단일 광자를 방출하는 페로브스카이트 양자점

박진석 기자 | 기사입력 2015/09/11 [17:07]

단일 광자를 방출하는 페로브스카이트 양자점

박진석 기자 | 입력 : 2015/09/11 [17:07]

로스앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)와 뉴멕시코 대학(University of New Mexico)의 연구진은 각각의 페로브스카이트 양자점이 광자를 방출하는 효율적인 상온 단일-광자원(양자 방출기)으로 활용될 수 있다는 것을 증명했다. 이 재료들은 디스플레이에 적용할 수 있는 광발광 다이오드로 사용될 수 있다.
“우리 연구진은 나노결정 또는 양자점이라고 알려진 나노크기 반도체 입자의 개발 및 분광 특성을 조사하는데 연구 초점을 맞추었다”고 이 연구를 이끌었던 Victor Klimov가 말했다. “이런 나노크기 재료의 이전 연구를 기반으로 할 때, 우리는 그들의 조성이 크기 또는 형상보다 덜 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다. 양자점은 그들의 조성에 거의 민감하지 않는 크기 의존성을 가질 수 있다. 페로브스카이트 양자점에 대한 우리의 새로운 연구는 이런 일반적인 개념을 재확인시킨다”고 Klimov가 덧붙였다.
유기금속 트리할라이드(Organometal trihalide) 페로브스카이트 반도체는 (CH3NH3)PbX3의 화학식을 가진다. 여기서 Pb는 납이고 X는 요오드, 브롬, 염소이다. 이런 재료로 만들어진 태양전지의 전력 전환 효율은 지난 5년 동안에 4% 이하에서 20% 이상까지 증가했다. 태양전지 이외에도 그들은 포토닉스와 관련된 분야에 유망하게 적용되고 있다. 페로브스카이트로 만들어진 양자점은 다른 재료로 만들어진 양자점과 동일한 방법으로 작동한다. “실제로, 우리는 그들이 광자를 방출하는 단일-광자원 또는 양자 이미터(quantum emitter)로서 작동할 수 있다는 것을 관찰했다. 다른 유형의 콜로이드 양자점에서 관찰된 것처럼, 우리는 상온에서 발생하는 이런 반응이 다른 유형의 단일-광자 이미터에도 필요하다는 것을 발견했다”고 Klimov가 말했다.
이번 연구진은 올해 초 스위스 연방 공과대학(ETH Zurich)의 연구진에 의해서 개발된 콜로이드 방식으로 페로브스카이트 양자점을 제조했다. 이 양자점은 약 10nm의 측면 길이를 가진 입방형 나노결정이다. “그들의 크기를 조절하기 위해서 우리는 음이온(할로겐) 구성요소의 조성을 변화시켰고, 결국 그들이 방출하는 색상을 조절할 수 있었다”고 Klimov가 말했다. “예를 들어, 브롬계 입자(CsPbBr3)는 약 510nm(시안)의 빛을 방출하고, 요오드계 나노결정은 약 680nm(적색)의 빛을 방출한다. 요오드와 브롬의 화합물(CsPbIxBr3-x)을 사용해서, 우리는 두 개 사이의 모든 색상을 달성할 수 있었다”고 Klimov가 덧붙였다.
이런 양자점의 또 다른 흥미로운 특성은 이온-교환 반응에 의해서 음이온의 조성을 쉽게 조절할 수 있다는 것이다. 이것은 방출 색상을 제어할 수 있는 간단하면서 실용적인 방법으로 사용될 수 있다. “이것은 CdSe와 CdTe와 같은 II-VI 반도체를 기반으로 하는 기존의 양자점에서는 상당히 어렵다”고 Klimov가 말했다. 이번 연구진에 따르면, 이런 양자점은 디스플레이 속에 적용할 수 있는 광발광 다이오드에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
“이런 양자점은 레이저로 사용될 수 있지만, 즉시 적용될 수는 없을 것”이라고 Klimov가 말했다. “다른 유형의 양자점처럼, 이것도 비방사 오제 재결합(nonradiative Auger recombination)이라는 큰 문제를 가지고 있다. 이것은 광 이득(optical gain)의 지극히 빠른 결핍을 이끈다”고 Klimov가 언급했다.
양자점의 광안전성을 향상시키는 것은 매우 어렵다. “이 연구의 경우에, 우리는 페로브스카이트 양자점이 저하되는 경향을 가진다는 것을 발견했다. 이런 문제는 이 재료의 벌크 및 나노구조 형태에서 동시에 나타났다”고 Klimov가 덧붙였다. “이것을 극복하는데 콜로이드 나노구조에 대한 이전 연구가 도움이 되었다. 이 분야에 종사하는 과학자들은 납 기반의 구조를 포함하는 많은 유형의 지극히 민감한 재료의 불안정성 문제를 성공적으로 해결했다. 우리는 페로브스카이트 나노구조에 이런 첨단 방법들을 적용할 수 있기를 기대하고 있고, 이것은 이런 재료의 실제 적용에 큰 도움을 줄 것”이라고 Klimov가 언급했다. 이 연구결과는 저널 ACS Nano에 “Room Temperature Single-Photon Emission from Individual Perovskite Quantum Dots” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acsnano.5b04584).<출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
 
 
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