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次世代イメージング技術の開発に寄与する赤外線量子ドット
量子ドット（QD）技術は、照明およびディスプレイ業界を変革しています。ナノテクノロジーおよび材料科学における人気の話題である、これらの半導体ナノクリスタルは、数ナノメートルのサイズで非常に小さな半導体粒子です。
その電子および光学的特性は、バルク離散原子と半導体の間にある。実際、これらの特性は、QDのサイズと形状の両方に依存しています。例えば、大きな量子ドット（5〜6 nmのサイズ）は、小さなQD（2〜3 nmのサイズ）よりも長波長を発生させます。また、前者のQDはオレンジまたは赤色を発生させ、後者は青と緑を発生させます。しかし、これらの色の特異性は、量子ドットの組成に依存しています。
QDは、ナノスケールの半導体材料で、電子または電子穴が強く閉じ込められています。2つ以上のQDを結合することで、人工分子を作成することができます。さらに、QDを正確に組み立てることで、超格子を形成し、人工固体材料を作成することができます。その一意の光学および電子特性を制御することができます。
去年、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ノーベル化学賞を受賞しました。しかし、QDは新しい技術ではありません。1980年に初めて発見され、QDはすでにLCDに遠隔フォスフォルとして使用されています。
量子ドットの潜在的な応用は、ディスプレイに限定されていません。さらに、LED、レーザー、太陽電池、単一フォトン源、単一電子トランジスター、マイクロスコピー、バイオイメージング、細胞生物学研究、化学反応触媒などに応用範囲を拡大します。
エネルギー効率の高い照明ソリューションと高品質のディスプレイデバイスに対する需要の増加によって、QD市場は、将来数年間で17.40%のCAGRで着実な成長を見込まれています。世界のQD市場規模は、2020年代末までに123.4億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成長により、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、これまでのところ、主に可視スペクトルに焦点が当てられてきました。つまり、紫外線と赤外線領域についてはまだ多くのことが発見される可能性があります。
赤外線技術には多くの用途があり、コスト効率の高い、開発が容易で、使用が容易な、可調整で赤外線活性の光電子材料の需要が高まっています。これにより、赤外線量子ドットの開発が進んでいます。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を必要に応じて簡単に調整することができます。
赤外線量子ドットを赤外線吸収材として、太陽燃料や光電池、赤外線光源として、バイオイメージングや発光ダイオードに使用することで、QDの新しい応用分野への実装が促進されています。
高品質ナノクリスタルの開発
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アンドリュー・スミスと、ポスドク研究員ウォンソク・リーは、新しい高品質ナノクリスタル製品を開発しました。
Nature Synthesisに掲載され、国立衛生研究所と国立科学財団の資金提供を受けたこの研究は、赤外線QDが可視光スペクトルと同等の高水準を達成した最初の例となりました。
ナノクリスタル技術が存在してからほぼ半世紀が経過しましたが、可視スペクトルでのみ進歩が見られました。これは、ナノクリスタルが「ディスプレイデバイスの大部分」を占めるため、当然のことです。
スミスによると、どの技術でも最も重要な部分は光の発生または吸収です。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きました。
しかし、これだけではありません。可視スペクトルナノクリスタルがより高く需要されているだけでなく、赤外線で使用される材料の化学も難しいです。これには、可視スペクトル光よりも低いエネルギーと長い波長が必要です。
赤外線での光の発生と吸収を実現するには、より重い元素が必要です。その化学は予測が難しく、望ましくない副反応が発生しやすくなります。
これはまだ終わりではありません。これらのより重い元素はさらに劣化しやすく、環境の変化、たとえば水にも敏感です。
量子ドットナノクリスタルについては、元素半導体（例：シリコン）から作ることができます。2つの元素（二元）または3つの元素（三元）から作ることもできます。2つの元素を組み合わせることで、さまざまな特性を実現することができます。3つの元素を組み合わせることで、さらに多くの特性を実現することができます。
イリノイ大学の研究者は、1つの元素種のみに焦点を当て、完璧な材料を作ることを目指しました。この材料は水銀カドミウムセレン化物です。スミスによると、「カドミウムと水銀の原子の比率を変更することで、どの特性でも得ることができます。電磁スペクトル全体にわたって、可視スペクトル全体にわたって、多くの特性を得ることができます。」
既存のQDの活用
高品質の赤外線量子ドットの開発は、数年前に始まりました。研究者はこれを達成するために、すでに完成されたものを利用しました。すなわち、最も完成された量子ドットを「犠牲的な型」として利用しました。
カドミウムセレン化物（CdSe）は、II-VI半導体のn型に分類される無機化合物です。赤外線に対して透明で、高い発光性を持ちますが、光電池に限られた用途しかありません。
研究によると、CdSeベースのコロイド半導体ナノクリスタルは、可視スペクトルでの光子応用に正確に最適化されています。現代の製品は、ほぼ100%の量子収量で構造的一貫性を示しています。
チームはカドミウムセレン化物を取り、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、赤外線スペクトルへの変換が可能になり、強い光の発生と吸収が維持されました。
これを達成するために、研究者はナノクリスタルの従来の合成方法を放棄する必要がありました。従来の方法では、最初に前駆体元素を混合し、適切な条件下で分解して望ましいナノクリスタル構造を形成します。
しかし、セレン、水銀、カドミウムの組み合わせでは、機能する条件は見つかっていません。したがって、ポスドク研究員リーは、カチオン交換を促進する拡散という新しい方法を開発しました。
このプロセスでは、チームは材料に銀を4つ目の元素として追加しました。これにより、材料に欠陥が生じます。スミスによると、「すべてが均一に混合され、問題は解決されました。」
最終的に、チームは水銀セレン化物（HgSe）と水銀カドミウムセレン化物（HgCdSe）ナノクリスタルを開発しました。これらは赤外線スペクトルで発光と吸収を示します。可視スペクトルCdSe前駆体から開発されたこれらの新しい材料は、カドミウムセレン化物ナノクリスタルの形状、サイズ、均一性などの望ましい特性を維持しながら、吸収を強化しました。
これらの均一なナノクリスタル、HgSeおよびHgxCd1−xSe合金は、赤外線スペクトルで可調整バンドギャップを持ちます。研究によると、「ヘテロエピタキシャルCdZnSシェルで被覆した後、組成による短波長赤外線での光ルミネッセンス波長は、サイズを変更せずに調整可能で、80〜91%の量子収量と100 meV程度の線幅を持つ。」
赤外線量子ドットの潜在的な応用
小さな量子ドットのユニークなサイズと、可調整な電子特性により、QDは新しい技術とさまざまな応用分野に魅力的なものとなっています。
明るく純粋な色の虹を発生させる能力、そして高い消滅係数と効率により、量子ドットは、LED照明、ディスプレイ、太陽電池などの光学応用に特に重要です。先進的なディスプレイスクリーンの開発では、色の精度と明るさが向上します。
セキュリティと監視は、量子ドットが夜間の視力の向上と暗いまたは遮蔽された環境での個人または物体の識別を支援できるため、重要な分野です。自動車業界では、運転支援システムの向上と夜間運転の安全性の向上に役立ちます。環境汚染物質や水源の汚染物質を検出することもできます。
量子ドットの小さなサイズは、電子が遠くまで移動する必要がないことを意味し、より高速に動作する電子機器を可能にします。これらのユニークな電子特性は、太陽電池、トランジスター、量子コンピューティング、超高速全光スイッチとロジックゲートに特に有用です。
QDの小さなサイズは、バイオセンサーや医療イメージングなどのさまざまなバイオメディカル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バイオセンサーは、時間の経過とともに劣化が少ないながらも、より明るい光のスペクトルを発生させることができます。これにより、バイオメディカル応用で非常に有益なものとなります。
研究によると、新しい材料、水銀セレン化物（HgSe）と水銀カドミウムセレン化物（HgCdSe）ナノクリスタルは、次世代の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、医療イメージングで腫瘍やがん細胞を早期に検出するために、組織や臓器の非侵襲的なイメージングでより明確で詳細な画像を提供するために、手術で精度と結果を向上させるために使用できます。
ヘルスケア分野では、赤外線量子ドットは細胞追跡、視覚化、細胞内の分子の挙動の研究に使用できます。研究によると、赤外線量子ドットの最も重要な用途は、分子プローブとしての用途です。
大多数の量子ドットは可視スペクトルで発光します。表面検出のみが可能です。ただし、赤外線光は、より深い組織を調査することを可能にします。したがって、赤外線で発光する量子ドットを使用することで、研究者はほぼ完全に、たとえば生きたロドントを通して見ることができ、体内での特定の分子の位置を、ねずみを犠牲にすることなく識別できます。
これらすべての用途は、生物学的プロセス、人体、疾患メカニズムの理解を向上させ、より良い、より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、量子ドットを使用した赤外線イメージングは、材料と部品の分析、製造での製品品質の確保、望遠鏡の解像度の向上、宇宙船のナビゲーションと運用の支援に使用できます。
イメージング技術と赤外線量子ドットの開発を牽引する主要企業
ここで、イメージング技術と量子ドットの開発を牽引する企業を紹介します。
#1.QD Vision
この企業は、特にディスプレイとイメージングの応用分野での量子ドット技術で知られています。Moungi Bawendiによって10年前に共同設立されたこの企業は、Color IQを通じてQDの商業化に取り組んでいます。
2016年、サムスン電子はQD VisionのIPを7000万ドルで取得しました。これには数百の特許が含まれていました。この戦略的な動きは、ディスプレイ、テレビ、そしておそらく他のビジネスでの長期的なビジョンをサポートすることを目的としていました。当時、サムスンは、QD VisionのIPが、QD TVの先進的な実装の開発を目的としたKorea-based企業の研究開発努力の一部となることを述べました。サムスンのQLEDディスプレイは、並外れた色の性能と例のない画像の品質を約束し、「将来のための新しい可能性の流れを開く」ことを約束しています。
2024年第1四半期には、サムスンは前年同期比で933%の営業利益増加を報告しました。技術の大手企業は、AIブームによる半導体価格の高騰により、2024年第2四半期に営業利益が15倍増加することを予想しています。にもかかわらず、サムスンの株式（SMSN）は、年初来に比べて5.54%の上昇のみで、1株1,581円で取引されています。同社の配当利回りは1.69%です。
#2. Nanoco Group
ロンドン証券取引所にNANOのティッカーシンボルで上場しているNanocoは、量子ドットとその他のナノ材料の開発と製造に特化しています。株式は0.1949ドルで取引されており、年初来は12.38%下落しています。時価総額（TTM）は0.06、P/E（TTM）は3.32です。
同社は最近、自社の普通株330,133株を買い戻し、株主の価値を高めるためにこれらの株式を取り消すことを決定しました。2024年第2四半期の業績発表会では、CEOのブライアン・テナーは、同社が2つの商業生産注文を受注し、完了させたと述べました。これは低容量の注文ですが、Nanocoが実際に生産会社への移行を始めたことを示し、「需要と容量は時間の経過とともに増加することが予想されます。」と述べました。同社はまた、2つのグローバル顧客と、赤外線センシング用の2種類の2世代ナノ材料の共同開発契約を締結しました。
Nanocoの主な技術には、CFQD®量子ドットとHEATWAVETM量子ドットがあります。前者は、OLED色変換、μLED色変換、光学的セキュリティタグ付けに応用され、後者は、バイオメトリック顔認識、光診断、夜間視認、距離測定、LiDARアプリケーションに特に設計されています。
最終的な考え
量子ドット技術は、業界全体に大きな進歩をもたらす約束をしています。研究者は現在、赤外線量子ドットなどのQDをさらに探究しています。これらは、特に生物イメージングで、ユニークな応用を持っています。QDの需要が続いて市場規模が拡大するにつれて、量子ドットの分野ではさらに多くの進歩が見られるでしょう。これらは、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があります。
