51探花

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所/電気通信研究所/工学研究科/51探花 Quantum Alliance　准教授　大塚朋廣

【発表のポイント】

• 従来、困难だったコロイド量子ドット１个の电気伝导の评価と制御に成功
• １个の半导体コロイド量子ドットを用いた単一电子トランジスタで室温动作を実现
• コロイド量子ドットの光电デバイスや量子情报デバイスへの応用に大きく前进

【概要】

量子ドットは、人工原子とも呼ばれる半导体の极微小な粒子で、本年、量子ドットの発见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赏が授与されました。この半导体コロイド量子ドット^＊１は、太阳电池などの光电デバイス^＊２の活性层として近年注目されており、これまでにその光学的な性质は比较的よく调べられてきました。一方で、コロイド量子ドットの电気的性质の研究は少なく、特に単一の量子ドットの电気伝导に関する评価はほとんど行われていないため、解明すべき问题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、従来困难だったコロイド量子ドット１个の电気伝导の详细な评価を行うとともに、SETの室温动作も実现しました。本研究成果は、半导体コロイド量子ドットの光电デバイスへの応用に寄与するだけでなく、新たな量子情报デバイス^＊４への応用にも道を拓くものです。

本研究成果は、日本学术振兴会科学研究费助成事业、公益财団法人JKA研究补助事业などの支援を受けて実现しました。成果论文は英国科学誌「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日付で掲载されました。

図１　１个のコロイド量子ドットを用いた単一电子トランジスタ（厂贰罢）の试料构造
（ａ）间隔がナノメートルサイズの金属电极（ナノギャップ金属电极）と电极间に分散した笔产厂コロイド量子ドットの电子顕微镜写真。コロイド量子ドットは直径5ナノメートル程度。左下の线の长さが40ナノメートルを表す。（ｂ）笔产厂コロイド量子ドット１个を用いた厂贰罢の试料构造と测定回路を示す模式図。ソース?ドレイン电极间に电圧をかけ、量子ドットを介した电流を测定する。ゲート电极に电圧をかけることで量子ドットを流れる电流を制御できるトランジスタ构造となっている。

【用语解説】

＊１）半导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、半导体结晶で构成されている。电子は、このような微小な空间に闭じ込められることにより、量子力学で记述される飞び飞びの电子状态を持つ。原子との类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见したアメリカの研究者3名がノーベル化学赏を受赏した。本研究で用いた半导体コロイド量子ドットは、有机配位子で周囲を囲まれているため、比较的安定で有机溶媒に溶け、溶液処理が可能である。笔产厂コロイド量子ドットは、サイズが小さく、高品质なことから、その光电デバイスへの応用が活発に研究されている。

＊２）光电デバイス
光を放出するか、光を検出することができる电子デバイスの一种。光と电荷の相互作用を利用して、光を电気信号に変换したり、その逆を行ったりする。代表的な例は、前者が太阳电池、后者がディスプレイである。

＊３）単一电子トランジスタ
１个１个の电子をゲート电圧で制御して流すことができる究极の省エネルギー素子。作製には、２つの电极の间に数百～数ナノメートル程度の"岛构造"を準备する必要があるなど、非常に高度な作製技术が要求される。"岛构造"のサイズが小さいほど量子力学的な効果が顕着に観测され、高温动作も可能になる。本研究では、直径が5ナノメートル程度の微小な笔产厂半导体コロイド量子ドット（笔产（铅）と厂（硫黄）を用いた量子ドット）を単一电子トランジスタの"岛构造"として用いている。

＊４）量子情报デバイス
単一の光子や电子、スピンなどに情报机能を持たせることで情报処理を行う电子デバイス。次世代の情报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?検出器や単一电子トランジスタ、単一光子?スピン変换デバイスなどが该当する。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）/
电気通信研究所/大学院工学研究科/
51探花 Quantum Alliance
准教授 大塚 朋廣
TEL:022-217-5509
E-mail: tomohiro.otsuka*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）
広报戦略室
TEL: 022-217-6146
E-mail: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）