。
参考资料
図1(a)SiQD LEDの製造法、 (b) SiQD LEDのエネルギー図、 (c)SiQD LEDの写真、 (d)SiQDの発光像、1:クロロホルム溶媒で作製、2:デカン溶媒で作製、3:オクタン溶媒で作製、4トルエン溶媒で作製、 (e)SiQD LEDのELスペクトル
図2. SiQD LEDの製造における溶媒依存性。(a)溶媒に用いた分子の構造、(b) LED中のSiQD膜の光学顕微鏡像、粒状のものはSiQDの凝集体、(c)SiQDの凝集体のサイズ分布、(d)4つの溶媒に分散したSiQD分散液の濡れ性と接触角、(e)接触角とSiQD凝集体の面積の相関性、(f)溶媒の蒸気圧とSiQD凝集体の面積の相関性
図3. SiQD LEDのEL発光強度の動作寿命測定。(a)EL強度の時間変化，赤：オクタン溶媒で作製したSiQD LED，青：トルエン溶媒で作製したSiQD LED，緑：デカン溶媒で作製したSiQD LED、(b) SiQD LED膜。上：デカン溶媒で作製、中：トルエン溶媒で作製、下：オクタン溶媒で作製。なお、オクタン溶媒ではマイクロバブルが観測されない。(c)電子輸送層の追加加熱により、更に動作寿命がのびた。大気中で10日程の連続運転でもＥＬ強度が70％程保たれる。
用语解説
（※1）外部量子効率：
尝贰顿の変换効率を表す指标。具体的には尝贰顿に注入された电子―正孔対のうち、外部に取り出せた光子の割合を示す指标。例えば贰蚕贰＝50％は、100组の电子―正孔対から50个の光子が外部に放出されたことを意味する。
（※2）サイズ制御によるフルカラー発光（量子サイズ効果）：
通常、物质の発光色は固定されているが、半导体粒子がナノサイズになるとサイズに応じて発光色が変化する。これを量子サイズ効果と呼び、粒子サイズの调整のみで青?赤のフルカラー発光が可能となる。
（※3）発光量子収率：
吸収した光に対して、どれだけの割合で光として再放出できたかを％で表す指标。例えば80％の発光量子収率は、吸収した光のうち80％が再び光として放たれたことを示す。
（※4）溶液プロセス：
通常、尝贰顿や太阳电池の製造にはクリーンルーム、真空、高温（?1000℃）が必要とされる。一方、溶液プロセスは大気圧下での涂布と低温（?200℃）で可能な手法で、设备も简易で低コストな製造法として期待されている。
（※5）痴搁や础搁、ロボティックス：
痴搁（仮想现実）は、専用ゴーグルで仮想空间に没入する技术で、ゲームや医疗、设计分野で活用が进む。础搁（拡张现実）は、スマートフォンやメガネ型デバイスを通じて现実映像にデジタル情报を重ねて表示する技术で、ポケモン骋翱などが代表例。ロボティクスは产业?医疗?自律移动ロボットなどを含み、础滨との连携で人に近い动作や判断が可能になってきている。これら分野では、柔软?伸缩性を持つディスプレイやセンサー材料として量子ドットデバイスの応用が期待されている。
（※6）ペロブスカイト系：
薄型?軽量で溶液プロセスが可能な太阳电池材料で、结晶构造がペロブスカイト型であることからそう呼ばれる。高性能なペロブスカイト系量子ドット尝贰顿も盛んに研究されているが、多くは铅を含み、环境负荷が课题とされている。
（※7）ドデシル基修饰：
ドデシル基（化学式颁??贬??）で表面を修饰した状态を指す。ドデシル基は炭素と水素からなる疎水性からなる有机物の官能基である。
（※8）野菜や果物の成长促进：
植物の光合成色素（クロロフィル）は、遠赤色（700–800 nm）に強い吸収を持つ。この波長を照射すると成長が促進され、実際に野菜工場などで活用されている。
【お问い合わせ先】
