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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-18
(45)【発行日】2024-01-26
(54)【発明の名称】半導体量子ドットの分離装置及び分離方法
(51)【国際特許分類】
B03C 7/00 20060101AFI20240119BHJP
B82Y 40/00 20110101ALI20240119BHJP
C01B 19/04 20060101ALI20240119BHJP
C09K 11/08 20060101ALI20240119BHJP
C09K 11/56 20060101ALI20240119BHJP
C09K 11/88 20060101ALI20240119BHJP
【ＦＩ】
B03C7/00
B82Y40/00
C01B19/04 C
C09K11/08 G
C09K11/56
C09K11/88 ZNM
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020039762
(22)【出願日】2020-03-09
(65)【公開番号】P2021138590
(43)【公開日】2021-09-16
【審査請求日】2023-01-27
(73)【特許権者】
【識別番号】504145320
【氏名又は名称】国立大学法人福井大学
(74)【代理人】
【識別番号】100180758
【弁理士】
【氏名又は名称】荒木 利之
(72)【発明者】
【氏名】熊倉 光孝
【審査官】山本 吾一
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００５／０８７６５４（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０１Ｂ
Ｃ０９Ｋ
Ｂ８２Ｙ
Ｂ０３Ｃ ７／００
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する波長の光を照射する光照射装置と、前記光の照射された半導体量子ドットに電場を印加する電場印加装置とを有し、
前記光照射装置の光の照射範囲及び前記電場印加装置の印加する電場のポテンシャルの少なくとも一方が局所的である半導体量子ドットの分離装置。
【請求項2】
前記電場印加装置は、レーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加する請求項１に記載の分離装置。
【請求項3】
前記電場印加装置は、前記光照射装置である請求項２に記載の分離装置。
【請求項4】
溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する複数の異なる波長の光を、それぞれ異なる範囲に照射する光照射装置と、前記光の照射された半導体量子ドットに一様な電場を印加する電場印加装置とを有する半導体量子ドットの分離装置。
【請求項5】
溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起するとともに交流電場によって局所的なポテンシャルの電場を印加する複数の異なる波長の光を、それぞれ異なる範囲に照射する光照射装置を有する半導体量子ドットの分離装置。
【請求項6】
前記光照射装置は、複数の異なる波長の光の照射する範囲を、前記溶媒の流れの上流から下流に向けて波長が長いものから順に並べ、前記半導体量子ドットを前記光の照射する範囲に捕獲した後に、波長の短いものから順に光の照射を停止する請求項４又は５に記載の半導体量子ドットの分離装置。
【請求項7】
溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する波長の光を照射し、前記光の照射された半導体量子ドットに電場を印加する半導体量子ドットの分離方法であって、
前記光の照射範囲及び前記印加する電場のポテンシャルの少なくとも一方が局所的である半導体量子ドットの分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体量子ドットの分離装置及び分離方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の技術として、誘電体高分子を捕捉し、移動し、若しくは解放し、又はこれらの方法を組み合わせて操作する分離装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
特許文献１に開示された分離装置は、対象高分子を溶媒高分子（異種高分子）に溶解させた溶液に入れ、異種高分子が誘電体であって分子量が対象高分子の１０倍以上とすることで、レーザー光を集光して、異種高分子をその焦点に捕捉するか又は斥力を生じさせることで、通常溶液（高分子を含まない水等）に比べてレーザー光に対する対象高分子の応答効率を向上する。当該分離装置により、レーザートラップ技術による光ピンセットで代表される光学的操作技術を用いて、誘電体高分子を捕捉し、移動し、若しくは解放し、又はこれらの方法を組み合わせて対象高分子の型化、固定、輸送等の操作をし、対象高分子を分離する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００５‐８０５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、上記した分離装置は、相互作用を利用して上記操作が可能であるが、分離の対象が中性粒子であって高分子（μｍオーダー）に限られたものであって、ｎｍオーダーの粒子には相互作用を利用した上記操作が適用できない。また、同様に中性粒子であって原子（Åオーダー）であれば共鳴を利用してレーザー冷却やレーザートラップにより分離が可能であるが、共鳴を利用するにはスペクトルが鋭い必要があり、ｎｍオーダーの量子ドットには適用できない。
【0006】
一方、ｎｍオーダーであっても荷電高分子であればイオントラップ、イオン光学等を利用して荷電粒子を制御可能であるが、中性粒子には適用できない。
【0007】
従って、本発明の目的は、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御する半導体量子ドットの分離装置及び分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の半導体量子ドットの分離装置及び分離方法を提供する。
【0009】
［１］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する波長の光を照射する光照射装置と、
前記光の照射された半導体量子ドットに電場を印加する電場印加装置とを有し、
前記光照射装置の光の照射範囲及び前記電場印加装置の印加する電場のポテンシャルの少なくとも一方が局所的である半導体量子ドットの分離装置。
［２］前記電場印加装置は、レーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加する前記［１］に記載の分離装置。
［３］前記電場印加装置は、前記光照射装置である前記［２］に記載の分離装置。
［４］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する複数の異なる波長の光を、それぞれ異なる範囲に照射する光照射装置と、
前記光の照射された半導体量子ドットに一様な電場を印加する電場印加装置とを有する半導体量子ドットの分離装置。
［５］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起するとともに交流電場によって局所的なポテンシャルの電場を印加する複数の異なる波長の光を、それぞれ異なる範囲に照射する光照射装置を有する半導体量子ドットの分離装置。
［６］前記光照射装置は、複数の異なる波長の光の照射する範囲を、前記溶媒の流れの上流から下流に向けて波長が長いものから順に並べ、前記半導体量子ドットを前記光の照射する範囲に捕獲した後に、波長の短いものから順に光の照射を停止する前記［４］又は［５］に記載の半導体量子ドットの分離装置。
［７］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する波長の光を照射し、
前記光の照射された半導体量子ドットに電場を印加する半導体量子ドットの分離方法であって、
前記光の照射範囲及び前記印加する電場のポテンシャルの少なくとも一方が局所的である半導体量子ドットの分離方法。
前記光の照射された半導体量子ドットに電場を印加する電場印加装置とを有し、
前記光照射装置の光の照射範囲及び前記電場印加装置の印加する電場のポテンシャルの少なくとも一方が局所的である半導体量子ドットの分離装置。
［２］前記電場印加装置は、レーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加する前記［１］に記載の分離装置。
［３］前記電場印加装置は、前記光照射装置である前記［２］に記載の分離装置。
［４］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する複数の異なる波長の光を、それぞれ異なる範囲に照射する光照射装置と、
前記光の照射された半導体量子ドットに一様な電場を印加する電場印加装置とを有する半導体量子ドットの分離装置。
［５］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起するとともに交流電場によって局所的なポテンシャルの電場を印加する複数の異なる波長の光を、それぞれ異なる範囲に照射する光照射装置を有する半導体量子ドットの分離装置。
［６］前記光照射装置は、複数の異なる波長の光の照射する範囲を、前記溶媒の流れの上流から下流に向けて波長が長いものから順に並べ、前記半導体量子ドットを前記光の照射する範囲に捕獲した後に、波長の短いものから順に光の照射を停止する前記［４］又は［５］に記載の半導体量子ドットの分離装置。
［７］溶媒中に流されたコロイド状半導体量子ドットに、当該半導体量子ドットを光励起する波長の光を照射し、
前記光の照射された半導体量子ドットに電場を印加する半導体量子ドットの分離方法であって、
前記光の照射範囲及び前記印加する電場のポテンシャルの少なくとも一方が局所的である半導体量子ドットの分離方法。
【発明の効果】
【0010】
請求項１、４、５、７に係る発明によれば、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。
請求項２に係る発明によれば、レーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加することができる。
請求項３に係る発明によれば、光照射装置によるレーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加することができる。
請求項６に係る発明によれば、複数の異なる波長の光の照射する範囲を、溶媒の流れの上流から下流に向けて波長が長いものから順に並べ、半導体量子ドットを光の照射する範囲に捕獲した後に、波長の短いものから順に光の照射を停止することができる。
請求項２に係る発明によれば、レーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加することができる。
請求項３に係る発明によれば、光照射装置によるレーザー光による交流電場によって前記半導体量子ドットに局所的なポテンシャルの電場を印加することができる。
請求項６に係る発明によれば、複数の異なる波長の光の照射する範囲を、溶媒の流れの上流から下流に向けて波長が長いものから順に並べ、半導体量子ドットを光の照射する範囲に捕獲した後に、波長の短いものから順に光の照射を停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
【0013】
半導体量子ドット２０は、一例として、コアシェル型の量子ドットであり、直径が約３～６ｎｍであって、ＣｄＳｅのコア２００と、ＺｎＳのシェル２０１と、オクタデシルアミンの有機分子キャップ剤２０２とを有する。コア２００は、発光波長が主に半導体量子ドット２０のサイズに依存するものであり、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＰｂＳ等であってもよい。発光波長が主にサイズに依存する理由は、これらの組成のコア２００について「電子正孔個別閉じ込めモデル」でよく記述される。また、シェル２０１は、Hg S、Cd Se、Cd S等であってもよい。また、有機分子キャップ剤２０２は、ヘキサデシルアミン、オレイン酸等であってもよい。
【0014】
また、半導体量子ドット２０は、コアシェル型の量子ドットに限らず、コロイド状半導体量子ドットのうち発光波長が主にサイズに依存するものであれば、コア型量子ドットであってもよい。また、半導体量子ドット２０は、組成比でスペクトルが変わるＣｄＳｘＳｅ１‐ｘ等の合金型量子ドットであっても、「電子正孔個別閉じ込めモデル」で説明されるものであれば用いることができる。一方、電子―正孔間の結合が強く、励起子のサイズが小さいもの、つまり、「励起子閉じ込めモデル」の量子ドットでは有効ではないと考えられる。
【0015】
図２は、半導体量子ドット２０の粒径（直径）と蛍光波長との関係を示すグラフ図である。
【0016】
図２に示すように、横軸が波長、縦軸が蛍光強度としたとき、半導体量子ドット２０の粒径が大きくなるに従い蛍光波長が大きくなる。一例として、半導体量子ドット２０がＣｄＳｅのコア２００、ＺｎＳのシェル２０１で構成される場合、粒径２．５ｎｍで蛍光波長が約４７５ｎｍ、粒径３．４ｎｍで蛍光波長が約６００ｎｍ、粒径６．３ｎｍで蛍光波長が約７００ｎｍである。
【0017】
図３（ａ）及び（ｂ）は、半導体量子ドット２０の吸収スペクトル及び蛍光スペクトルを示すグラフ図である。
【0018】
図３（ａ）に示すように、横軸が波長、縦軸が吸光度、図３（ｂ）に示すように、横軸が波長、縦軸が蛍光強度としたとき、半導体量子ドット２０は、蛍光波長が大きくなるに従い、吸収スペクトルが長波長側にシフトする。つまり、半導体量子ドット２０の粒径が大きくなるに従い吸収スペクトルが長波長側にシフトする。例えば、様々な粒径の半導体量子ドットに対して光を照射する場合、波長が約６２５ｎｍの光を照射することで図中「a」（粒径＝５．５ｎｍ）の粒径の大きな量子ドットのみが励起され、波長が約４５０ｎｍの光を照射することで図中「ａ」～「ｄ」の様々な粒径（５．５ｎｍ、４．８ｎｍ、４．２ｎｍ、２．３ｎｍ）の量子ドットが励起されることになる（B. O. Dabbousi他、“(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites”、American Chemical Society、J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463-9475）。
【0019】
【0020】
分離装置１Ａは、半導体量子ドット２０を励起するための特定の波長のレーザー光１０ｌＡを照射する図示しない光照射装置と、領域ＡＡに局所的な電場を印加する電場印加装置の一部としての電極１１Ａと、溶液２中の半導体量子ドット２０を流れｆ方向に流すためのキャピラリー１２とを有する。
【0021】
レーザー光１０１Ａを照射する光照射装置は、例えば、半導体励起固体レーザーであり、出力１Ｗ、ビーム径５００μｍである。照射範囲は、領域ＡＡを含みキャピラリー１２全体であり、一様に照射される。また、連続波発振動作、パルス発振動作のいずれでもよい。
【0022】
電極１１Ａは、例えば、材質がＣｕであり、その間隔は８ｍｍである。電極１１Ａは、高圧電源モジュールに接続され、電圧計とともに電場印加装置を構成する。
【0023】
キャピラリー１２は、例えば、材質がガラス、径が1.5 mm、長さ30 mmであり、溶媒２の流速は１０μｍ/sである。なお、溶媒２の流速をｘ倍に大きくする場合は、レーザー光１０ｌＡの出力をｘ倍にして対応可能である。
【0024】
溶液２は、溶媒として非プロトン性極性溶媒の一例として炭酸 プロピレンを用いる。理由の詳細は後述するが、水と同程度の高い誘電率を持ち、高い電場を印加した場合の電気分解を防止することができる。
【0025】
また、流れｆ方向の電極１１Ａの位置をｘ＝０とした場合、電極１１Ａにより電場が印加され図５に示すようなポテンシャルを形成する。
【0026】
（分離装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を説明する。
次に、第１の実施の形態の作用を説明する。
【0027】
まず、キャピラリー１２内に半導体量子ドット２０を含む溶液２を低速（１０μｍ／ｓ）で流す。ここで、一例として、半導体量子ドット２０の粒径は２．３～５．５ｎｍの範囲のものが含まれるものとし、粒径５．５ｎｍのみを分離することを目標とする。
【0028】
次に、溶液２全体を照射するようにレーザー光１０ｌＡを照射し、溶液２内の半導体量子ドット２０を光励起する。ここでは、レーザー光１０ｌAは、例えば、波長６２５ｎｍであり、これにより粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され、粒径５．５ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。なお、溶液２のうち領域ＡＡにのみレーザー光を照射するようにしてもよい。
【0029】
光励起された半導体量子ドット２０は、約2.5 kW/cm2の強度の光によるシュタルク効果により約６０ｍｅＶの蛍光スペクトルのピークシフトを生じ、粒子全体のエネルギーが実質的に下がる。これにより、光励起された半導体量子ドット２０に対して電場が強い方向に向かって力が働く。これは、粒子内の励起子の分極が大きくなることで、電場との双極子相互作用でエネルギーが下がるためピークシフトが生じると考えられている。なお、分極率と正の相関がある誘電率についても大きくなると考えられる。
【0030】
また、電極１１Ａに１１．４ｋＶの電圧を印加することにより領域ＡＡに図５に示すように捕捉ポテンシャルとして局所的な電場を印加する。領域ＡＡを通過する半導体量子ドット２０のうち、光励起された半導体量子ドット２０（粒径５．５ｎｍ）は、局所的な捕捉ポテンシャルに捕捉される。なお、半導体量子ドットが受けるポテンシャルエネルギーは、以下の式で表される。
【0031】
【数1】
【0032】
半導体量子ドット２０の公称サイズ、誘電率を用いて上記の数式から計算すると、半導体量子ドット２０の受けるポテンシャルエネルギーのポテンシャル深さがΔφＤＥＰ＝２．６×１０－２２（～２０Ｋ）に相当するものとなり、常温下では半導体量子ドットは捕捉できない。しかし、実際の実験では、領域ＡＡ（-1 mm＜ｘ＜1 mmの範囲）に半導体量子ドットが捕捉され、熱平衡分布を仮定して統計力学的にエネルギー差を見積もると、その値は１０００Ｋと、上記の式から算出される値よりも５０倍も大きな値となっており、誘電率が大きくなったこと以外の物理的な理由があるものと考えられる。
【0033】
上記の動作により、領域ＡＡに捕捉された半導体量子ドット２０以外の粒径（５．５ｎｍより小さい粒径）の半導体量子ドット２０は、流れｆによりキャピラリー１２から排出される。その後、レーザー光１０ｌＡの照射及び電極１１Ａによる電場の印加のいずれか一方をやめることで、捕捉されていた粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０が流れｆによりキャピラリー１２から排出され、粒径を選択して分離が可能となる。
【0034】
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、領域ＡＡに局所的な電場を印加し、レーザー光１０ｌＡを照射することにより半導体量子ドット２０を励起してシュタルク効果により粒子のエネルギーを下げるようにしたため、励起された半導体量子ドット２０に電場の強い方向への力が働くことになり、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。
上記した第１の実施の形態によれば、領域ＡＡに局所的な電場を印加し、レーザー光１０ｌＡを照射することにより半導体量子ドット２０を励起してシュタルク効果により粒子のエネルギーを下げるようにしたため、励起された半導体量子ドット２０に電場の強い方向への力が働くことになり、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。
【0035】
一方、ナノスケールの中性粒子を、光励起せずに、誘電泳動により制御しようとした場合、マイクロスケールの中性粒子と比較して体積が１０－９程度であるため、より大きな値の電場の印加が必要である（電気分解してしまうため溶媒として水は用いることができない）。また、第１の実施の形態と同様に非プロトン性極性溶媒を用いたとしても、必要な電場は３８ｋＶ／ｃｍとなり、放電してしまい実用できない。
【0036】
また、照射するレーザー光１０ｌＡの波長を選択することにより半導体量子ドット２０のうち選択した粒径のみを励起するようにしたため、化学合成などで生成された複数種類の粒径の半導体量子ドットが混合するものから、特定の光学特性を持つ粒子を選択的に分離することができる。分離の結果、特性の揃った粒子を用いることで、ディスプレイや太陽電池などの光エレクトロニクス デバイスの高効率化などが可能になる。また、分離される粒子の数から、特定の特性を持つ粒子数の分析も可能であり、量子ドットの生成条件最適化などへの応用が期待できる。
【0037】
また、分離した半導体量子ドット２０以外の粒子を流れｆによって排出し、その後、レーザー光１０ｌＡの照射及び／又は電場の印加を止め、分離した半導体量子ドット２０のみを排出することで特定の粒径の半導体量子ドット２０を分留することができる。
【0038】
ここで、分離できる粒径の範囲、つまり、粒径の選別性について述べる。半導体量子ドット２０は、一般的に、同じ波長では粒径の小さな粒子の方が大きな粒子に比べて吸光係数が低い。したがって、大きな粒子のほうがより強く励起されて、ポテンシャルエネルギーはより大きく下がる。つまり、ある範囲で連続的に粒子サイズが分布している場合には、最も大きな粒子の長波長側吸収端の波長が、その最も大きな粒子だけを捕捉できる最適の波長といえる。
【0039】
例えば、ＣｄＳｅ／ＺｎＳの半導体量子ドット２０では、粒子サイズが５．５ｎｍから４．８ｎｍに小さくなると、吸収端の波長が２０ｎｍ程度短波長側にシフトするため、３ｎｍの励起波長の変化（短波長側へ）であれば、サイズの異なる粒子が捕捉される範囲は０．１ｎｍ程度と考えられる。
【0040】
なお、上記したように選択性としてはその差が最も大きな吸収端を使うのが一番効果的であるが、それ以外では機能しないというわけではなく、中間選別法として成立する。以下に、参考として、選別性について、単純に吸光係数に比例するポテンシャルの差があるとして見積もった。
【0041】
量子ドット（１）の吸光係数がａ１で、これが１０００Ｋだけポテンシャルが安定化するような実験条件を考えると、吸光係数が半分のａ２＝ａ１／２であるような量子ドット（２）では、５００Ｋのポテンシャルの安定化にとどまり、室温３００Ｋでの熱平衡状態での濃度比はｎ２／ｎ１＝ｅｘｐ（５００／３００）／ｅｘｐ（１０００／３００）＝０．１８となる。吸光係数が半分でも１８％程度、１／４なら８％、１／１０なら５％程度の混入と見積もられるので（同数粒子がいる場合）、量子ドット（２）の吸収係数が０でなくても、選別性があるといえる。
【0042】
【0043】
分離装置１Ｂは、照射範囲を領域ＡＢとして局所的に照射される半導体量子ドット２０を励起するための特定の波長のレーザー光１０ｌＢと、少なくとも領域ＡＢに一様な電場を印加する電極１１Ｂと、溶液２中の半導体量子ドット２０を流れｆ方向に流すためのキャピラリー１２とを有する。
【0044】
（分離装置の動作）
次に、第２の実施の形態の作用を説明する。
次に、第２の実施の形態の作用を説明する。
【0045】
まず、キャピラリー１２内に半導体量子ドット２０を含む溶液２を低速（数十μｍ／ｓ）で流す。ここで、一例として、半導体量子ドット２０の粒径は２．３～５．５ｎｍの範囲のものが含まれるものとし、粒径５．５ｎｍのみを分離することを目標とする。
【0046】
次に、溶液２のうち領域ＡＢを照射するようにレーザー光１０ｌＢを照射し、溶液２内の半導体量子ドット２０を光励起する。ここでは、レーザー光１０ｌＢは、例えば、波長６２５ｎｍであり、これにより粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され、粒径５．５ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。また、領域ＡＢ以外の半導体量子ドット２０は光励起されず、領域ＡＢとそれ以外で半導体量子ドット２０の励起状態の占有確率（単位粒子数あたりの励起状態の粒子の割合）の分布に差が生じる。
【0047】
電極１１Ｂにより領域ＡＢを含む全体の領域に一様な電場を印加する。領域ＡＢを通過する半導体量子ドット２０のうち、光励起された半導体量子ドット２０（粒径５．５ｎｍ）は、励起状態の占有確率の分布に応じて、粒子毎に感じるポテンシャルエネルギーが変化することで、励起状態の占有確率の高い領域ＡＢに捕捉される。
【0048】
上記の動作により、領域ＡＢに捕捉された半導体量子ドット２０以外の粒径（粒径５．５ｎｍより小さい）の半導体量子ドット２０は、流れｆによりキャピラリー１２から排出される。その後、レーザー光１０ｌＢの照射及び電極１１Ｂによる電場の印加のいずれか一方をやめることで、捕捉されていた粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０が流れｆによりキャピラリー１２から排出され、粒径を選択して分離が可能となる。
【0049】
（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によれば、一様な電場を印加し、局所的にレーザー光１０ｌＢを照射するようにしたため、励起状態の占有確率の分布に応じて、光励起された半導体量子ドット２０の粒子毎に感じるポテンシャルエネルギーが変化し、励起状態の占有確率の高い領域に向かう力が働き、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。また、第１の実施の形態と同様に、分留も可能である。
上記した第２の実施の形態によれば、一様な電場を印加し、局所的にレーザー光１０ｌＢを照射するようにしたため、励起状態の占有確率の分布に応じて、光励起された半導体量子ドット２０の粒子毎に感じるポテンシャルエネルギーが変化し、励起状態の占有確率の高い領域に向かう力が働き、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。また、第１の実施の形態と同様に、分留も可能である。
【0050】
［第３の実施の形態］
図７は、第３の実施の形態に係る分離装置の構成例を示す概略斜視図である。
図７は、第３の実施の形態に係る分離装置の構成例を示す概略斜視図である。
【0051】
分離装置１Ｃは、半導体量子ドット２０を励起するとともに、領域ＡＣに局所的な電場を印加するための領域ＡＣに局所的に照射される特定の波長のレーザー光１０ｌＣと、溶液２中の半導体量子ドット２０を流れｆ方向に流すためのキャピラリー１２とを有する。
【0052】
（分離装置の動作）
次に、第３の実施の形態の作用を説明する。
次に、第３の実施の形態の作用を説明する。
【0053】
まず、キャピラリー１２内に半導体量子ドット２０を含む溶液２を低速（数十μｍ／ｓ）で流す。ここで、一例として、半導体量子ドット２０の粒径は２．３～５．５ｎｍの範囲のものが含まれるものとし、粒径５．５ｎｍのみを分離することを目標とする。
【0054】
次に、溶液２のうち領域ＡＣを照射するようにレーザー光１０ｌＣを照射し、溶液２内の半導体量子ドット２０を光励起するとともに、領域ＡＣにレーザー光１０ｌＣによる交流電場を発生させる。ここでは、レーザー光１０ｌＣは、例えば、波長６２５ｎｍであり、これにより粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され、粒径５．５ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。また、領域ＡＣ以外の半導体量子ドット２０は光励起されず、領域ＡＣとそれ以外で半導体量子ドット２０の励起状態の占有確率の分布が生じる。
【0055】
領域ＡＣを通過する半導体量子ドット２０のうち、光励起された半導体量子ドット２０（粒径５．５ｎｍ）は、励起状態の占有確率の分布に応じて粒子が感じるポテンシャルエネルギーの変化とともに、レーザー光１０ｌＣによる交流電場による光ピンセットにより、領域ＡＣに捕捉される。
【0056】
上記の動作により、領域ＡＣに捕捉された半導体量子ドット２０以外の粒径（粒径５．５ｎｍより小さい）の半導体量子ドット２０は、流れｆによりキャピラリー１２から排出される。その後、レーザー光１０ｌＣの照射をやめることで、捕捉されていた粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０が流れｆによりキャピラリー１２から排出され、粒径を選択して分離が可能となる。
【0057】
（第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によれば、局所的にレーザー光１０ｌＣを照射するようにしたため、溶液２内の半導体量子ドット２０が光励起されるとともに、レーザー光１０ｌＣによる交流電場が発生し、励起状態の占有確率の分布に応じて、光励起された半導体量子ドット２０の粒子毎に感じるポテンシャルエネルギーが変化し、励起状態の占有確率の高い領域に向かう力が働くとともに、交流電場による光ピンセットにより、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。
上記した第３の実施の形態によれば、局所的にレーザー光１０ｌＣを照射するようにしたため、溶液２内の半導体量子ドット２０が光励起されるとともに、レーザー光１０ｌＣによる交流電場が発生し、励起状態の占有確率の分布に応じて、光励起された半導体量子ドット２０の粒子毎に感じるポテンシャルエネルギーが変化し、励起状態の占有確率の高い領域に向かう力が働くとともに、交流電場による光ピンセットにより、常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。
【0058】
［第４の実施の形態］
図８は、第４の実施の形態に係る分離装置の構成例を示す概略斜視図である。
図８は、第４の実施の形態に係る分離装置の構成例を示す概略斜視図である。
【0059】
分離装置１Ｄは、それぞれ、半導体量子ドット２０を励起するとともに、領域Ａａに局所的な電場を印加するための特定の波長λａのレーザー光１０ｌＤａと、同様に領域Ａｂに局所的に照射される特定の波長λｂのレーザー光１０ｌＤｂと、領域Ａｃに局所的に照射される特定の波長λｃのレーザー光１０ｌＤｃと、領域Ａｄに局所的に照射される特定の波長λｄのレーザー光１０ｌＤｄと、溶液２中の半導体量子ドット２０を流れｆ方向に流すためのキャピラリー１２とを有する。なお、波長はλａ＞λｂ＞λｃ＞λｄの関係にあるものとする。
【0060】
（分離装置の動作）
次に、第４の実施の形態の作用を説明する。
次に、第４の実施の形態の作用を説明する。
【0061】
まず、キャピラリー１２内に半導体量子ドット２０を含む溶液２を低速（数十μｍ／ｓ）で流す。ここで、一例として、半導体量子ドット２０の粒径は２．３～５．５ｎｍの範囲のものが含まれるものとし、粒径２．３ｎｍ、４．２ｎｍ、４．８ｎｍ、５．５ｎｍをそれぞれ分離することを目標とする。
【0062】
次に、溶液２のうち、それぞれ、領域Ａａを照射するようにレーザー光１０ｌＤａを、領域Ａｂを照射するようにレーザー光１０ｌＤｂを、領域Ａｃを照射するようにレーザー光１０ｌＤｃを、領域Ａｄを照射するようにレーザー光１０ｌＤｄを照射し、領域Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄの半導体量子ドット２０を光励起するとともに、交流電場を発生させる。ここでは、レーザー光１０ｌＤａ‐１０ｌＤｄは、例えば、波長６２５ｎｍ、６００ｎｍ、５５０ｎｍ、４７０ｎｍである。これにより領域Ａａでは粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され、粒径５．５ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。また、領域Ａａ以外の半導体量子ドット２０は光励起されず、領域Ａａとそれ以外で半導体量子ドット２０の励起状態の占有確率の分布が生じる。
【0063】
同様に、領域Ａｂでは粒径４．８ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され（粒径５．５ｎｍの半導体量子ドット２０は上流で捕捉される。）、粒径４．８ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。また、領域Ａｃでは粒径４．２ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され、粒径４．２ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。また、領域Ａｄでは粒径２．３ｎｍの半導体量子ドット２０のみが光励起され、粒径２．３ｎｍより小さい粒径の半導体量子ドット２０は励起されない。
【0064】
各領域Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄをそれぞれ通過する半導体量子ドット２０のうち、光励起された半導体量子ドット２０は、励起状態の占有確率の分布に応じて粒子が感じるポテンシャルエネルギーが変化するとともに、それぞれレーザー光１０ｌＤａ、１０ｌＤｂ、１０ｌＤｃ、１０ｌＤｄによる交流電場による光ピンセットにより、領域Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄに捕捉される。領域Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄに捕捉される半導体量子ドット２０の粒径は、それぞれ５．５ｎｍ、４．８ｎｍ、４．２ｎｍ、２．３ｎｍである。
【0065】
図９は、第４の実施の形態に係る分留動作の一例を示す概略斜視図である。
【0066】
上記の動作により、領域Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄにそれぞれ粒径の異なる半導体量子ドット２０が捕捉され、その後、図９に示すように、レーザー光１０ｌＤｄの照射をやめることで、捕捉されていた粒径２．３ｎｍの半導体量子ドット２０が流れｆによりキャピラリー１２から選択的に排出され、粒径を選択して分留が可能となる。
【0067】
また、以降同様に、レーザー光１０ｌＤｃ、１０ｌＤｂ、１０ｌＤａの照射を順にやめることで、捕捉されていた粒径４．２ｎｍ、４．８ｎｍ、５．５ｎｍの半導体量子ドット２０が流れｆによりキャピラリー１２から選択的に排出される。
【0068】
（第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様のレーザー光をそれぞれ波長と領域を変えて照射するようにしたため、それぞれの領域において常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。また、それぞれの領域において捕捉される半導体量子ドット２０の粒径が異なるため、レーザー光１０ｌＤｃ、１０ｌＤｂ、１０ｌＤａの照射を順にやめることで、捕捉されていた半導体量子ドット２０をそれぞれ流れｆによりキャピラリー１２から選択的に排出することができる。
上記した第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様のレーザー光をそれぞれ波長と領域を変えて照射するようにしたため、それぞれの領域において常温環境下でナノスケールの中性粒子を制御することができる。また、それぞれの領域において捕捉される半導体量子ドット２０の粒径が異なるため、レーザー光１０ｌＤｃ、１０ｌＤｂ、１０ｌＤａの照射を順にやめることで、捕捉されていた半導体量子ドット２０をそれぞれ流れｆによりキャピラリー１２から選択的に排出することができる。
【0069】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。例えば、第４の実施の形態では、第３の実施の形態で用いた励起状態の占有確率の分布に応じたポテンシャルと交流電場による光ピンセットを複数領域で行ったが、第２の実施の形態で用いた一様な電場印加下における励起状態の占有確率の分布に応じたポテンシャルを複数領域で行なうものであってもよい。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。例えば、第４の実施の形態では、第３の実施の形態で用いた励起状態の占有確率の分布に応じたポテンシャルと交流電場による光ピンセットを複数領域で行ったが、第２の実施の形態で用いた一様な電場印加下における励起状態の占有確率の分布に応じたポテンシャルを複数領域で行なうものであってもよい。
【0070】
また、第１～第４の実施の形態の分離装置１Ａ～１Ｄは、分離した半導体量子ドット２０に対して分析を行う分析装置として用いても良いし、分離した半導体量子ドット２０を選択的に取り出して分留をする分留装置として用いてもよい。
【0071】
また、第１～第４の実施の形態で印加した電場及び照射した光の強度は以下に説明するように適宜変更可能である。
【0072】
まず、半導体量子ドット２０の捕捉に必要な電場強度および励起光強度は互いに逆相関の関係にある。つまり、電場強度が大きければ、励起光強度が小さく励起状態の占有確率が小さくても常温に勝る大きなポテンシャルを印加できる。一方、励起光強度が高ければ、励起状態の占有確率が大きくなるため、低い電場でも大きなポテンシャルを印加できる。
【0073】
例えば、常温で捕捉を行うためには３００Ｋを越える深さの捕捉ポテンシャルを発生させる必要があるが、この捕捉ポテンシャルの大きさ「３００Ｋ」を条件の一例として、それぞれの実施の形態について必要なパラメータの範囲を示す。
【0074】
（第１の実施の形態及び第２の実施の形態の場合）
例えば、最大電場強度１０ｋＶ／ｃｍの場合、吸収端付近の波長において５ｋＷ／ｃｍ２程度の励起光強度が必要となる。最大電場強度を上げれば捕捉に必要な励起光強度を下げることができるが、現実的に印加できる電場は放電などにより２０ｋＶ／ｃｍ程度が上限となるため、常温での捕捉には、吸収端付近の場合、１ｋＷ／ｃｍ２以上の励起光強度が必要と考えられる。
例えば、最大電場強度１０ｋＶ／ｃｍの場合、吸収端付近の波長において５ｋＷ／ｃｍ２程度の励起光強度が必要となる。最大電場強度を上げれば捕捉に必要な励起光強度を下げることができるが、現実的に印加できる電場は放電などにより２０ｋＶ／ｃｍ程度が上限となるため、常温での捕捉には、吸収端付近の場合、１ｋＷ／ｃｍ２以上の励起光強度が必要と考えられる。
【0075】
励起光強度を上げれば必要な最大電場強度を下げることもできるが、励起状態の占有確率は１が上限であるため、最低でも４ｋＶ／ｃｍ程度の電場を印加する必要がある。励起光強度の上限としては、現実的には溶媒の加熱の影響が出てくる１ＭＷ／ｃｍ２程度が考えられるが、この強度では既に占有確率はほぼ１となっているため、実際にはより低い励起強度で足りると考えられる。なお、励起波長が吸収端よりも短い場合には、吸光度の上昇に反比例して光強度を上記の値よりも下げることができる。
【0076】
以上から、最大電場強度は、４ｋＶ／ｃｍ以上、（放電を防ぐため）２０ｋＶ／ｃｍまで、励起光強度は、吸収端波長では（放電を防ぐため）１ｋＷ／ｃｍ２以上、（溶媒の加熱を防ぐため）１ＭＷ／ｃｍ２まで、が現実的な実用範囲と考えられ、この範囲で適宜変更可能である。
【0077】
（第３の実施の形態の場合）
レーザー光だけで捕捉する場合、レーザー光は励起だけでなく、自身の振動電場によって捕捉ポテンシャルを発生させる必要があるため、第１の実施の形態及び第２の実施の形態に比べてより大きな電場強度（光強度）が必要となる。
レーザー光だけで捕捉する場合、レーザー光は励起だけでなく、自身の振動電場によって捕捉ポテンシャルを発生させる必要があるため、第１の実施の形態及び第２の実施の形態に比べてより大きな電場強度（光強度）が必要となる。
【0078】
必要な光強度の最低値として、４ｋＶ／ｃｍの電場強度に相当する２０ｋＷ／ｃｍ２において、すでに励起状態の占有確率がほぼ１と見積もられるため、２０ｋＷ／ｃｍ２がビーム焦点中央で必要な最低光強度と考えられる。電場強度が高くなるほど捕捉ポテンシャルは深くなるが、上記したように１ＭＷ／ｃｍ２程度で溶媒の加熱の影響が出ると考えられるため、現実的な応用範囲は２０ｋＷ／ｃｍ２～１ＭＷ／ｃｍ２程度と見積もられ、この範囲で適宜変更可能である。
【0079】
また、上記実施の形態で説明した上記ステップの入れ替え、削除、追加等は本発明の要旨を変更しない範囲内で可能である。
【符号の説明】
【0080】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ：分離装置
２ ：溶液
１０ｌ ：レーザー光
１１Ａ ：電極
１１Ｂ ：電極
１２ ：キャピラリー
２０ ：半導体量子ドット
２００ ：コア
２０１ ：シェル
２０２ ：有機分子キャップ剤
２ ：溶液
１０ｌ ：レーザー光
１１Ａ ：電極
１１Ｂ ：電極
１２ ：キャピラリー
２０ ：半導体量子ドット
２００ ：コア
２０１ ：シェル
２０２ ：有機分子キャップ剤
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】