Ultrafast Light-Material Interaction has been explored as next generation and future-oriented technology in nanomaterial society. This powerful technology has already contributed to a tremendous breakthrough in electronic device industry since they can provide the exceptional capability of nonequilibrium reactions within an extremely short time (ns ~ ms) for the meta-phase, which cannot be obtained under conventional thermal annealing.
For example, light-induced low-temperature poly-silicon (LTPS), inorganic thin film transistors (TFT), active matrix organic light-emitting diodes (AMOLEDs) and post-treatments of nanomaterial have been extensively explored as technological breakthrough of nano-technology. However, little works of direct nano-material synthesis was reported due to the difficulties of material selection, lack of basic principles and photo-synthetic mechanisms. It is essential to develop the light-induced direct material synthesis and post-treatment to overcome the thermodynamic limitation of conventional thermal techniques.
Here, we introduce the novel synthesis and post-treatment techniques using ultrafast light-material interaction for demonstrating the advanced semiconductor nano-materials, such as light-emitting quantum dots (QDs), molybdenum disulfide (MoS2), graphene oxide liquid crystal fibers (GOLC fibers), graphene. In addition, we are gonna talk about the diverse high performance electronic devices using the as-demonstrated nanomaterials via light-material interaction.
In chapter 1, the overall introduction of basic principles and related technologies for better understanding of this thesis.
In chapter 2, we report the first novel one-step metastable QD synthesis technique enabled by ultra-fast light-material interactions. The highly intensive xenon flash lamp (wavelength of ultraviolet ~ near-infrared) was employed to facilitate the sequential self-formation of metastable In2S3 QD nucleation, chemical doping and surface passivation using single phase precursor containing four reactive species (Ag+, Zn2+, In3+ and S2-). The synthesized 2.5 nm-sized In¬2S3 QD presented thermodynamically metastable cubic crystalline α-phase in room temperature. The first synthetic mechanism of light-induced QD was successfully verified by atomic-resolution transmission electron microscopy (Titan-TEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) analysis. The doping process and surface passivation was also proved using spectral analysis. The maximum photoluminescence quantum yield (PLQY) of QD was ~ 42 %, which was comparable optical properties compared to the previously reported stable phase In2S3 QDs. In order to theoretically figure out the light-absorbed plasmonic stimulation and localized surface plasmon (LSP), finite-difference time-domain (FDTD) simulation was performed. Finally, meta-QD based two-channel photo-detector was demonstrated for showing versatile and practical application.
In chapter 3, we report the innovative and brand-new synthesis technology of transition metal dichalcogenides (TMD) using full-wavelength ultrafast flash lamp irradiation. In order to synthesize the 10 nm-thick MoS2 using ultrafast flash irradiation, the noble metal Au heating layers with 80 nm thick was employed that could stimulate the synthesis, as well as N2/H2 (20 sccm/4 sccm) gas was continuously injected to make chemically reduction condition. The crystallinity of MoS2 was artificially controlled according to the number of flash irradiation from 1 pulse to 7 pulse during synthesis. Finally, the as-synthesized MoS2 based resistive random access memory (RRAM) with dot-patterned metal-inorganic-metal (MIM) structure was demonstrated.
In chapter 4, here we report the unique post-treatment technique of graphene oxide liquid crystal fiber (GOLCF) to demonstrate the heterogeneous Janus structure via ultrafast light-material interaction. Recently, Janus heterogeneous materials presenting two chemically different phases in one single material, have been spotlighted due to their extraordinary physical properties for expansion of electronic device application. In this work, the flash-irradiated heterogeneous GOLCF presented core/shell-like structure of oxidized GO and reduced GO (rGO) phasesr. The unique physical properties were successfully verified by spectral analysis (XPS, Raman) and finite elemental method (FEM) simulation. Finally, the ultra-high performance flexible humidity sensor was demonstrated. The outstanding performance of flexible sensor was validated from the comparison between rGO fiber humidity sensor via traditional thermal annealing. The humid-sensitivities of flash-induced GOLCF-based sensor displayed 5.95 times higher than that of the thermal-annealed device. To further evaluate the mechanical reliability of flexible gas sensor, repetitive measurements were performed up to 30 cycles at humidity level of 80.8 %, which exhibit a nice long-term stability.
초고속 빛-재료 상호 작용은 나노 소재 사회에서 차세대 및 미래 지향적 기술로 모색되었습니다. 이 강력한 기술은 기존의 열 어닐링으로는 얻을 수없는 메타 페이즈에 대해 극히 짧은 시간 (ns ~ ms) 내에 비평 형 반응의 탁월한 능력을 제공 할 수 있기 때문에 이미 전자 장치 산업에서 엄청난 혁신에 기여했습니다.
예를 들어, 광 유도 저온 폴리 실리콘 (LTPS), 무기 박막 트랜지스터 (TFT), 능동 매트릭스 유기 발광 다이오드 (AMOLED) 및 나노 물질의 후 처리는 나노 물질의 기술적 돌파구로 광범위하게 탐구되었습니다. 과학 기술. 그러나 물질 선택의 어려움, 기본 원리 및 광합성 메커니즘 부족으로 인해 직접 나노 물질 합성에 대한 연구는 거의보고되지 않았습니다. 기존 열 기술의 열역학적 한계를 극복하기 위해 광 유도 직접 재료 합성 및 후 처리를 개발하는 것이 필수적입니다.
여기에서는 발광 양자점 (QD), 몰리브덴 이황화물 (MoS2), 그래 핀 옥사이드 액정 섬유와 같은 첨단 반도체 나노 물질을 시연하기 위해 초고속 광물질 상호 작용을 이용한 새로운 합성 및 후 처리 기술을 소개합니다. GOLC 섬유), 그래 핀. 또한, 빛과 물질의 상호 작용을 통해 실증 된 나노 물질을 사용하는 다양한 고성능 전자 장치에 대해 이야기 할 것입니다.
1 장에서는이 논문의 이해를 돕기위한 기본 원리와 관련 기술을 전반적으로 소개합니다.
2 장에서는 초고속 광물질 상호 작용으로 가능해진 최초의 새로운 1 단계 준 안정 QD 합성 기술을보고합니다. 고강도 크세논 플래시 램프 (자외선 ~ 근적외선 파장)는 4 가지 반응성 종 (Ag +, Zn2 +, In3 + 및 Ag +, Zn2 +, In3 + 및)을 포함하는 단상 전구체를 사용하여 준 안정 In2S3 QD 핵 형성, 화학적 도핑 및 표면 패시베이션의 순차적자가 형성을 촉진하기 위해 사용되었습니다. S2-). 합성 된 2.5nm 크기의 In2S3 QD는 실온에서 열역학적으로 준 안정한 입방정 결정 α 상을 나타냈다. 광 유도 QD의 첫 번째 합성 메커니즘은 원자 분해능 투과 전자 현미경 (Titan-TEM) 및 주사 투과 전자 현미경 (STEM) 분석을 통해 성공적으로 검증되었습니다. 도핑 공정과 표면 패시베이션도 스펙트럼 분석을 사용하여 입증되었습니다. QD의 최대 광 발광 양자 수율 (PLQY)은 ~ 42 %였으며, 이는 이전에보고 된 안정적인 위상 In2S3 QD와 비교하여 유사한 광학 특성이었습니다. 광 흡수 플라즈몬 자극과 국소 표면 플라즈몬 (LSP)을 이론적으로 파악하기 위해 유한 차분 시간 영역 (FDTD) 시뮬레이션을 수행했습니다. 마지막으로 meta-QD 기반 2 채널 광 검출기는 다양하고 실용적인 응용을 보여주기 위해 시연되었습니다.
3 장에서는 전파 장 초고속 플래시 램프 조사를 사용하는 전이 금속 디칼 코게 나이드 (TMD)의 혁신적이고 새로운 합성 기술을보고합니다. 초고속 플래시 조사를 사용하여 10nm 두께의 MoS2를 합성하기 위해 합성을 자극 할 수있는 80nm 두께의 귀금속 Au 가열 층을 사용하고 N2 / H2 (20sccm / 4sccm) 가스를 지속적으로 주입했습니다. 화학적 환원 조건을 만듭니다. 합성 중 1 펄스에서 7 펄스까지 플래시 조사 횟수에 따라 MoS2의 결정도를 인위적으로 제어 하였다. 마지막으로, 도트 패턴 금속 무기 금속 (MIM) 구조를 가진 합성 된 MoS2 기반 저항성 랜덤 액세스 메모리 (RRAM)가 시연되었습니다.
4 장에서는 초고속 광물질 상호 작용을 통해 이종 야누스 구조를 입증하기 위해 산화 그래 핀 액정 섬유 (GOLCF)의 고유 한 후 처리 기술을보고합니다. 최근에는 하나의 단일 재료에 화학적으로 다른 두 가지 상을 나타내는 야누스 이종 재료가 전자 장치 응용 분야의 확장을위한 탁월한 물리적 특성으로 인해 각광을 받고 있습니다. 이 연구에서 플래시 조사 된 이종 GOLCF는 산화 된 GO 및 환원 된 GO (rGO) phasesr의 코어 / 쉘형 구조를 제시했습니다. 고유 한 물리적 특성은 스펙트럼 분석 (XPS, Raman) 및 유한 원소 방법 (FEM) 시뮬레이션을 통해 성공적으로 검증되었습니다. 마지막으로 초 고성능 플렉시블 습도 센서가 시연되었습니다. 유연한 센서의 뛰어난 성능은 전통적인 열 어닐링을 통해 rGO 섬유 습도 센서를 비교하여 검증되었습니다. 플래시 유도 GOLCF 기반 센서의 습도 감도는 열 어닐링 장치보다 5.95 배 더 높았습니다. 플렉서블 가스 센서의 기계적 신뢰성을 추가로 평가하기 위해 80.8 %의 습도 수준에서 최대 30주기까지 반복 측정을 수행하여 장기적인 안정성을 보여주었습니다.
