Colloidal nanocrystalline quantum dots (QDs) are promising semiconductor material for many advanced optical devices applications. QDs have broad absorption spectra and narrow emission spectra. Furthermore, QDs have high quantum efficiency and photo-stability, compared to organic dyes molecules. QDs have been applied in many applications, such as light emitting diodes, solar cells, biomarkers, etc. QDs are also good candidate for single photon source in ambient atmosphere. This application is visible for QDs because the QDs are the smallest synthetic particle in the world. The size of QDs is even smaller than Bohr radius; therefore, the confinement of electrons in the QDs is very strong. Thus, the recombination process at single QD results in very sharp emission peak. However, some drawbacks prevent the application of single QD to advanced optical devices, such as single photon source. Those drawbacks are photobleaching, photoblueing, and photoblinking. One must solve or manipulate optical properties of single QD for further applications. Meanwhile, the optical properties of ensemble of QDs are also very useful in many advanced optical devices. One characteristic of optical properties of QDs is that the emission of QDs isotropic. Sometimes, it is necessary to alter the QDs emission. The QDs emission could be guided, reflected, re-directed, etc. There are several useful optical devices to alter QDs emission, such as, optical waveguide, fiber optics, and photonic crystals. In this work, we would like to alter photoblinking of single QD emission and to modify ensemble QDs emission. Photoblinking property of single QD is altered by changing geometrical structure of QDs. The emission of ensemble QDs is modified by 2D and 3D photonic crystals structures. The aims of this research are to gain deep understanding of so-called dark exciton dynamics, which is responsible for photoblinking, and to elaborate the usage of photonic crystal structure to modify and reflect emission of QDs ensemble.
The first study of this research is to alter the photoblinking property of single Cd-based QDs. We utilized micro photoluminescence setup and homemade video analysis software to observe photoblinking behavior. We observed photoblinling behavior as function of (i) geometrical shape of QDs, (ii) shell barrier thickness, and (iii) shell barrier energy. For geometrical shape of QDs and shell barrier thickness study, we investigated the characteristics of time-resolved photoluminescence (TRPL) and PL blinking of CdSe/ZnSe/ZnS double shell QDs to elucidate the dependence of radiative recombination and Auger process. We observed that the blinking behavior was strongly influenced by the addition of shells, but off time kinetics is not significantly affected by the variation of shell thickness. This is attributed to the influence of wave function spreading on the Auger recombination. It is also suggested that the existence of interface traps between the core and shell layers might enhance the Auger process in the QDs. Thus, we observed that i) the increase of the ZnS outer shell layer thickness increases the PL lifetime but does not appreciably change the characteristics of off states in the PL blinking, and ii) the characteristics of the on and off states depend strongly on the shape of the QDs. These phenomena can be attributed to the spreading of electron and hole wave functions influencing the Auger process inside the QD.
The second study about QDs in this work is to utilize 3D opal structure and 2D photonic crystals structure. We used different approach of conjugation of QDs to photonic crystals structure. For 3D opal photonic crystals structure, we fabricated opal photonic crystal structure, which is assembled from quantum dots-conjugated polystyrene spheres. We found that the quantum dots (QD) emission from QD-conjugated photonic crystal (PC) structure experienced not only shifting to shorter wavelength, but also an asymmetrical broadening. This photonic crystal structure uses less quantum dots and may lead to great application such as single photon source and QD laser, since we may sharpen and broaden the QD emission by selecting the proper position of stop band. In this work, we demonstrated a simple and effective fabrication technique to conjugate QD with opal PC structure by coating instead of infiltration technique. As a result, we observed that the emission spectra of QD-conjugated opal PC structure were strongly influenced by the stop band of PC, where the relative refractive index of the structure was not changed by the conjugation of QD. Furthermore, this preparation technique lead to promising applications such as photon source, since the quantity of QD required is less than other technique and the good controllability of QD position. The utilization of 2D photonic crystals was done using pillar type structure of photonic crystal. In this case, we utilize slow Bloch modes of 2D photonic crystals to reflect light in the normal direction instead of utilizing lateral photonic band gap effect. From simulation results, we found that 2D photonic crystals structure with high refractive index material can effectively reflect broadband wavelength. Experimentally, we showed that 2D PCs structure reflects normal incident light of ensemble QDs, which has emission peak wavelength of 610 nm when excited by He-Cd laser. Although our fabricated PCs structure is not ideal, due to technical problems, the slow Bloch mode effect considerably influences propagation of normal incident light from QDs. In our 2D PCs structure, there is still noticeable reflection at blue color wavelength region (400 - 470 nm), so that the 2D PCs structure is still not applicable for light emitting diodes devices. Further improvement is required to make ideal 2D PCs structure.
콜로이드 나노 크리스탈 양자점은 다양한 광학 디바이스 응용 가능성으로 촉망을 받는 반도체 물질이다. 양자점은 넓은 흡수 대역과 좁은 방출 대역을 가질 뿐만 아니라 양자 효율이 높고 다른 염색체 분자들에 비해서 광학적 특성이 안정적이다. 따라서 양자점은 많은 분야에서 응용되고 있는데 대표적으로 발광 다이오드, 태양열 전지 및 바이오 센서를 들 수 있다. 또한 양자점은 단광자원 으로도 주목받고 있다. 양자점은 인간이 볼 수 있는 가장 작은 입자이기 때문에 많은 분야에서 응용이 가능하다. 양자점의 크기는 엑시톤 Bohr 반지름보다 작기 때문에 양자점은 매우 강한 전자 구속 효과를 보여주며 이로 인한 양자구속 효과는 양자점의 에너지 준위를 불연속적으로 만들어 양자점의 전자와 홀의 재결합에 의한 광방출은 매우 좁은 파장폭의 스펙트럼을 가지고 있다. 하지만 양자점을 단광자원과 같은 광 소자로써의 활용을 어렵게 만드는 몇 가지 단점들이 있는데 Photo-bleaching, photo-blueing 그리고 photoblinking 등이 잘 알려져있는 대표적 현상이다. 이러한 현상들에 대한 제어 기술은 양자점을 이용한 광소자 개발에 핵심 요소이다. 단일 양자점 뿐만 아니라 양자점 집단에 대한 광학적 특성 또한 많은 연구가 되었고 다양한 광소자 응용에 유용하게 활용되고 있다. 양자점의 광학적 특성 중 하나는 양자점 등방성의 방출이다. 따라서 양자점으로부터의 광방출을 굴절, 반사 등을 통해 제어하는 것이 매우 중요하며 광 도파관, 광섬유 그리고 광결정 도입을 통한 양자점 방출 제어를 하려는 시도가 많이 연구되고 있다. 우리는 단일 양자점의 photoblinking과 집단 양자점 광방출 특성 개선에 대한 연구를 진행하였다. 단일 양자점의 photoblinking 특성은 양자점의 기하학적 구조에 크게 영향을 받는다. 또한 양자점 집단의 방출광은 이차원이나 삼차원 광결정을 이용해서 제어 할 수 있다. 이 연구의 목표는 photoblinking에 관련되는 소위 다크 엑시톤 동역학이라고 불리는 현상을 자세히 이해하고 광결정 구조를 도입하여 양자점 집단의 방출광을 반사 특성을 개선하는 것이다.
이 연구의 첫 번째 주제는 Cd 계열의 단일 양자점의 photoblinking 성질을 개선하는 것이다. Photoblinking 현상을 관찰 하기 위해서 현미경 기반의 발광 장치와 직접 제작한 영상 해석 소프트웨어를 사용하였으며 양자점의 기하학적 모양이나 껍질 장벽의 두께, 껍질 장벽의 에너지 변화에 따른 photoblinking의 현상을 관찰하였다. CdSe/ZnSe/ZnS 이중 구조 양자점의 방사 재조합과 Auger 과정을 설명하기 위해서 시분해 발광 및 발광 blinking 특성을 조사하였다. 껍질의 두께에 따라 blinking현상에 강하게 관여하는 것을 관찰하였으나 시간 동역학 적 특성에는 많이 관여하지 않는 것으로 나타났다. 이것은 Auger 재결합에 퍼진 파동함수의 영향이 원인이다. 또한 핵과 껍질 사이에 존재하는 접속 가둠이 양자점의 Auger 과정에 영향을 주는 것으로 제시된다. ZnS의 바깥 껍질의 수를 늘임에 따라서 발광 수명이 증가하지만 발광 blinking의 성질은 많이 바뀌지 않고 양자점의 모양에 따라서 On/Off 상태가 많이 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 전자-홀 파동함수의 퍼짐 정도에 따라 양자점 내부의 Auger 재겹합 과정이 영향을 받기 때문인 것으로 생각하고 있다.
양자점 연구에 대한 두 번째 주제는 삼차원 오팔 구조나 이차원 광결정 구조를 이용하는 것이다. 광결정 구조에 양자점의 접합을 다른 방법으로 접근하였는데 삼차원 오팔 광결정 구조를 만들기 위해서 우선 나노크기의 폴리스틸렌 구슬과 접합된 양자점이 결합된 오팔 광결정 구조를 제작하였다. 광결정 구조와 접합된 양자점으로부터 방출되는 빛이 단파장 쪽으로 이동하는 것 뿐만 아니라 비대칭적으로 넓게 퍼지는 것을 알 수 있었다. 이러한 광결정 구조는 양자점이 덜 쓰이고 단광자원이나 양자점 레이저 쪽에 응용될 것으로 기대하는데 왜냐하면 적절한 stop band의 부분을 취하여 양자점 방출을 날카롭고 넓게 만들 수 있기 때문이다. 여기서 우리는 침윤 방법 대신 코팅 방법을 이용하여 광결정 구조와 접합된 양자점을 간단하고 효과적으로 제작할 수 있다. 결과적으로 광결정 구조와 접합된 양자점이 광결정의 stop band에 강한 영향을 미치고 양자점과 결합하여도 굴절률이 변하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 게다가 이러한 준비는 광원에 다양하게 응용될 것인데 왜냐하면 다른 기술에 비해서 많은 양의 양자점이 필요하지 않고 양자점의 위치를 잘 조정할 수 있기 때문이다. 이차원 광결정은 기둥 모양의 광결정에 많이 사용되었다. 우리는 정방향으로 빛을 반사시키기 위해서 측면 광 밴드갭 효과를 이용하는 대신 이차원 결정의 느린 Bloch 모드를 이용한다. 모의 실험을 통해서 우리는 높은 굴절률을 가지는 이차원 광결정 구조가 효과적으로 넓은 파장을 반사시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 실제 실험에서도 2D 광결정 구조가 610 nm 중심파장을 갖는 양자점 시료의 빛을 반사시키는 것을 확인하였는데, 제작한 광결정 구조가 실험적 한계로 이상적인 광결정을 이루고 있지 않음에도 slow Bloch 모드 형성과 이로 인한 특정 파장의 반사가 가능함을 보였다. 이러한 광결정 구조의 도입은 양자점 시료의 빛을 증가시켰지만, 400 nm ~ 470 nm 의 청색 빛 또한 일부 반사시키고 있어, 파장별 투과, 반사 효율을 증가 시키기 위한 광결정 구조 연구가 계속되어야 한다.
