Colloidal semiconductor nanocrystal quantum dots (NQDs) have obtained tremendous attention in past decades since their size-dependent tunable band gaps make them especially suited to various optoelectronic applications such as photovoltaics, light emitting diodes, lasings, and lightings. PbSe NQDs is one of the most intensively investigated NQDs because PbSe has a very narrow band gap (0.26 eV) ranged in infrared, large exciton Bohr radius (46 nm), and a high dielectric constant, which are essential for the optoelectronic applications using infrared regime. In particular, strong quantum confinement, efficient carrier multiplication and prolonged hot carrier lifetime due to phonon bottleneck effect of PbSe NQDs were reported, hence the interest of PbSe NQDs especially in photovoltaic devices is very high. However, further development and fabrication of reliable optoelectronic devices based on PbSe NQDs were strongly hindered because they easily oxidized under air condition. Formation of oxidized species on the surface of PbSe NQDs was reported previously. The formation of oxidized species leads to the uncontrolled changes in the optoelectronic and physicochemical properties of NQDs, and finally results in sudden failure of the NQD-based devices. Therefore, enhancing air stability of NQDs is essential for the realization of reliable NQD-based optoelectronic device.
Recently, synthesis of all inorganic colloidal $CsPbX_3$ (X is Cl, Br, and I) perovskite nanocrystals (NCs) has been developed. The $CsPbX_3$ NCs showed very high photoluminescence (PL) quantum yield (QY), narrow emission linewidth, which is suitable particularly in light emitting diodes. However, $CsPbX_3$ NCs exhibit very poor stability under ambient condition. Rapid drop of PL QY and structural transformation of $CsPbX_3$ NCs have been observed. Hence, as desired in the case of PbSe NQDs, stability enhancement of $CsPbX_3$ NCs is strongly required for successful integration of the NCs in optoelectronic devices including light emitting diodes.
Here, I present very simple, but highly effective surface engineering strategies to enhance the stability of PbSe NQDs and $CsPbX_3$ NCs (denoted hereafter as just NCs). The surface engineering strategies are developed based on understanding the surface structure of the NCs. Surface engineered and effectively passivated NCs exhibit extreme stability against air or any other harsh conditions. Based on the surface engineered NCs, I successfully demonstrate the fabrication of NC-based field effect transistors with long-term operation lifetime.
콜로이드상 반도체 나노입자 양자점은 크기제어를 통한 밴드갭 조절특성으로 인하여 태양전지, 발광소자, 레이저, 조명 등과 같은 전자소자 적용에 있어서 지난 십 수년간 많은 관심을 받아왔다. PbSe 나노입자 양자점은 적외선 영역에 속하는 0.26 eV의 작은 벌크 밴드갭을 갖고, 엑시톤 보어 반경이 46 nm로 크며, 큰 유전상수를 갖기 때문에 적외선을 이용하는 전자소자 적용에 있어서 가장 많이 연구가 되어오고 있는 물질이다. 특히나 강한 양자구속 효과, 효과적인 다중 여기자 생성 현상, 그리고 포논 병목현상으로 인한 핫캐리어의 긴 수명시간 등의 특성 때문에 PbSe 나노입자 양자점은 태양전지 적용에 있어서 매우 큰 흥미를 불어 일으켰다. 그러나 PbSe 나노입자 양자점은 대기 조건에서 급격히 산화되기 때문에, 실제로 PbSe 나노입자 양자점을 이용하여 신뢰성 있는 전자소자를 구현하는 데에는 매우 큰 어려움이 존재하는 상황이었다. PbSe 나노입자 양자점이 대기 조건에서 산화되는 현상은 기존에 보고된 바 있다. PbSe 나노입자 양자점이 산화되면 물리화학적, 전기적 특성이 급격히 변화하게 되고, 결국은 PbSe 나노입자 양자점 기반 전자소자의 작동이 불가한 상황에 직면하게 된다. 따라서, PbSe 나노입자 양자점의 대기 안정성 향상은 신뢰성 있는 PbSe 나노입자 양자점 기반 전자소자의 구현을 위해 가장 필수적인 과제로 여겨진다.
최근에 콜로이드상 무기물 $CsPbX_3$ (X=Cl, Br, I) 페로브스카이트 나노입자의 합성방법이 개발되었다. $CsPbX_3$ 페로브스카이트 나노입자는 매우 높은 발광효율과 좁은 발광 반치폭을 갖기 때문에 차세대 고성능 발광소자 개발에 있어서 최적의 소재로 일컬어진다. 그러나 $CsPbX_3$ 페로브스카이트 나노입자는 대기 조건에서 급격한 발광효율의 저하를 보이고, 구조의 변형을 일으키는 등 대기 안정성이 매우 떨어진다. 따라서 PbSe 나노입자 양자점의 경우와 마찬가지로, $CsPbX_3$ 페로브스카이트 나노입자 기반의 신뢰성있는 발광소자 개발을 성공적으로 달성하기 위해서는 $CsPbX_3$ 페로브스카이트 나노입자의 안정성 향상이 가장 시급한 이슈이다.
본 학위논문에서는 간단하면서 효과적인 표면제어를 통하여 PbSe 나노입자 양자점 및 $CsPbX_3$ 페로브스카이트 나노입자의 안정성 향상 방법에 대해 다루고자 한다. 표면제어 전략은 나노입자 양자점의 표면 구조의 이해를 바탕으로 개발하였다. 표면이 제어된 나노입자 양자점은 대기 중에서 산화를 비롯하여 소재의 성능저하와 관련한 대부분의 상황에 대하여 극도로 향상된 안정성을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 표면을 제어하여 극도로 안정성이 향상된 반도체 나노입자 양자점을 전자소자에 적용하여 대기 중에서 안정적으로 구동하는 전자소자를 성공적으로 구현할 수 있었다.
