Quantum dots (QDs) are the semiconductor nanocrystals (NCs) in quantum confinement regime, i.e., the size regime within the characteristic exciton Bohr radius. This enables the control of band gap through varying the size of particles, and attempts have been made to apply the NCs in display and biological applications. Many studies focused on cadmium (Cd)-based QDs, which show superior optical and physicochemical properties such as optical anisotropy that are necessitated for future displays. Nevertheless, as heavy metals are strictly regulated in Europe and North America and Cd shows high cytotoxicity, it is unpromising to utilize Cd-based NCs in practical applications. In this dissertation, I realize the superior properties of Cd-based NCs in Cd-free NCs and imply the possibility for commercialization and biocompatibility. The shape control of Cd-free NCs is realized by synthesizing InP nanoplates with various morphologies using cation exchange reaction from Cu3-xP nanoplates. Further, ZnSe, InP and InAs QDs were utilized as seeds to synthesize branched NCs, of which asymmetric shape relates to the optical anisotropy. Lastly, incorporation of Cd-free NCs to nitrogen-fixing bacteria realized the photoinduced ammonia production at ambient temperature and pressure.
반도체 나노입자의 크기가 고유의 엑시톤-보어 반경보다 작아지게 되면 양자구속 효과를 받으며, 이를 양자점이라 일컫는다. 양자점은 크기조절을 통한 밴드갭 제어가 가능하며, 디스플레이 및 바이오 분야에 응용이 가능하다. 많은 연구가 카드뮴 계열 양자점에서 진행되었으며, 우수한 광학 및 물리화학적 특성뿐 아니라 입자 모양제어에 의한 광학적 비등방성을 보임에 따라 차세대 디스플레이 응용에 유리한 특성을 보인다. 하지만, 유럽 및 북미에서 상업제품 내 중금속 농도가 엄격히 제한되고 있고 높은 세포 독성을 보이므로, 차세대 디스플레이 및 바이오 관련 응용에 부적합하다. 본 논문에서는 카드뮴 계열 양자점의 우수한 특성을 비카드뮴계 양자점으로 실현하며, 이를 통해 차세대 디스플레이에 적용 가능성을 시사하며, 바이오 시스템에 적용을 통한 화합물 합성 방법을 제시한다. 비카드뮴계 양자점의 모양제어를 가능케 하기 위해 인화구리 나노판상입자를 이용하여 양이온 치환 반응을 도입하였고, 이를 통해 다양한 판상형태를 가지는 인화인듐 나노판상입자를 합성하였다. 또한, 셀레늄화 아연, 인화 인듐 및 비소화 인듐 입자에 황화 아연 쉘을 이용한 가지 형태의 입자를 합성하였으며, 입자 모양의 비등방성에 따른 광학적 비등방성을 관찰하였다. 마지막으로, 비카드뮴계 양자점을 질소고정 박테리아 내부로 함입시킴에 따라, 빛 에너지를 이용하여 상온 및 상압에서의 암모니아 합성을 구현하였다.
