Semiconductor nanorods (NRs), namely elongated NCs, are of particular interest in the field of nanomaterials and nanotechnology because of their unique properties including linearly polarized emission and effective charge transport along their long axis. To capitalize on shape- and structure-dependent properties of semiconductor NRs, high-precision control and exquisite design of their growth are desired. Nevertheless, the mechanism behind the axial growth of NR still remains unclear because of the difficulty in instant analysis of growth surfaces. To unveil the NR growth mechanism, we design colloidal dual-diameter semiconductor NRs (DDNRs), which have two sections along the long axis with different diameters. The segmentation of the DDNRs allows rigorous assessment of the kinetics of NR growth at a molecular level. Building on these findings, we report the synthesis of single-diameter CdSe/CdS core/shell NRs with CdSe cores of controllable position, which reveals strong structure-optical polarization relationship. The understanding on NR growth mechanism with controllable anisotropy will serve as a cornerstone for the exquisite design of more complex anisotropic nanostructures.
When NRs are introduced in application devices, asymmetry and directionality of the ensemble are closely related to collective properties. Since unique characteristics of NRs are manifested along the axial direction, NRs must be assembled into precise configurations suitable for target applications. For example, end-to-end network of NRs offers the most effective pathway for carrier transport, thereby serving as continuous electrical channels without impairing intrinsic properties of NRs such as quantum confinement effect. However, despite their intensive demands and potentials, end-to-end linking of colloidal NRs has been relatively underexplored because this assembly is commonly not favored due to strong attraction along side-by-side direction. In this study, we present a 2-dimensional (2-D) networking of colloidal CdSe nanorods (NRs) in monolayer thickness through end-to-end linking, which yields a single homogeneous cluster over millimeter-scale. The approach established here enables the creation of the homogeneous percolating network of NRs in ultra-long-range useful for optoelectronics and photovoltaics.
On the other hand, to display linearly polarized emission from NR ensemble, NRs should be assembled with both side-by-side and end-to-end alignments. There has been extensive researches on this kind of assemblies of NRs. However, although side-by-side bundle of NRs is favorably formed in concentrated NRs, the size of the domain, where constituent NRs are aligned in end-to-end direction, is very small. Besides, inhomogeneous and thick NR assembled structures are unsuitable for conventional film devices. In light of these problems, the most desired form of NR ensemble for its potential usefulness as polarizable material is long-range and uniform self-assembled monolayers with compact packing of NRs into smectic phase. Here, we present highly ordered smectic-phase self-assembled monolayers of CdSe/CdS NRs over large length scale at air/solution interface by introducing depletion force between the interface and NR. Unidirectional alignment in the smectic-phase monolayer is expected to exhibit strong photoluminescence anisotropy, enabling its use as emissive film in polarized light-emitting devices. Furthermore, this simple and scalable assembly approach can provide unique means to create ultra-long-range and ultra-thin self-assembled monolayers of nano-building blocks.
반도체 나노막대입자는 효율적인 전하수송, 선형편광특성과 같은 그 고유한 성질로 인하여 나노기술 분야에서 중요한 나노소재 중 하나로 떠오르고 있다. 이 때, 나노막대가 갖는 독특한 특성들은 입자의 몰포로지나 구조에 의하여 크게 영향을 받기 때문에 정교한 성장제어가 필요하다. 그 필요성에도 불구하고, 나노입자가 양 장축방향으로 성장되는 메커니즘은 완전하게 이해되지 못하고 있다. 본 연구는 반도체 나노막대입자의 성장메커니즘을 규명하는 것을 목표로 한다. 성장메커니즘에 대한 이해를 바탕으로, 하나의 입자 내에 두 개의 직경을 갖는 새로운 몰포로지의 반도체 나노막대 구조를 개발하였고, 코어/쉘 나노막대구조에서 막대쉘의 양 방향 성장속도를 제어함으로써 최종적인 코어의 위치를 쉘 내부에서 자유롭게 조절할 수 있었다. 다음과 같이 나노막대입자의 몰포로지와 구조를 정교하게 제어할 수 있게 됨으로써 몰포로지/구조에 직접적인 영향을 받는 엑시톤 거동과 편광특성 또한 조절 가능하게 되었다.
실제 응용소자에서 반도체 나노막대 입자는 개개의 특성보다 앙상블 특성이 발현되어 소자의 효율을 결정하게 된다. 예를 들어, 반도체 나노막대의 장축방향으로의 전하수송능력을 앙상블에서 극대화시키기 위해서는 입자간 끝과 끝을 연결한 네트워크 형상의 자기조립구조가 필요하다. 하지만 나노막대입자는 옆면끼리의 상호작용력이 크게 작용하기 때문에 열역학적으로 입자의 말단끼리 더 큰 인력을 갖는 것은 선호되지 않는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 모세관력을 자기조립 시스템에 도입하여 나노막대입자들이 스스로 말단방향으로 이끌려 네트워크 구조를 이룰 수 있도록 유도하였다. 이를 통해 실현된 네트워크 자기조립구조는 초대면적, 단일층으로 제작가능하기 때문에 필름형 전기소자에 적용되어 높은 전기적 특성을 보일 것으로 기대된다.
반도체 나노막대입자의 대표적인 특성인 선형편광발광 특성을 앙상블에서 극대화시키기 위해서는 구성하는 모든 나노막대입자들이 한 방향을 바라보는 스멕틱 자기조립구조가 필요하다. 스멕틱 형태의 자기조립구조를 위한 연구가 활발이 진행되어왔음에도 불구하고 여전히 조립면적이 매우 작고 두께가 불균일하여 실제 편광발광소자에 적합하지 않았다. 본 연구에서는 공기/용액 계면과 나노막대 사이에 인력을 도입하여 초대면적, 단일층의 스멕틱 나노막대 자기조립구조를 제작할 수 있었다. 이 구조는 필름형 편광발광소자에 사용되어 높은 편광특성을 보일 것으로 기대된다.
