양자점은 정렬된 물질을 형성합니다. 새로운 세대의 광전자 애플리케이션을 위한 길 찾기 날짜: 2022년 11월 1일 원천: 흐로닝언 대학교 요약: 양자점은 하나의 큰 '초원자' 역할을 하는 약 1,000개의 원자 클러스터입니다. 이러한 점의 크기를 변경하는 것만으로 이러한 점의 전자적 특성을 정확하게 설계할 수 있습니다. 자기 조직화를 통해 전도성이 높은 광전자 메타물질을 만드는 데 성공했다.
양자점은 하나의 큰 '초원자' 역할을 하는 약 1,000개의 원자 클러스터입니다. 이러한 점의 크기를 변경하는 것만으로 이러한 점의 전자적 특성을 정확하게 설계할 수 있습니다. 그러나 기능적인 장치를 만들기 위해서는 수많은 점들이 결합되어 새로운 재료가 되어야 합니다. 이 과정에서 점의 속성이 자주 손실됩니다. 이제 흐로닝언 대학교 광물리학 및 광전자공학 교수인 Maria Antonietta Loi가 이끄는 팀이 자기 조직화를 통해 전도성이 높은 광전자 메타물질을 만드는 데 성공했습니다. 메타물질은 10월 29일 발행된 Advanced Materials 저널에 설명되어 있습니다.
PbSe(납 셀렌화물) 또는 PbS(납 황화물)의 양자점은 단파장 적외선을 전류로 변환할 수 있습니다. 이것은 감지기 또는 통신용 스위치를 만드는 데 유용한 속성입니다. '하지만 점 하나가 장치를 만드는 것은 아니다. 그리고 도트가 결합될 때 어셈블리는 개별 도트의 고유한 광학적 특성을 잃거나 유지하더라도 전하 캐리어를 운반하는 능력이 매우 나빠지는 경우가 많습니다.'라고 Loi는 설명합니다. '점들로 질서정연한 물질을 만들기 어렵기 때문이다.'
정렬된 레이어
Loi는 Groningen 대학 과학 및 공학부의 Zernike Institute for Advanced Materials의 동료들과 협력하여 양자점의 콜로이드 용액에서 메타물질을 생산할 수 있는 방법을 실험했습니다. 크기가 각각 약 5~6나노미터인 이 점들은 광학적 특성을 유지하면서 정렬된 배열로 조립될 때 매우 높은 전도성을 나타냅니다.
'우리는 문헌에서 점이 2차원의 정렬된 층으로 자가 조직될 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 우리는 이것을 3D 재료로 확장하고 싶었습니다'라고 Loi는 말합니다. 이를 달성하기 위해 그들은 콜로이드 양자점의 '매트리스' 역할을 하는 액체로 작은 용기를 채웠습니다. '액체의 표면에 소량을 주입하여 2D 물질을 만들었습니다. 그런 다음 더 많은 양의 양자점을 추가하면 정렬된 3D 물질이 생성되는 것으로 나타났습니다.'
초격자
도트가 액체에 잠겨 있지 않고 표면에서 자체 배향되어 낮은 에너지 상태를 달성합니다. '점들은 잘린 입방체 모양을 하고 있고, 그것들이 모이면 3차원에서 질서정연한 구조를 형성한다. 점이 결정의 원자처럼 작용하는 초격자'라고 Loi는 설명합니다. 양자점 슈퍼 원자로 구성된 이 초격자는 양자점 어셈블리에 대해 보고된 가장 높은 전자 이동도를 나타냅니다.
감지기
새로운 메타물질이 어떻게 생겼는지 확인하려면 특별한 장비가 필요했습니다. 연구팀은 원자 분해능을 가진 전자현미경을 사용하여 물질의 세부사항을 보여주었다. 그들은 또한 Grazing-incidence small angle X-ray scattering이라고 불리는 기술을 사용하여 물질의 대규모 구조를 '이미지화'했습니다. Loi는 '두 기술 모두 Zernike Institute에서 사용할 수 있으며, 이는 각각 동료 Bart Kooi와 Giuseppe Portale 덕분에 큰 도움이 되었습니다.'라고 Loi는 말합니다.
물질의 전자적 특성을 측정한 결과 벌크 반도체와 매우 유사하지만 점의 광학적 특성이 있음을 알 수 있습니다. 따라서 이 실험은 양자점을 기반으로 하는 새로운 메타물질을 만드는 길을 열어줍니다. 적외선에 대한 본 연구에서 사용된 점의 감도는 통신 장치용 광 스위치를 만드는 데 사용할 수 있습니다. '그리고 그들은 또한 야간 투시경 및 자율 주행을 위한 적외선 감지기에 사용될 수 있습니다.'
ERC 그랜트
Loi는 실험 결과에 매우 만족합니다. '사람들은 1980년대부터 이것을 달성하기를 꿈꿔왔습니다. 그만큼 양자점을 기능성 물질로 조립하려는 시도가 있었던 것이다. 우리가 달성한 구조와 속성의 제어는 우리의 가장 거친 기대 이상이었습니다.' Loi는 현재 양자점에서 확장된 초격자를 구축하기 위한 기술을 이해하고 개선하기 위해 노력하고 있지만 최근에 유럽 연구 위원회(European Research Council)로부터 고급 보조금을 받은 다른 빌딩 블록으로도 그렇게 할 계획입니다. '우리의 다음 단계는 재료를 더 완벽하게 만들고 이를 사용하여 광검출기를 제작하기 위해 기술을 개선하는 것입니다.'