単一コロイド量子ドットで電気伝導の評価と制御に成功～「人工原子」デバイスの応用に前進～

2023-12-01

2023-12-01 東北大学

材料科学高等研究所/電気通信研究所/工学研究科/Tohoku Quantum Alliance　准教授　大塚朋廣

【発表のポイント】

従来、困難だったコロイド量子ドット１個の電気伝導の評価と制御に成功
１個の半導体コロイド量子ドットを用いた単一電子トランジスタで室温動作を実現
コロイド量子ドットの光電デバイスや量子情報デバイスへの応用に大きく前進

【概要】

量子ドットは、人工原子とも呼ばれる半導体の極微小な粒子で、本年、量子ドットの発見やコロイド状量子ドットの合成を行った研究者にノーベル化学賞が授与されました。この半導体コロイド量子ドット^＊１は、太陽電池などの光電デバイス^＊２の活性層として近年注目されており、これまでにその光学的な性質は比較的よく調べられてきました。一方で、コロイド量子ドットの電気的性質の研究は少なく、特に単一の量子ドットの電気伝導に関する評価はほとんど行われていないため、解明すべき問題が数多く存在していました。

東北工業大学工学部電気電子工学科の柴田憲治教授は、東京大学生産技術研究所の平川一彦教授、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の大塚朋廣准教授（同大学電気通信研究所兼務）、東京農工大学大学院工学研究院のサトリア・ビスリ准教授、理化学研究所創発物性科学研究センターの岩佐義宏チームリーダーらと共同で、半導体コロイド量子ドット１つを用いた単一電子トランジスタ（Single-Electron Transistor: SET）^＊３を作製し、従来困難だったコロイド量子ドット１個の電気伝導の詳細な評価を行うとともに、SETの室温動作も実現しました。本研究成果は、半導体コロイド量子ドットの光電デバイスへの応用に寄与するだけでなく、新たな量子情報デバイス^＊４への応用にも道を拓くものです。

本研究成果は、日本学術振興会科学研究費助成事業、公益財団法人JKA研究補助事業などの支援を受けて実現しました。成果論文は英国科学誌「Nature Communications（ネイチャーコミュニケーションズ）」（オンライン誌）に11月18日付で掲載されました。

図１　１個のコロイド量子ドットを用いた単一電子トランジスタ（SET）の試料構造
（ａ）間隔がナノメートルサイズの金属電極（ナノギャップ金属電極）と電極間に分散したPbSコロイド量子ドットの電子顕微鏡写真。コロイド量子ドットは直径5ナノメートル程度。左下の線の長さが40ナノメートルを表す。（ｂ）PbSコロイド量子ドット１個を用いたSETの試料構造と測定回路を示す模式図。ソース・ドレイン電極間に電圧をかけ、量子ドットを介した電流を測定する。ゲート電極に電圧をかけることで量子ドットを流れる電流を制御できるトランジスタ構造となっている。

【用語解説】

＊１）半導体コロイド量子ドット
量子ドットとは、ナノメートルスケールの微小な箱で、半導体結晶で構成されている。電子は、このような微小な空間に閉じ込められることにより、量子力学で記述される飛び飛びの電子状態を持つ。原子との類似性から量子ドットは、しばしば人工原子と呼ばれる。2023年には量子ドットを発見したアメリカの研究者3名がノーベル化学賞を受賞した。本研究で用いた半導体コロイド量子ドットは、有機配位子で周囲を囲まれているため、比較的安定で有機溶媒に溶け、溶液処理が可能である。PbSコロイド量子ドットは、サイズが小さく、高品質なことから、その光電デバイスへの応用が活発に研究されている。

＊２）光電デバイス
光を放出するか、光を検出することができる電子デバイスの一種。光と電荷の相互作用を利用して、光を電気信号に変換したり、その逆を行ったりする。代表的な例は、前者が太陽電池、後者がディスプレイである。

＊３）単一電子トランジスタ
１個１個の電子をゲート電圧で制御して流すことができる究極の省エネルギー素子。作製には、２つの電極の間に数百～数ナノメートル程度の”島構造”を準備する必要があるなど、非常に高度な作製技術が要求される。”島構造”のサイズが小さいほど量子力学的な効果が顕著に観測され、高温動作も可能になる。本研究では、直径が5ナノメートル程度の微小なPbS半導体コロイド量子ドット（Pb（鉛）とS（硫黄）を用いた量子ドット）を単一電子トランジスタの”島構造”として用いている。

＊４）量子情報デバイス
単一の光子や電子、スピンなどに情報機能を持たせることで情報処理を行う電子デバイス。次世代の情報処理や通信を担うとされており、量子コンピュータや量子暗号通信、量子センサなどに用いられる。単一光子発生器・検出器や単一電子トランジスタ、単一光子・スピン変換デバイスなどが該当する。

詳細（プレスリリース本文）