赤外線量子ドットで次世代イメージング技術を構築する

量子ドット（QD）技術は照明およびディスプレイ産業を変革しています。ナノテクノロジーと材料科学で人気の話題であるこれらの半導体ナノ結晶は、数ナノメートルサイズほどの非常に小さな半導体粒子です。 

それらの電子的および光学的特性は、バルクの離散原子と半導体の間に位置します。これらの特性は、QDのサイズと形状の両方に依存します。例えば、5〜6 nm の大きな量子ドットは、2〜3 nm の小さなQDが放つ短波長に比べて、より長い波長を放出します。また、前者のQDはオレンジまたは赤色を、後者は青と緑色を発します。ただし、これらの色の特異性は量子ドットの組成に依存します。 

QDは、電子や電子ホールが強く閉じ込められたナノスケールの半導体材料で、まるで箱の中の3次元粒子モデルのようです。 人工分子を作ることもできます。同時に、正確に組み立てることで、人工的な固体材料として機能するスーパー格子を形成でき、その独自の光学的および電子的特性を制御することができます. 

昨年、Moungi G. Bawendi、Alexei I. Ekimov、Louis E. Brus は、量子ドットの発見と開発に対して化学賞ノーベル賞を受賞しました。しかし、QDは技術ほど若くはありません。1980年に最初に発見され、LCDのリモートフォスファーとして使用されてから何年も経っています。

量子ドットの潜在的な応用はディスプレイに限られません。さらに、LED、レーザー、太陽電池、単一光子源、単一電子トランジスタ、顕微鏡、バイオイメージング、細胞生物学研究、化学反応触媒にも拡張されます。 

さまざまな産業でエネルギー効率の高い照明ソリューションと高品質ディスプレイデバイスへの需要が高まる中、QD市場は今後数年で年平均成長率17.40％の顕著な成長が見込まれています。 QDの世界市場規模はこの10年の終わりまでに123億4,000万ドルに達すると予測されています。 

広範な応用と予想される市場規模の拡大を考えると、量子ドットは多くの研究と実験の対象となっています。しかし、これは主に可視光スペクトルに限られています。つまり、紫外線および 赤外線領域に関する技術はまだ多くが未解明です。

赤外線技術は多くの利用ケースがあり、コスト効果が高く、開発が容易で、使いやすい、チューニング可能かつ赤外線活性の光電子材料への需要が高まっています。 これが赤外線量子ドットの開発につながりました。量子閉じ込め効果により、赤外線量子ドットのバンドギャップは、必要に応じてサイズの制約だけで調整可能です。

太陽燃料や光起電力などの赤外線吸収体、そして生体イメージングや発光ダイオードなどの赤外線光放出体としての赤外線量子ドットの開発は、QDを新興アプリケーションに実装することを促進しています。

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高品質ナノ結晶の開発

現在、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のバイオエンジニアリング教授であるAndrew Smithとポスドク研究者のWonseok Leeは、新しい高品質ナノ結晶製品を開発しました。

掲載はNature Synthesisに掲載され、米国国立衛生研究所と国立科学財団から資金提供を受けました。この研究は、赤外線QDが可視光スペクトルのものと同等の高い基準を満たす初めての事例です。

ナノ結晶技術が誕生してからほぼ半世紀が経過しましたが、我々が目にした進歩は可視スペクトルで動作するナノ結晶に限られています。 これは、ディスプレイデバイスの「大きな部分」を占めていることを考えると納得できます。

Smithが共有したように、あらゆる技術の最大の要素は光の放出または吸収です。したがって、現在最大の市場を持つ技術の開発に焦点が当てられています。 

しかし、それだけではありません。可視スペクトルのナノ結晶がはるかに高い需要を持つだけでなく、赤外線で使用される材料の化学はより難しいです。これは、可視光よりもエネルギーが低く波長が長いことを含みます。 

現在、赤外線での光放出と吸収を実現するには、化学的に扱いが難しい重元素が必要です。これは、反応が予測しにくく、望ましくない副反応が増えることを意味します。 

これだけでも終わりではありません。これらの重元素はさらに劣化しやすく、環境の変化、例えば水にも影響を受けやすいです。

量子ドットナノ結晶に関しては、シリコンのような元素半導体から作ることもでき、また二元（バイナリ）や三元（テーナリ）元素から作ることもできます。二つの元素を混合することで、さまざまな特性が得られ、三つを組み合わせることでさらに多くの特性が実現できます。

イリノイ大学システムの旗艦機関で、研究者たちは単一の元素に焦点を当て、これが「完璧な」材料になると考えました。ここでの材料は水銀カドミウムセレン化物です。Smithによれば：

「カドミウムと水銀原子の比率を変えることで、ほぼ任意の特性を得ることができます。これにより、電磁スペクトルの広大な範囲—赤外線全域から可視光全域まで—をカバーし、非常に多くの特性を得られます。」

既に開発されたQDの活用

高品質な赤外線量子ドットの開発は実際に何年もの取り組みでした。長い間、研究コミュニティはこれを達成しようと試みており、Smith自身も大学院時代から関わってきましたが、これまでの努力は成功しませんでした。

最終的に、イリノイ大学の研究者は新しい材料を作ることに成功しました。これは、すでに完成されたものを利用することで実現しました。つまり、最も開発が進んだ量子ドットと見なされるものを、Smithが「犠牲モールド」と呼ぶものとして活用したのです。

カドミウムセレン化物（CdSe）は、II-VI型n型半導体に分類される無機化合物です。赤外線（IR）光に対して透明で高い発光性を持ちますが、フォトレジスタでの使用は限定的です。

研究によれば、CdSeベースのコロイド半導体ナノ結晶は、可視光スペクトルでの光子応用向けに正確に最適化されています。最新の製品は実際に構造の均一性とほぼ100％の量子収率を示しています。 

研究チームはカドミウムセレン化物のカドミウム（Cd）原子を水銀（Hg）原子に置き換えました。これにより、すぐにすべてが赤外線スペクトルへと変わり、強い光放出と強い光吸収を含む望ましい特性が保持されました。

これを実現するために、研究者は従来のナノ結晶合成方法を捨てる必要がありました。従来の方法は、まず前駆体元素を混合し、適切な条件下で望ましいナノ結晶構造に分解させるというものです。 

しかし、セレナイド、金属水銀、カドミウムに対して有効な条件は見つかっていませんでした。そこで、ポスドク研究者のLeeは「拡散強化カチオン交換」と呼ばれる新しい手法を開発しました。

このプロセスでは、チームは第4の元素として銀を加え、材料に欠陥をもたらしました。Smithは、これにより「すべてが均一に混合され、問題が全て解決された」と述べました。

最終的に、チームは赤外線スペクトルで放射・吸収する水銀セレン化物（HgSe）と水銀カドミウムセレン化物（HgCdSe）ナノ結晶を開発しました。すでに十分に開発された可視スペクトルのCdSe前駆体から作られたこれらの新材料は、形状、サイズ、カドミウムセレン化物ナノ結晶の均一性といった望ましい属性を保持しつつ、吸収特性が向上しています。

これらの均一なナノ結晶、HgSeおよびHgxCd1−xSe合金は、赤外線スペクトルで調整可能なバンドギャップも持ちます。研究によれば、「ヘテロエピタキシャルCdZnSシェルでパッシベーションした後、サイズを変えずに組成で短波長赤外線の光ルミネッセンス波長を調整でき、量子収率は80〜91％、線幅は約100 meVです。」

赤外線量子ドットの潜在的な応用

小さな量子ドットの独特なサイズと調整可能な電子特性が組み合わさり、QDは新技術や多様な応用に非常に魅力的です。

明るく純粋な虹色を放射できる能力、高い消光係数と高効率により、量子ドットは光学応用、特にLED照明、ディスプレイ、光起電力において重要です。先進的なディスプレイ画面の開発に使用されると、技術は色精度と輝度を向上させます。

セキュリティと監視は、夜間視認能力を向上させ、暗闇や視界が遮られた環境で個人や物体を識別するのに役立つ別の分野です。自動車産業では、ドライバー支援システムを強化し、夜間走行の安全性を向上させます。また、環境中の汚染物質や水源の汚染物質を検出することもできます。

量子ドットは小さいため、より高次元構造に比べて状態密度が鋭く、電子が長距離を移動する必要がなく、電子デバイスはより高速に動作します。これらの独自の電子特性は、太陽電池、トランジスタ、量子コンピューティング、超高速全光スイッチや論理ゲートに特に有用です。

QDの小ささは、バイオセンサーや医療イメージングなどさまざまなバイオ医療応用にも適しています。蛍光ベースのバイオセンサーとは異なり、量子ドットベースのものは、より明るい光の全スペクトルを放射し、時間経過による劣化がほとんどありません。このため、バイオ医療応用に非常に有益です。

研究によれば、新しい材料である水銀セレン化物（HgSe）と水銀カドミウムセレン化物（HgCdSe）ナノ結晶は、次世代イメージング技術につながる可能性があります。

赤外線量子ドットは、次世代イメージング技術の開発を可能にすることで、複数の産業を革命的に変えることができます。例えば、医療イメージングでは、赤外線量子ドットを用いて腫瘍やがん細胞を早期に検出し、組織や臓器の非侵襲的イメージングでより鮮明かつ詳細な画像を提供し、手術中の精度と結果を向上させることができます。

医療分野では、赤外線量子ドットは細胞追跡、可視化、細胞内分子の挙動研究にも使用できます。研究が指摘するように、赤外線量子ドットの最も重要な用途は分子プローブになることです。

ほとんどの量子ドットは可視光スペクトルで放射し、表面検出のみが可能です。 しかし、赤外線光はより深い組織の探査を可能にします。このように、赤外線で放射する量子ドットは、研究者が例えば生きたげっ歯類（多くの疾患の標準モデル）をほぼ完全に透過して観察し、特定の分子の全身分布を特定できるようにします。

これらすべての利用は、生物学的プロセスや人体、疾患メカニズムの理解を深め、結果としてより優れた、個別化されたソリューションとケアにつながります。 

さらに、量子ドットを用いた赤外線イメージングは、材料や部品の分析、製造における製品品質の確保、望遠鏡の解像度向上、宇宙船のナビゲーションや操作支援にも利用できます。

イメージング技術と赤外線量子ドットに取り組む主要企業

では、イメージング技術の進歩と量子ドットに取り組んでいる最前線の企業を見てみましょう：

#1. QD Vision

この会社は、特にディスプレイとイメージングアプリケーションにおける量子ドット技術で知られています。Moungi Bawendiが10年前に共同設立し、同社はColor IQを通じてQDの商業化に取り組んできました。 

2016年、サムスン電子はQD Visionの知的財産を7000万ドルで取得し、数百件の特許が含まれていました。この戦略的な動きにより、同社のディスプレイ、テレビ、さらには他の事業に対する長期的ビジョンを支援することが目的でした。当時、サムスンはQD VisionのIPが韓国拠点のR&D活動の一部となり、先進的なQDテレビの実装を開発することになると述べました。

2024年第一四半期に、サムスンは2023年第一四半期と比較して営業利益が933％増加したと報告しました。AIブームによる半導体価格上昇により、2024年第二四半期には営業利益が15倍になると予想しています。それにもかかわらず、サムスン株（SMSN）は1,581ドルで取引され、年初来で5.54％上昇しています。同社は配当利回り1.69％を支払っています。

#2. Nanoco Group

ロンドン証券取引所でNANOティッカーとして上場しているNanocoは、量子ドットやその他のナノ材料の開発・製造を専門としています。株価は0.1949ドルで、年初来12.38％下落しており、EPS（TTM）は0.06、P/E（TTM）は3.32です。
https://www.youtube.com/watch?v=BstDUoIKfyA

同社は最近、普通株式330,133株を買い戻し、これらはキャンセルされて発行済普通株式は205,038,038株となります。この措置は株主価値の向上を目的としています。2024年第二四半期の決算電話会議で、CEOのBrian TennerはNanocoが2件の商業生産注文を受注したことについて語りました。低ボリュームの注文ですが、Nanocoは実際に生産企業へと移行し、\”需要とボリュームは時間とともに増加すると予想される\”と述べました。同社はまた、赤外線センシングに使用される第2世代ナノ材料2種に関する2つの共同開発契約をグローバル顧客と締結しました。 

Nanocoの中核技術はCFQD®量子ドットで、蛍光半導体ナノ粒子とHEATWAVETM量子ドットから構成され、センサー産業向けに特別に設計されています。前者はOLEDカラー変換、μLEDカラー変換、光学的セキュリティタグ付けに応用され、後者は生体認証顔認識、光学診断、夜間視認、測距、LiDARアプリケーションに使用されます。

最終的な考察

ご覧のとおり、量子ドット技術は産業全体で大きな進歩を約束します。研究者は現在、特に生体イメージングでの独自の応用を持つ赤外線量子ドットなど、QDのさらなる探求を進めています。QDの需要が拡大し市場規模が増大するにつれ、量子ドット分野でさらに多くの進展が見られるでしょう。量子ドットは医療、エネルギー、センサー、消費者エレクトロニクスを革命的に変える可能性を持っています。