균일한 크기의 황화납 나노결정 합성

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

태양전지에 적합한 황화납 나노결정은 황 원자들과 납의 비가 거의 1:1을 가지지만 MIT 연구원들은 균일한 크기의 양자점들을 만들기 위해 24:1 비로 황 프리커서들에 비해 납의 높은 비율이 더 좋다는 것을 발견했다. MIT 화학 공학 대학원생 마크 C. 웨이드만은 동료인 페리 프린스, 레이첼 S. 호프만, 메건 벡과 함께 MIT 화학 공학과 교수인 윌리엄 A. 티스데일 박사의 연구실에서 합성 조건을 개발했다. 여기서 크기의 균일성은 황화납 (PbS) 양자점 필름들에서 긴 엑시톤 확산 길이를 제공할 수 있다고 웨이드만이 전했다. 양자점들은 일반적으로 액체 내 현탁된 입자들을 이용하여 콜로이드로 합성된다. 만약 양자점들이 모두 동일한 크기라면, 그들은 정렬된 격자로 자기 조립될 수 있다. 만약 양자점들이 충분히 단분산되면, 열적으로 안정된 상태가 된다고 웨이드만이 설명했다. 그는 투과 전자 및 주사 전자 현미경을 이용하여 이 필름들의 단분산 정도를 확인했다. 또한 이 박막들의 스침입사 저각 엑스선 산란 (GISAXS)과 넓은 각 엑스선 산란 (WAXS) 연구들을 수행하기 위해 뉴욕 롱아일랜드 브룩하벤 국립 연구소 국립 싱크로트론 광원에서 구조분석을 수행했다. 마크와 메건은 특별한 형태의 나노결정인 황화납에서 매우 단분산하고 전례없는 단분산도를 만들 수 있다고 티스데일 교수가 말했다. 웨이드만은 균일한 크기와 구조에 대한 메커니즘을 규명했다. 웨이드만은 태양 전지들에 대한 이용으로 인해 황화납에 관심을 가지고 있다. 예를 들어 태양전지인 광전소자들에 대하여 이용되는 황화납 필름이 광을 흡수하기를 원하지만 광이 재방출하는 것을 막으려 할 것이다. 전자와 홀을 이 필름에서 기본적으로 얻고 외부 회로로 그들을 효율적으로 전송하기 원한다. 이를 위해 필름 내 확산이 최대화되어야 한다. 또한 발생된 전자와 홀을 쉽게 추출하기 위해 전자와 홀 쌍의 긴 수명이 요구된다. 연구원들은 훨씬 긴 황화납 필름 내 확산 길이를 제공하여 태양 전지들의 효율을 더 증가시키는 방법과 이 필름에서 전하들을 더 쉽게 추출하는 방법을 찾기를 원하고 있다. 확산 길이는 양자점에서 양자점, 혹은 양자점에서 근처 물질로 이동하거나 호핑 (hopping)하는 상반되게 하전된 전자와 홀의 쌍인 엑시톤의 과정을 설명한다. 엑시톤이 이동하는 거리와 수명은 잠정적인 응용들에 영향을 끼친다. 웨이드만은 엑시톤 수명을 측정하고 엑시톤 확산 길이를 모델화한 양자점 고체 내 확산 연구를 위해 티스데일 교수, 블라디미르 불로비치 교수, 아담 위라드 교수와 협력했다. 대학원생 A. 졸렌 머크는 샘플 제작과 과도 분광기 측정에 도움을 주었다. 이 연구를 위해, 웨이드만은 필름 내 양자점 사이 분리나 물리적인 거리를 결정하기 위해 이미지 프로세싱 툴과 MATLAB 프로그래밍을 이용하여 전자 현미경과 분석을 수행했다. 카드뮴 아연 황 쉘을 가진 카드뮴 세레나이드 양자점들은 약 7.9나노미터 떨어진 중심 간 평균 거리를 가졌다. 이 연구결과는 확산 길이를 최대화하기 위해 더 긴 확산 길이를 가지기 위해 가능한 한 작은 중심 간 거리를 가져야 한다는 것을 뜻한다고 웨이드만이 전했다. 또한 양자점들은 그들의 밴드갭을 변화시키기 위해 크기를 변화시킴에 따라 색깔이 변하는 특성을 가지고 있다. 일정한 색깔을 가지기 위해, 양자점들은 일정한 크기를 가져야 한다. 티스데일 박사 그룹 동료 엘리자베스 M.Y. (일자) 리는 이 연구를 위해 양자점 필름 내 크기 다양성을 계산했다. 이 논문은 어떻게 물리적으로 양자점들이 가까이 있는지 조절하여 양자점들의 필름 내에서 활성적인 확산이 발생하는지 조절할 수 있다는 것을 잘 보여주고 있다. 이 논문에서 다른 결과는 몇 가지 시뮬레이션에서 보였던 결과에서 어떤 활성 무질서가 에너지 확산을 원활하게 하기 위해 이 필름들 내에서 나은 결과를 보일 수 있다는 것이다. 만약 얼마의 크기 다양성과 에너지 변화를 가지며 이 필름을 여기시켰을 때, 여기된 양자점들의 분포들을 얻을 것이고 자연적으로 더 높은 에너지 양자점들 상에 존재하는 엑시톤들은 더 낮은 에너지 상태를 찾을 것이다. 이런 현상이 에너지 확산이다. 그래서 약간의 크기 변화는 이런 과정을 가속화시키는데 도움을 줄 것이다. 만약 언덕을 가진 지형으로 이를 가정하면, 언덕의 꼭대기에 있는 엑시톤들은 언덕의 바닥으로 떨어지기 위한 방법을 찾을 것이다. 이와 반대로 에너지적으로 평탄한 완벽하게 균일한 필름을 가졌다면 빠르게 에너지 확산을 시작하지 않을 것이다. 웨이드만은 황화납 나노결정들의 수퍼격자 형성을 조사하고 특성을 살펴본 Chemistry of Materials 논문의 주저자이다. 여기서 연구원들은 양자점을 정렬했으면 그들의 원자 면 역시 배열한 긴 영역 수퍼격자들을 만들 수 있으며 수퍼격자 배열을 방해하지 않고 더 작고 기능적으로 만들기 위해 필름 특성을 개선하는 방법으로 양자점들의 표면에 리간드들을 변화시킬 수 있다는 것을 발견했다. 현재 연구원들은 태양 전지에 적용할 수 있는 적외선 물질들로 긴 거리에 걸쳐 에너지를 이동시키는 것을 조사하고 있다. 그림 설명: 화학 공학 대학원생 마크 웨이드만은 황화납 (PbS) 나노결정들의 수퍼격자 형성을 분석했다. 큰 직경 양자점 (QD)들로 만들어진 스핀 코팅된 QD 필름들은 (위 왼쪽에서) a) 노출된 BCC (110) 면의 상부; b) 노출된 BCC (100) 면의 상부; c) 약 15개의 나노경정들의 평균 두께를 보이는 단절된 필름; d) 노출된 끝을 가진 QD 수퍼격자의 수평면이 보인다. 참고 자료: "Monodisperse, Air-Stable PbS Nanocrystals via Precursor Stoichiometry Control." ACS Nano, 2014, 8 (6), pp 6363–6371 DOI: 10.1021/nn5018654 "Interparticle Spacing and Structural Ordering in Superlattice PbS Nanocrystal Solids Undergoing Ligand Exchange." Chem. Mater., Article ASAP DOI: 10.1021/cm503626s "Subdiffusive Exciton Transport in Quantum Dot Solids" Nano Lett., 2014, 14 (6), pp 3556–3562 DOI: 10.1021/nl501190s 1-researcherss.jpg http://m.phys.org/news/2015-01-sulfide-nanocrystals-uniform-size.html