In this work, facile synthesis of bright CdS/CdSe/CdS@$SiO_2$ nanoparticles with 72% of quantum yields (QYs) retaining ca. 80% of the original QYs is presented. The main innovative point is the utilization of the highly luminescent CdS/CdSe/CdS seed/spherical quantum well/shell (SQW) as silica coating seeds. The significance of inorganic semiconductor shell passivation and structure design of quantum dots (QDs) for obtaining bright QD@$SiO_2$ is demonstrated by applying silica encapsulation via reverse micro-emulsion method to three kinds of QDs with different structure: CdSe core and 2 nm CdS shell (CdSe/CdS-thin); CdSe core and 6 nm CdS shell (CdSe/CdS-thick) and CdS core, CdSe intermediate shell and 5 nm CdS outer shell (CdS/CdSe/CdS-SQW). Inevitably lower photoluminescence quantum yield (PL QY) than pristine QDs Due to formation of surface defects.However, the retaining ratio of pristine QY is different in the three silica coated samples; CdSe/CdS-thin/$SiO_2$ shows the lowest retain ratio (36%) while the retaining ratio of pristine PL QY in CdSe/CdS-thick/$SiO_2$ (84%) and SQW/$SiO_2$ (80%) appears to be. Thick outermost CdS shell isolates the excitons from the defects at surface, making PL QY relatively insensitive to silica encapsulation. The bright $SiO_2$-coated SQW sample shows robustness against harsh conditions, such as acid etching and thermal annealing. The high luminescence and long-term stability highlights the potential of using the SQW/SiO2 nanoparticles in bio-labelling or display applications.
본 연구는 고효율, 고안정성의 CdS / CdSe / CdS @ SiO2 나노 입자 합성에 대한 연구이며, 고효율의 CdS / CdSe / CdS 시드 / 구형 양자 우물 / 셸 (SQW) 구조를 발광체로 이용하여 실리카 코팅을 통해 안정성을 향상한 것이 핵심이다. 실리카 코팅 결과 합성 된 CdS / CdSe / CdS @ SiO2 나노 입자는 72%의 높은 양자 효율(PL QY)을 가졌으며 이는 발광체의 최초 발광 효율의 80%에 달한다. 무기 반도체 쉘 (SiO2) 을 이용한 양자점 (QD)의 안정성 향상 효과와 이를 극대화 하기 위한 양자점의 구조의 중요성을 입증하기 위해 쉘의 구조가 다른 세 종류의 코어/쉘 양자점 (CdSe/CdS-thin, CdSe/CdS-thick, CdS/CdSe/CdS-SQW) 을 이용하여 QD @ SiO2 입자를 합성하였다. 양자점에 실리카 코팅을 진행할 경우 반응 과정에서 양자점의 표면 결함이 생성되기 때문에 발광 효율의 감소가 일어난다. 본 연구에서는 양자점의 구조에 따라 발광 효율의 감소 정도가 달라지는 것을 확인하였다. 두꺼운 쉘을 가지는 양자점을 사용한 경우 발광 효율을 높은 수준으로 유지하였으며 ( CdSe / CdS-thick @ SiO2 (84%), SQW @ SiO2 (80%) ) , 얇은 쉘을 가지는 양자점의 경우 발광 효율의 감소가 가장 컸다 ( CdSe / CdS-thin @ SiO2 (36%). 이는 두꺼운 CdS 쉘 층이 실리카 코팅 반응 시 생성된 표면 결함으로부터 엑시톤을 효과적으로 보호해주기 때문이다. 실리카 코팅 된 SQW 입자는 강산 및 고온 환경과 같은 열악한 조건에서도 높은 안정성을 보였다. 따라서 높은 발광 효율 및 장기 안정성을 가지는 SQW @ SiO2 입자는 바이오 라벨링 또는 디스플레이 응용에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.
