Quantum Dots

코어형 Quantum Dots
코어쉘 Quantum Dots
합금형 Quantum Dots
Quantum Dots 응용분야

Quantum Dots는 직경이 2-10 나노미터(10-50개 원자)인 반도체 물질의 작은 입자 또는 나노 결정체입니다. 1980년에 처음 발견되었습니다. ¹ Quantum Dots는 벌크 반도체와 이산 분자 사이의 중간인 고유한 전자 특성을 나타내는데, 이는 부분적으로 입자의 표면 대 볼륨 비율이 특별히 높기 때문입니다.^2-4 이로 인해 가장 명백하게 나타나는 결과는 형광인데, 나노 결정체에서 입자의 크기에 의해 결정되는 독특한 색이 생성됩니다.

이러한 입자의 전자는 크기가 작아 좁은 공간(quantum box)에 갇혀 있으며, 반도체 나노 결정의 반지름이 엑손 보어 반지름보다 작을 때(엑손 보어 반경은 전도 대역의 전자와 밸런스 대역에 남겨진 구멍 사이의 평균 거리), 파울리의 배제 원리에 따라 에너지 수준의 양자화가 이루어집니다(그림 1)^5,6. 이러한 양자 입자가 이산적이고 양자화된 에너지 수준은 이를 벌크 물질보다 원자와 더 밀접하게 연관되어 있으며, 그 결과 '인공 원자'라는 별명을 갖게 되었습니다. 일반적으로 결정의 크기가 감소하면 가장 높은 발란스 대역과 가장 낮은 전도 대역 사이의 에너지 차이는 증가합니다. 그 후 점을 자극하기 위해 더 많은 에너지가 필요하며, 이와 동시에 결정체가 기저 상태로 돌아올 때 더 많은 에너지가 방출됨으로써 결과적으로 방출되는 빛이 빨간색에서 파란색으로 바뀌게 됩니다. 이 현상의 결과로 이러한 나노물질은 점의 크기를 바꾸는 것만으로 동일한 물질에서 모든 색상의 빛을 방출할 수 있습니다. 또한 만들어진 나노 결정의 크기를 높은 수준으로 제어할 수 있기 때문에, 이러한 반도체 구조는 제조 중 모든 색상을 방출하도록 조정할 수 있습니다.⁷

Quantum dots는 구성 요소와 구조에 따라 다양한 유형으로 분류될 수 있습니다.

그림 1. 양자 구속 효과로 인해 Quantum dots의 에너지 레벨이 나뉘면 나노 결정의 크기가 줄어들수록 반도체 밴드 갭이 증가합니다.

코어형 Quantum Dots

이러한 나노점은 카드뮴, 납 또는 아연, CdTe(제품 번호 777951) 또는 황화납(PbS)(제품 번호 747017)과 같이 금속 내부 구성이 균일한 단일 성분 재료일 수 있습니다. 코어형 나노결정의 광학적 특성과 전자 발광 특성은 결정체 크기만 변경해도 미세 조정할 수 있습니다.

코어쉘형 양자점

양자점의 발광 특성은 발광 경로를 통한 전자 정공 쌍(엑시톤 감쇠)의 재조합으로 발생합니다. 그러나 엑시톤 감쇠는 비발광 방법으로도 발생할 수 있어 형광 양자 수율을 감소시킵니다. 반도체 나노결정의 효율성과 밝기를 높이기 위해 사용되는 방법 중 하나는 주변에 있는 또 다른 높은 밴드 갭의 반도체 쉘을 성장시키는 것입니다. 한 물질의 작은 영역을 가진 입자들이 더 넓은 밴드 갭으로 다른 물질에 내장된 입자를 코어쉘 양자점(CSQD) 또는 코어쉘 반도체 나노결정(CSSNCs)이라고 합니다. 예를 들어 Sigma-Aldrich 재료 공학에서 이용할 수 있는 중심부에 CdSe와 쉘에 ZnS가 있는 양자점(제품 번호 748056, 790192)은 50 % 이상의 양자 수율을 보여줍니다. 쉘로 양자점을 코팅하면 비발광성 재조합 부위를 패시브화하여 양자 수율을 개선하고 다양한 응용분야에 대한 조건을 처리하도록 더욱 견고해집니다. 이 방법은 양자점의 광물리적 특성을 조정하는 방법으로 널리 연구되었습니다.^8-10

합금형 양자점

결정체 크기를 변경하여 광학 및 전자 특성을 조정하는 능력은 양자점의 특징입니다. 그러나 결정체 크기를 변경하여 속성을 조정하면 크기 제한이 있는 많은 응용분야에서 문제가 발생할 수 있습니다. Multicomponent dots는 결정체 크기를 변경하지 않고도 특성을 조정하는 대체 방법을 제공합니다. 균일하면서 기울기가 있는 내부 구조를 모두 갖춘 합금 반도체 나노점은 결정체 크기는 변경하지 않고 구성과 내부 구조만 변경함으로써 광학적, 전자적 특성을 조정할 수 있습니다. 예를 들어 6 nm 직경의 CdS_xSe_1-x/ZnS 구성인 합금형 quantum dots는 그 구성만 변경해도 다른 파장의 빛을 방출합니다(제품 번호 753742, 753793) (그림 2). 서로 다른 밴드 갭 에너지를 가진 두 개의 반도체를 합금하여 형성된 합금형 반도체 quantum dots는 벌크 대응체의 성질뿐만 아니라 모체 반도체의 성질과도 구별되는 흥미로운 특성을 보였습니다. 따라서 합금 나노 결정체는 양자 구속 효과로 인해 나타나는 특성 외에도 추가적인 새로운 구성을 조정할 수 있는 특성을 가지고 있습니다.¹¹

그림 2. 직경 6 nm의 합금 CdSxSe1-x/ZnS quantum dots의 발광입니다. 이 물질은 조성을 조정하여 다른 색의 빛을 방출합니다.

Quantum dots응용분야

매우 작은 반도체 quantum dots의 독특한 크기와 조성을 조정할 수 있는 전자 특성은 다양한 응용분야 및 신기술에 매우 매력적입니다.¹²

Quantum dots은 밝고 순수한 색상과 높은 효율성, 긴 수명 및 높은 소멸 계수를 가진 무지개 색상을 방출하는 특성으로 인해 광학 응용분야에서 특히 중요합니다. 예를 들어 LED 및 고체 조명, 디스플레이와 광전 변환 공학^7,13,14이 해당합니다.

영 차원인 quantum dots은 고차원 구조보다 상태 밀도가 더 높습니다. 또한 이러한 작은 크기는 전자가 더 큰 입자와 멀리 이동할 필요가 없다는 것을 의미하므로 전자 장치는 더 빨리 작동할 수 있게 됩니다. 특수한 전자의 특성을 활용하는 응용분야의 예로는 트랜지스터, 태양 전지, 모든 초고속 광학 스위치와 로직 게이트 및 퀀텀 컴퓨팅이 있습니다.^13-15

점의 크기가 매우 작기 때문에 신체 어디로든 이동할 수 있으므로 의료 영상, 바이오 센서 등과 같은 다양한 바이오 의료 응용분야에 적합합니다. 현재 형광 기반 바이오 센서는 스펙트럼 폭이 넓은 유기 염료에 의존하며, 시약을 구분하기에는 색상의 수가 적으며 짧은 수명으로 그 효과가 제한적입니다. 반면에 quantum dots은 스펙트럼 전체를 방출할 수 있고 더 밝으며 시간이 지나도 거의 저하되지 않으므로 생물 의학 응용분야에서 사용되는 전통적인 유기 염료보다 더 우수하다는 것을 증명합니다.¹⁶

참고문헌:

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