[논문]InP 코어 합성온도에 따른 InP/ZnS의 코어/쉘 양자점의 발광특성

서한욱; 정다운; 김민영; 현승균; 온지선; 김범성

doi:10.4150/kpmi.2017.24.4.321

InP 코어 합성온도에 따른 InP/ZnS의 코어/쉘 양자점의 발광특성
Luminescence Properties of InP/ZnS Quantum Dots depending on InP Core synthesis Temperature 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.24 no.4, 2017년, pp.321 - 325

서한욱 (한국생산기술연구원 한국희소금속산업센터) , 정다운 (한국생산기술연구원 한국희소금속산업센터) , 김민영 (한국생산기술연구원 한국희소금속산업센터) , 현승균 (인하대학교 재료공정공학부) , 온지선 (한국생산기술연구원 한국희소금속산업센터) , 김범성 (한국생산기술연구원 한국희소금속산업센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigate the optical properties of InP/ZnS core/shell quantum dots (QDs) by controlling the synthesis temperature of InP. The size of InP determined by the empirical formula tends to increase with temperature: the size of InP synthesized at $140^{\circ}C$ and $220^{\circ}C$ is 2.46 nm and 4.52 nm, respectively. However, the photoluminescence (PL) spectrum of InP is not observed because of the formation of defects on the InP surface. The growth of InP is observed during the deposition of the shell (ZnS) on the synthesized InP, which is ended up with green-red PL spectrum. We can adjust the PL spectrum and absorption spectrum of InP/ZnS by simply adjusting the core temperature. Thus, we conclude that there exists an optimum shell thickness for the QDs according to the size.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

때문에 쉘(ZnS) 물질을 추가하는 방식의 구조적 변화 없이 코어만으로 광학특성을 평가하기 어려운 문제점을 가지고 있다[10]. 본 논문에서는 대표적 비카드뮴계 양자점인 InP를 코어로 선택하고 코어와 격자 불일치도(lattice mismatch)가 9%인 ZnS를쉘로 선택하여 코어(InP)의 합성조건이 최종 InP/ZnS 양자점의 발광특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 전구체의 변화 및 환경적 변수 없이 코어 합성온도만을 조절하여 가시광선 영역의 파장을 구현 하였다.
본 연구에서는 코어의 합성온도의 변화가 코어/쉘에 미치는 영향을 조사하기 위해 대표적 비카드뮴계 양자점인 InP 를 대상으로 코어/쉘 구조를 합성하였다. 합성 온도를 조절하여 30분간 InP 양자점을 합성한 결과 140℃에서 합성된 코어(InP)는 2.

제안 방법

전구체의 변화 및 환경적 변수 없이 코어 합성온도만을 조절하여 가시광선 영역의 파장을 구현 하였다. 쉘(ZnS)의 합성조건을 고정하고 코어의 합성온도를 변수로 합성된 양자점의 발광거동을 해석하였다.
쉘(ZnS) 합성에 의해 발광효율이 증가되는 이유는 코어(InP)의 표면에 존재하는 표면결함이 부동태화(passivation) 효과로 판단된다. 실험적으로 적용된 식과 유사한 크기의 양자점 합성에 성공하였고, 이러한 결과는 TEM을 통해 확인하였다.
090 범위에서 측정하였다. 양자점의 발광특성은 광루미네선스(PL;Photoluminescence, Maya 2000-pro)를 사용하여 해석하였고 투과전자현미경(TEM, Tecnai-TF20, FEI, Hillsboro, OR)을 활용하여 합성된 양자점의 미세구조를 분석하였다.
본 논문에서는 대표적 비카드뮴계 양자점인 InP를 코어로 선택하고 코어와 격자 불일치도(lattice mismatch)가 9%인 ZnS를쉘로 선택하여 코어(InP)의 합성조건이 최종 InP/ZnS 양자점의 발광특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 전구체의 변화 및 환경적 변수 없이 코어 합성온도만을 조절하여 가시광선 영역의 파장을 구현 하였다. 쉘(ZnS)의 합성조건을 고정하고 코어의 합성온도를 변수로 합성된 양자점의 발광거동을 해석하였다.
코어의 합성온도를 변수로 제조된 양자점의 흡광 특성은 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis Spectrometer, OPTIZEN2120UV, 365 nm)를 사용하여 흡광도 0.081-0.090 범위에서 측정하였다. 양자점의 발광특성은 광루미네선스(PL;Photoluminescence, Maya 2000-pro)를 사용하여 해석하였고 투과전자현미경(TEM, Tecnai-TF20, FEI, Hillsboro, OR)을 활용하여 합성된 양자점의 미세구조를 분석하였다.
0 ml를 아르곤(Ar) 분위기에서 120℃ 1시간 동안 탈가스(de-gassing)와 동시에 용해시켰다. 탈가스를 마친 전구체 용액을 각각 140, 160, 180 및 220℃ 까지 승온 시킨 후 빠르게 인(P) 전구체를 투입하고 30분 간 합성하였다. 합성된 InP 코어에 황(S) 전구체를 빠르게 주입하고 220℃까지 승온시킨 후 Zn 전구체를 서서히 주입하여 5시간 동안 쉘(ZnS)을 합성 하였다.

대상 데이터

(99%, Sigma-Aldrich)을 사용하였고 용매로는 Oleyamine (70%, Sigma-Aldrich)을 선택하여 실험하였다. 더불어 코어의 균일한 성장과 성장속도를 높인다고 알려진 ZnCl₂ (99%, Sigma-Aldrich)를 사용하였다[11]. 인(P)전구체로는 Tris(diethylamin)phospine (97%, Sigma-Aldrich)를사용하였다.
본 연구에서는 InP/ZnS 양자점을 합성하기 위한 인듐(In) 전구체로 InCl₃ (99%, Sigma-Aldrich)을 사용하였고 용매로는 Oleyamine (70%, Sigma-Aldrich)을 선택하여 실험하였다. 더불어 코어의 균일한 성장과 성장속도를 높인다고 알려진 ZnCl₂ (99%, Sigma-Aldrich)를 사용하였다[11].
더불어 코어의 균일한 성장과 성장속도를 높인다고 알려진 ZnCl₂ (99%, Sigma-Aldrich)를 사용하였다[11]. 인(P)전구체로는 Tris(diethylamin)phospine (97%, Sigma-Aldrich)를사용하였다. 황(S) 전구체는 8 mL 의 Trioctylphospine 용액에 황(S) 분말 12.

성능/효과

그림 1(a)는 합성온도에 따른 InP의 최대 흡수파장, 그림 (b)는 발광 파장을 나타낸다. 그림 1(a)의 분광광도계 결과에 의하면 합성 온도가 140℃에서 220℃로 증가함에 따라 코어(InP)의 흡수 파장이 427 nm에서 607 nm의 장파장 영역으로 증가하는 것을 알 수 있다. 흡수파장의 증가거동으로 보아 220℃ 이후에는 증가속도가 점차 포화상태에 이를 것으로 판단된다.
이는 코어(InP)의 합성온도 조절만으로 가시광선 파장 영역에서 발광하는 양자점의 합성과 제어가 가능한 것을 의미한다. 가장 높은 양자효율을 갖는 합성조건은 160℃에서 합성된 코어(InP)에 쉘(ZnS)을 합성한 경우이며 코어의 크기에 따라 최적의 쉘(ZnS) 두께가 존재한다는 것을 알 수 있었다. 쉘(ZnS) 합성에 의해 발광효율이 증가되는 이유는 코어(InP)의 표면에 존재하는 표면결함이 부동태화(passivation) 효과로 판단된다.
0%를 측정되었다. 가장 높은 양자효율을 갖는 합성조건은 단일 코어(InP)를 160℃에서 합성한 조건으로 같은 조건의 쉘(ZnS)이 합성된 경우로 가정하면 코어의 크기에 따라 최적의 쉘(ZnS) 두께가 존재한다는 것을 알 수 있었다[15, 16]. 220℃에서 합성된 InP/ZnS 의 양자효율은 11%로 상대적으로 다른 온도에 합성된 양자점에 비해 낮은 경향을 보인다.
이것은 합성된 입자들이 양자구속효과에 의해 밴드갭 에너지가 증가한 양자점 거동을 보이는 시료임을 의미한다. 계산된 양자점의 크기는 합성온도가 증가함에 따라 2.46 nm에서 4.52 nm로 성정함을 알 수 있었다. 밴드갭 에너지의 감소경향과 입자크기의 증가 경향으로 보아 220℃이후의 코어(InP)의 합성온도 증가는 가시광선 영역의 발광특성을 갖는 양자점 합성의 변수로 적합하지 않음을 알 수 있었다.
따라서 밴드갭 에너지는 2.22~1.92 eV의 저에너지 구간으로 이동하였으며 코어/쉘 구조의 합성과정에서 양자점 입자의 크기가 3.7~4.9 nm로 추가 성장하였음을 알 수 있었다. 이러한 쉘(ZnS)의 합성과정에서 발생하는 코어(InP) 성장이 되는 현상은 본 학회지를 통해 보고한 바 있다[14].
이것은 코어(InP)의 합성온도 조절만으로 가시광선 파장에서 발광하는 비카드뮴계 양자점의 합성과 제어가 가능한 것을 의미한다. 또한, 표 2에서는 각 온도에서 합성된 양자점의 양자효율(QY: Quantum yield)은 35.0, 40.0%, 23.5% 및 11.0%를 측정되었다. 가장 높은 양자효율을 갖는 합성조건은 단일 코어(InP)를 160℃에서 합성한 조건으로 같은 조건의 쉘(ZnS)이 합성된 경우로 가정하면 코어의 크기에 따라 최적의 쉘(ZnS) 두께가 존재한다는 것을 알 수 있었다[15, 16].
52 nm로 성정함을 알 수 있었다. 밴드갭 에너지의 감소경향과 입자크기의 증가 경향으로 보아 220℃이후의 코어(InP)의 합성온도 증가는 가시광선 영역의 발광특성을 갖는 양자점 합성의 변수로 적합하지 않음을 알 수 있었다.
그림 3(a)와 3(b)는 본 연구의 최저 온도변수 (140℃)과최대 온도변수 (220℃) 조건에서 합성된 양자점을 투과전자현미경으로 관찰한 미세구조 결과이다. 최대 온도변수에서 합성된 양자점의 크기가 최저 온도변수에서 합성된 양자점에 비해 성장이 많이 일어났음을 알 수 있었다.합성된 양자점은 구형이 아닌 타원형 및 불규칙한 원형의 형상을 가지고 있었으며 비교적 균일한 크기 분포를 가지고 있었다.
본 연구에서는 코어의 합성온도의 변화가 코어/쉘에 미치는 영향을 조사하기 위해 대표적 비카드뮴계 양자점인 InP 를 대상으로 코어/쉘 구조를 합성하였다. 합성 온도를 조절하여 30분간 InP 양자점을 합성한 결과 140℃에서 합성된 코어(InP)는 2.46 nm, 220℃ 조건에서 합성된 코어(InP)는 4.52 nm를 나타냈으며 합성온도를 높아짐에 따라 양자점의 크기가 커진다는 것을 확인하였다. 합성된 코어(InP)는 표면결함에서 전하가 트랩되는 현상이 발생했기 때문에 흡수한 에너지가 발광에 기여하지 않는 것으로 해석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자점의 특성과 적용분야는?	반도체 나노입자인 양자점은 양자구속효과로 인해 벌크상태의 특성과 달리 입자의 크기에 따라 불연속적인 에너지 밴드갭을 가지며 같은 물질을 크기 조절만으로 발광파장 조절이 가능하다. 이러한 특성을 활용하여 광학제품,의학제품, 디스플레이 제품에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-4]. 대표적으로 카드뮴(Cd)을 주원료로 한 II-IV 족 양자점인 CdSe의 경우 다른 양자점과 비교하여 상대적으로 발광 특성이 우수할 뿐 아니라 장기간 안정한 특징 때문에 주목을 받아 왔다.
	Cd의 단점은?	대표적으로 카드뮴(Cd)을 주원료로 한 II-IV 족 양자점인 CdSe의 경우 다른 양자점과 비교하여 상대적으로 발광 특성이 우수할 뿐 아니라 장기간 안정한 특징 때문에 주목을 받아 왔다. 그러나, Cd의 인체 유해성 및 환경오염 문제가 지속적으로 제기됨에 따라 Cd계 양자점을 대체할 상용 비카드뮴계(Cd-free) 반도체 양자점의 개발이 시급한 실정이다[5]. 비카드뮴계 양자점으로 주목 받고 있는 대표적인 물질은 InP과 ZnSe로 Cd계 양자점과 유사한 광학적 특성을 가지며 가시광선 영역 전 범위 발광이 가능하다[6, 7].
	비카드뮴계(Cd-free) 반도체 양자점의 대표적인 물질은?	그러나, Cd의 인체 유해성 및 환경오염 문제가 지속적으로 제기됨에 따라 Cd계 양자점을 대체할 상용 비카드뮴계(Cd-free) 반도체 양자점의 개발이 시급한 실정이다[5]. 비카드뮴계 양자점으로 주목 받고 있는 대표적인 물질은 InP과 ZnSe로 Cd계 양자점과 유사한 광학적 특성을 가지며 가시광선 영역 전 범위 발광이 가능하다[6, 7]. 또한, 구조적 관점에서 고효율 고안정의 특성을 갖는 양자점을 합성하기 위해 서는 코어(Core)의 표면결함 등으로 인한 효율저하를 방지하기 위해 코어/쉘(Core/Shell) 구조가 적합하다고 알려져 있다[8].

참고문헌 (16)

C. B. Murray, D. J. Noms and M. G. Bawendi: J. Am. Chem. Soc., 115 (1993) 8706.

상세보기
V. L. Colvin, M. C. Schlamp and A. P. Alivisatos: Nature, 370 (1994) 354.

상세보기
H. S. Hong, K. S. Park, C. G. Lee, B. S. Kim, L. S. Kang and Y. H. Jin: J. Korean Powder Metall. Inst., 19 (2012) 6.

원문보기 상세보기
O. I. Micic, C. J. Curtis, K. M. Jones, J. R. Sprague and A. J. Nozik: J. Phys. Chem., 98 (1994) 4966.

상세보기
J. Lovri？, S. J. Cho, F. M. Winnik and D. Maysinger: Chem. & Bio., 12 (2005) 1227.

상세보기
S. Tamang, C. Lincheneau, Y. Hermans, S. Jeong and P. Reiss: Chem. Mater., 28 (2016) 2491.

상세보기
O. I. Micic, H. M. Cheong, H. Fu, A. Zunger, J. R. Sprague, A. Mascarenhas and A. J. Nozik: J. Phys. Chem. B, 101 (1997) 4904.

상세보기
S. Haubold, M. Haase, A. Kornowski and H. Weller: Chem. Phys. Chem., 2 (2001) 331.

상세보기
J. D. Dow and R. E. Allen: J. Vac. Sci. & Tech., 20 (1982) 659.

상세보기
S. Adam, D. V. Talapin, H. Borchert, A. Lobo, C. McGinley, A. R. B. de Castro, M. Haase, H. Weller and T. Moller: J. Chem. Phys., 123 (2005) 084706.

상세보기
W. S. Song, H. S. Lee, J. C. Lee, D. S. Jang, Y. Choi, M. Choi and H. Yang: J. Nanoparticle. Res., 15 (2013) 1750. Zn

상세보기
P. Reiss, M. Protiere and L. Li: Small Mol., 5 (2009) 154.

상세보기
H. W. Seo, D. W. Jung, B. Lee, S. K. Hyun and B. S. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 24 (2017) 451.
J. R. Dethlefsen and A. Dossing: Nano lett., 11 (2011) 1964.

상세보기
X. Yang, D. Zhao, K. S. Leck, S. T. Tan, Y. X. Tang, J. Zhao, H. V. Demir and X. W. Sun: Adv. Mater., 24 (2012) 4180.

상세보기
K. Kim, D. Yoo, H. Choi, S. Tamang, J. H. Ko, S. Kim, Y. H. Kim and S. Jeong: Angew. Chem. Int. Ed., 55 (2016) 3714.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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