Semiconductor nanocrystals (NCs) represent a class of quasi-zero-dimensional systems or quantum dots. These objects exhibit size-dependent absorption and photoluminescence (PL) spectra which result from quantum confinement effect. After exciton generated by incident light, generated electron-hole pair is recom-bined in semiconductor NCs with different timescale. This exciton carrier dynamics crucially affects to over-all optical property of NC. Therefore, we believe that it is important to understand and control exciton dynamics in NC before they are deemed a viable solution for opto-electric device or energy conversion. In this study, we discuss about understanding and control of exciton dynamics in NCs via precision control of composition, morphology, structure and surface of NCs. Based on this, we also demonstrate the relationship between carrier dynamics and photocatalytic activity of NCs.
In order to control the exciton dynamics in NCs, we prepared various kinds of NCs with different composition, morphology, size and surface of NCs. The carrier dynamics of prepared NCs is measured by varying spectroscopic analysis such as transient absorption and time-resolved photoluminescence spectrosco-py. From the results, we can conclude that carrier lifetime in NCs is easily manipulated by control of size, composition, surface and band structure of NC, and this tuned carrier lifetime directly affects to photocatalytic activity of NCs. In addition, we observed that the carrier dynamics between NCs can be altered by control of assembled structure. In order to examine the carrier dynamics depending on assembled structure, we prepared various kinds of assembled clusters of nanorods (NRs), which have different inter-NR spacing. From the time-resolved photoluminescence results, it is clarify that carrier lifetime is dramatically changed by formation of assembled structure, and this change is responsible for manipulated energy transfer rate by altered inter-NR spacing. We believe this discussion will not only provide understanding of exciton dynamics in NCs, but also bring insight to use semiconductor NCs in photocatalytic applications.
반도체 나노입자의 크기가 전자-정공의 거리보다 작아지면 양자구속효과에 의하여 밴드갭의 변화, 편광 발광과 같은 새로운 광학적 특성이 나타나게 되며, 이러한 독특한 광물리학적 특성으로 인해 반도체 나노입자를 광소자 및 광전 소자에 적용하려는 다양한 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 반도체 나노입자에서 여기된 엑시톤(전자-정공 쌍)은 쿨롱 인력으로 인해 재결합이 필연적으로 일어나게 되는데, 이때 생성된 엑시톤은 다양한 시간대에 걸쳐서 발광, 비발광 재결합을 하게 되며, 재결합 특성은 반도체 나노입자의 크기, 모양, 조성에 따라 제어가 가능하다. 예를 들어 발광 특성을 극대화하고자 하는 광소자의 경우 발광 재결합을 유도하는 나노입자의 제어가 필요하며, 전자-정공의 분리를 통해 에너지를 생산하고자 하는 광전소자의 경우, 재결합을 억제하는 전략이 필요하다. 이러한 측면에서 보았을 때, 반도체 나노입자의 효율적인 소자 응용을 위해서는 생성된 전자-정공의 거동 특성을 이해하고 응용분야에 맞게 효과적으로 엑시톤을 제어하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 논문에서는 반도체 나노입자의 크기, 구조제어 및 나노입자 응집체의 배열 제어를 통해 엑시톤 거동에 대한 중요한 인자를 파악하고, 이를 토대로 광촉매 반응에 엑시톤 거동이 미치는 영향에 대해 연구한 내용을 기술하였다.
반도체 양자나노막대기의 배열 실험에서는 양자나노막대기 간의 상호작용을 제어하여 최종적으로 소용돌이 형태의 독특한 배열의 응집체를 제조할 수 있었고, 소용돌이 형태에 따라 양자나노막대기의 평균거리 및 기울기를 제어 할 수 있었다. 양자나노막대의 배열에 따른 엑시톤 거동을 살펴본 결과, 반도체 나노입자의 발광 특성을 저해하는 에너지 전달 현상이 양자나노막대의 평균거리에 매우 민감하게 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 반도체 나노입자의 발광소자 적용을 위해서는 나노입자간의 거리를 정밀하게 조절하는 것이 중요하다는 것을 제안할 수 있었다.
반도체 나노입자의 구조 및 조성 조절을 통한 광촉매 반응 실험에서는 핵/껍질 구조의 이종구조 및 금속 입자 도입을 통해, 전자-정공의 재결합을 억제하고 전자와 정공을 효과적으로 분리할 수 있는 구조를 제안하였고, 전하분리로 인한 광촉매 특성의 향상을 관찰 할 수 있었다. 또한 반도체 나노입자의 표면결함을 제어할 수 있는 할로겐 표면처리 공정을 도입하여, 엑시톤의 전하분리 속도를 제어하였고, 전하분리 속도와 광촉매 반응간의 상관 관계를 파악 할 수 있었다. 이를 통해 일반적으로 반도체 나노입자의 특성을 저해하는 것으로 알려진 표면결함이 광촉매 반응에 있어서는 매우 효과적인 전하분리 수단으로 사용될 수 있음을 제안하였다
종합적으로 본 연구를 통해 반도체 나노입자의 전하-정공의 결합 속도 및 전달 현상이 반도체 나노입자의 크기, 조성 및 표면 결함 정도에 크게 영향을 받음을 알 수 있었고, 이를 제어하기 위해서는 나노입자의 크기, 구조 및 입자간의 배열 제어가 중요한 요소임을 밝혀 낼 수 있었다.
