In this thesis, we study surface chemistry of colloidal quantum dots and nanoscale friction of graphene by investigating their surface properties using first-principles density-functional theory calculations. For colloidal quantum dots, our calculation results show that cation-rich surfaces are necessary for proper ligand-surface coordination to be stabilized. In addition to ligand-surface coordination, the cation-rich surface stabilization is affected by steric hindrance between coordinating ligands. For IV-VI colloidal quantum dots, the steric hindrance between passivating ligands has influence on shape transition from oleate-capped octahedron to cuboctahedron truncated with (100) surface that prone to surface oxidation. The shape transition leads to size-dependent air-stability of IV-VI colloidal quantum dots. For graphene, we examine nanoscale friction properties of chemically modified graphene, epitaxial graphene on SiC(0001), and water-intercalated graphene on mica. By calculating elastic properties of graphene and investigating 3D/2D contact through first-principles calculations and contact mechanics theory, we find that nanoscale frictional energy of graphene is mainly dissipated by out-of-plane bending deformation of graphene and shear deformations between graphene and substrate. In addition, for water-intercalated graphene, we propose that the increased friction by water layer is attributed to phonon excitation enhancement and improved energy transfer based on calculated phonon properties.
본 학위논문에서는 제일원리 계산을 이용하여 콜로이드 양자점과 그래핀의 표면특성을 이해하고, 이를 바탕으로 콜로이드 양자점의 계면화학 및 그래핀의 나노스케일 마찰력 특성을 분석하였다. 제일원리계산 결과, 4-6족, 2-6족, 3-5족 콜로이드 양자점의 양이온이 풍족한 표면들은 안정화되기 위하여 리간드와의 적절한 결합이 필요하였다. 또한, 양자점의 표면 안정화는 표면-리간드 결합뿐만 아니라 리간드 간의 입체장애에도 큰 영향을 받았다. 특히, 4-6족 양자점에서는 리간드 간의 입체장애가 양자점 모양 형성에도 영향을 미쳐 크기에 따른 모양변화가 나타났으며, 이러한 모양변화가 공기 안정성에도 큰 영향을 주었다. 그래핀의 나노스케일 마찰력 특성은 화학적 처리된 그래핀, 에피택셜 그래핀 및 그래핀과 마이카 사이의 물이 들어간 시스템을 바탕으로 이해하였다. 그래핀의 탄성특성 및 그래핀과 팁 간의 컨택상황을 분석함으로써 그래핀의 나노스케일 마찰력은 그래핀의 면외탄성변형 및 그래핀과 기판 사이의 전단변형을 통하여 주로 소실된다는 것을 밝혀냈다. 또한, 그래핀과 기판 사이의 물이 존재할 경우에는 물 층이 포논여기 및 에너지 전달을 증가시켜 마찰력 증가에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.
