The aggregates of small number of colloidal particles, colloidal clusters, have been studied from many researchers for understanding of nanoscopic matters as using atomic model and photonic materials. These colloidal clusters provide various possibilities of constructing more complex colloidal structures than can be realized by simple spherical particles. To form compact packing clusters, emulsion templates are used as confined geometry and evaporation of emulsion induce the colloidal clusters that have the unique configuration according to the number of constituent particles.
Especially, binary colloidal clusters have selective interactable regions than are uncovered with small colloidal particles. The morphology of the binary colloidal clusters inspires the self-organized colloidal devices. In order to function as a device, colloidal clusters should have active components that can be activated by light, electricity, etc.. We selected semiconductor quantum dots as the active components in self-organized colloidal clusters. Recently, nanometer-sized structures with at least one dimension smaller than the critical size for a given property of a material have attracted considerable attention, mainly due to their size-dependent properties and flexible processing chemistry. Finally, we succeeded to fabricate the self-organized colloidal devices with CdSe semiconductor quantum dots and Au shell particles. Our exploration is expected to bring forward new fields or conceptual paradigm in fabricating nanoscopic devices.
본 연구는 콜로이드 자기 조립 소자의 제작을 중심으로, 콜로이드 자기 조립 소자를 구현하기 위한 재료들의 합성 및 특성 평가를 포함하고 있다. 이 연구의 핵심이자 기본 아이디어는 이멀젼 템플레이트(emulsion template)를 이용한 자기 조립에 기인하고 있다. 콜로이드 자기 조립 소자를 구현하기 위하여 우리는 이원(二原) 콜로이드 클러스터를 제조하였고, CdSe 반도체 양자점을 합성하였다. 이원 콜로이드 클러스터의 형태에 착안하여 콜로이드 자기 조립 소자의 연구가 시작되었으며, CdSe 반도체 양자점은 콜로이드 자기 조립 소자에서 주 구동 요소로서 역할을 하게 된다. 이원 콜로이드 클러스터의 형태는 클러스터를 구성하고 있는 작은 입자들에 의해 영향을 받지 않는다. 또한 이원 콜로이드 클러스터에서 작은 입자들로 덮이지 않은 부분은 다른 이원 콜로이드 클러스터와 선택적으로 반응할 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 이원 콜로이드 클러스터의 선택적 반응성을 이용한다면 이론적으로는 다이아몬드 구조와 같은 삼차원의 구조를 이원 콜로이드 클러스터를 빌딩 블록으로 이용하여 제조할 수 있게 된다. CdSe의 크기는 반응 시간을 조절함으로써 쉽게 조절이 가능하다. CdSe는 그 크기에 따라서 광전자적인 성질이 달라지게 되는데, 이는 양자 제한 효과(quantum confinement effect)에 의한 것이다. 즉, CdSe의 크기가 커질수록 그 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 넓어지므로 발광하는 빛의 파장이 길어진다. 또한 CdSe 코어/쉘(core/shell) 양자점은 중심 물질에 양자 우물(quantum well)을 형성하여 양자 제한 효과를 증대시켜 양자점의 발광 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 중심 물질을 외부 환경으로부터 보호하여 그 수명을 연장 시킨다. 따라서 코어/쉘 양자점은 실제 응용에 매우 중요하다.
자기 조립 클러스터를 간단한 전기 소자로서 작동시키기 위해서는 자기 조립 클러스터에 전자를 이동시키거나 전류를 흐를 수 있는 요소를 도입해야 한다. 이를 위한 우리의 개념적 모델은 다음과 같다. 자기 조립 소자는 금으로 코팅된 입자와 CdSe 반도체 양자점으로 이루어진 이원 콜로이드 클러스터이다. 금으로 코팅된 입자는 외부에서 전압을 자기 조립 소자로 인가시킬 수 있는 전극 역할을 하게 되고, CdSe 양자점은 그 에너지 밴드 갭에 따라 전기 소자에서 전자를 흐름을 제어하거나 특정 빛을 발광할 수 있는 핵심 구성요소의 역할을 하게 된다. 다시 말하자면, 간단한 다이오드를 콜로이드의 자기 조립으로만 제작하는 것이 본 연구의 기본 목적이다. CdSe 반도체 양자점과 금으로 코팅된 입자로 이루어진 자기 조립 소자는 소자를 만드는데 있어서 매우 독창적이고 독보적인 접근 방식이다. 이렇게 콜로이드의 자기 조립 특성을 이용하여 소자를 제조하는 시도는 나노 크기의 소자를 제작하는 분야에 있어서 새로운 장, 또는 새로운 패러다임을 제시하게 될 것으로 기대된다.
