This dissertation aims to study the surface and interface properties of colloidal semiconductor nanocrystals based on the atomistic approach and first-principles calculations. For the colloidal nanocrystals with complex interfaces, atomic interfacial models are constructed based on the understandings of surface properties such as surface defects, doping, ligand bindings, etc. By analyzing the electronic structures and thermodynamic properties of the atomic models, the physicochemical properties of the nanocrystals such as energy levels, equilibrium shapes, and structural stabilities, have been controlled. The formation of the tetrahedrally-shaped InP quantum dots is demonstrated using the halide-amine co-passivation method. We further generalize the surface-ligand interactions in other covalent systems, and thus successfully describe the equilibrium shapes of the II-VI and III-V colloidal quantum dots. In III-V/II-VI core-shell quantum dots, we also construct the alloyed interfacial structures with the Coulombic lattice disorders via ion-doping. Furthermore, the origin of the enhanced structural stability of $CsPbBr_{3}$ nanocrystals due to the additional metal halides is revealed through the surface ligand transition. Lastly, we propose the piezoelectric quantum dot solids that can control the surface properties by the applied external pressure.
본 학위논문에서는 원자단위 접근법과 제일원리계산을 기반으로 콜로이드 반도체 나노결정의 표면 및 계면 특성을 고찰하였다. 복잡한 계면 구조를 갖는 콜로이드 나노결정들의 경우, 계면 결함, 도핑, 그리고 리간드 결합과 같은 계면 특성에 대한 이해를 바탕으로, 원자수준의 계면 모델을 설계하였다. 제안된 계면 모델의 전자구조 및 열역학적 분석을 통해 콜로이드 반도체 나노결정의 에너지 준위, 모양, 그리고 구조적 안정성과 같은 물리화학적 특성을 제어하였다. 사면체 모양을 갖는 인화인듐 양자점의 형성 기작을 할라이드-아민 동시안정화 방법을 통해 설명하였다. 이를 통해 공유 결합성 양자점의 계면 특성을 일반화하였고, 2-6 족 및 3-5 족 콜로이드 양자점의 모양 형성을 성공적으로 설명하였다. 또한, 3-5/2-6 족 코어-쉘 양자점에서 이온 도핑을 통한 쿨롱 격자 변형을 갖는 합금화된 계면 구조를 설계하였다. 뿐만 아니라 금속 할라이드 효과로 인한 무기 할라이드 페로브스카이트 나노결정의 향상된 구조적 안정성에 대한 원인을 표면 리간드 전이를 통해 설명하였다. 마지막으로 외부 압력을 이용하여 계면 특성을 제어할 수 있는 압전 양자점 고체 소재를 제안하였다.
