Metal halide perovskites (MHPs) are receiving tremendous interest as a next-generation light emitting diode (LED) material due to their excellent optical properties. Developing MHPs that satisfy the high luminescence efficiency and economic feasibility is an essential strategy for the practical application as an emission layer in LED. It has been reported that MHP thin-film, which is easy to fabricate over a large area, can achieve bright emissions when the MHPs particles (or grains) are fabricated in a nanocrystal size. The mechanism of the light enhancement is considered to be due to two aspects. First, the increased dominance of the specific surface, which is known to reduce non-radiative recombination channels, delayed the non-radiative process. Second, photogenerated electron-hole carriers mainly undergo non-radiative decay by easily separating and diffusing in bulky size. However, the confinement on carrier diffusion according to size reduction becomes effective, and it is considered because it promotes radiative recombination. However, in addition to the dielectric confinement through the size decrease, nanostructured MHP can have some phenomena such as the reconstruction of the atomic coordination network on the surface, the change in crystalline symmetry, or interaction with additives and electron/hole transport layers in contact. The light enhancement mechanism can be understood by examining the implications of changes in atomic and electronic structural properties occurring in nanostructured MHPs. Based on this understanding, the descriptors that determine the photoelectrochemical properties of MHPs can be identified at the atomic level. This thesis presents the results of investigation of the recombination kinetics of MHPs according to the nanostructuring by performing first-principles non-adiabatic molecular dynamics simulation. The lattice vibration and electronic structure factors that determine luminescence efficiency were identified by analyzing the kinetics of radiative and non-radiative recombination in MHPs. It is expected that the findings can suggest guidelines for developing highly-efficient MHP materials for successful LED applications.
할로겐 페로브스카이트 소재는 우수한 광학적 특성으로 인하여 차세대 발광다이오드 소재로서 많은 각광을 받고 있다. 발광다이오드 소재로서의 범용적인 응용을 위해서는 경제성 및 고효율 발광특성, 그리고 친환경성을 만족한 페로브스카이트 소재의 개발이 필수적인 전략이다. 대면적 제작이 용이한 박막구조의 페로브스카이트는 구성 입자를 나노결정 단위로 제어하며 제작함으로써 높은 발광효율을 달성할 수 있음이 보고되었다. 나노구조화를 통한 발광효율 증대의 주요 메커니즘은 낮은 엑시톤 바인딩 에너지를 갖는 전자 정공 수송체의 캐리어 확산의 구속효과를 적용함으로써 방사 재결합과정을 촉진시킬 수 있고, 비방사 재결합과정을 지연시키는 표면의 발생으로 알려져 있다. 하지만 나노구조화를 통한 구속효과 이외에도, 표면에 노출된 원자 결합 네트워크 구조의 재조정이 발생하거나, 격자 구조 대칭상 변화의 발생, 또는 나노구조 표면과 접촉하는 첨가제 및 전자 및 정공 수송층에 대한 영향 상호작용 등이 원자 수준에서 발생할 수 있다. 따라서 나노구조화된 페로브스카이트 구조에서 발생할 수 있는 원자 및 구조적 특성 변화를 원자 수준에서의 전자구조 특성 변화의 이해함으로써 광전기화학적 특성의 변화 메커니즘의 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 시간의존 비단열 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 수행함으로써 페로브스카이트의 나노구조화에 수반되는 격자 및 원자구조의 변화에 따른 재결합 동역학 과정을 조사하고 전자구조 특성 분석을 이론적으로 수행하였다. 방사 및 비방사 재결합 동역학과정의 분석 방법론을 확립함으로써, 발광효율을 결정할 수 있는 격자 진동 및 전자구조적 인자를 특정하고 및 광전기화학적 특성 변화 메커니즘을 이론적으로 규명할 수 있었다. 이를 기반으로 성공적인 발광다이오드 응용을 위한 고효율 페로브스카이트 소재 개발 및 확보의 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
