ERH 취리히 (ETH Zurich), IBM 취리히 연구소 (IBM Research Zurich), 엠파 (Empa)와 4 개의 미국 연구 기관의 국제 연구팀은 최근 몇 년 동안 집중적으로 연구된 나노 결정이 왜 그렇게 선명한 색상으로 빛나는지에 대한 메카니즘을 발견했다. 나노 결정은 페로브스카이트 격자 구조로 배열된 세슘 납 할로겐 화합물을 함유하고 있다.

3 년 전, 연구팀은 이 반도체 소재로부터 나노 결정 또는 양자점을 생성하는데 성공했다. 이 작은 결정들은 지금까지 연구된 다른 유형의 양자점보다 밝고 빠른 광원을 방출하는 매우 밝고 빠른 것으로 입증되었다. 화학 원소의 조성과 나노 입자의 크기를 변화시킴으로써, 전체 가시 스펙트럼의 색상으로 밝혀지는 다양한 나노 결정을 생산하는데 성공했다. 따라서 이러한 양자점은 미래의 발광 다이오드 및 디스플레이의 구성 요소가 될 것으로 기대된다.

과학 잡지인 네이쳐 (Nature, "("Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites") 최신판에 발표된 연구에서 국제 연구팀은 이러한 나노 결정을 개별적으로 상세히 조사했다. 과학자들은 나노 결정이 매우 신속하게 빛을 내는 것을 확인할 수 있었다.

이전에 연구된 양자점은 일반적으로 이미 매우 빠른 실내 온도에서 여기된 후 약 20 나노초의 빛을 방출한다. 그러나, 세슘 납 할로겐화물 양자점들은 불과 1 나노초 후에 실온에서 빛을 방출한다.

왜 세슘 납 할로겐화물 양자점이 빛 입자 (광자) 및 전자 등 개별 원자로 빠르게 빠져 나가는지 이해해야 한다. 광자를 사용하여 반도체 나노 결정을 여기시켜 전자가 결정 격자의 원래 자리를 떠나 홀을 남길 수 있다. 결과는 여기된 에너지 상태의 전자-홀 쌍이다. 전자-홀 쌍이 에너지 바닥 상태로 되돌아 가면 빛이 방출된다.

특정 조건 하에서는 다른 여기 에너지 상태가 가능하다. 많은 물질에서 이러한 상태 중 가장 가능성이 높은 것은 어두운 상태라고 한다. 이러한 어두운 상태에서 전자 홀 쌍은 에너지 바닥 상태로 즉시 되돌릴 수 없으므로 빛 방출은 억제되고 지연된다. 이것이 밝기를 제한한다.

연구진은 세슘 납 할라이드 양자점이 다른 양자점과 다른 것을 보여줄 수 있었다. 가장 가능성있는 여기 에너지 상태는 어두운 상태가 아니다. 여기 된 전자-홀 쌍은 빛을 즉시 방출할 수 있는 상태에 있음을 훨씬 쉽게 알 수 있다. 이것이 그들이 밝게 빛나는 이유이다.

연구자들은 워싱턴의 해군 연구소 (Naval Research Laboratory)의 이론 물리학자인 알렉산더 에플로스 (Alexander Efros)가 이끄는 이론적인 연구 덕분에 새로운 실험 데이터를 사용하여 결론에 도달했다. 그는 양자점 연구의 개척자이며, 35 년 전, 전통적인 반도체 양자점이 어떻게 기능하는지 설명하는 최초의 과학자 중 한 명이다.

조사된 세슘 납 할로겐화물 양자점은 밝기 뿐 만 아니라 생산 비용도 저렴하기 때문에 TV 디스플레이에 적용할 수 있으며 이를 위해 스위스와 전 세계 여러 회사에서 노력하고 있다. 이러한 양자점이 광자를 신속하게 방출할 수 있기 때문에 신속하고 작고 효율적인 구성 요소가 핵심인 데이터 센터 및 슈퍼 컴퓨터 내의 광통신에 특히 유용하다. 미래의 또 다른 응용 분야는 기초 연구 및 재료 과학에 매우 중요한 양자 시스템의 광학 시뮬레이션일 수 있다.

연구팀은 신소재 개발에 새로운 지식을 사용하는 데에도 관심이 있다. 또한 그들은 양자점이 왜 그렇게 밝은 지 이해하기 때문에 비슷하거나 더 우수한 특성을 가진 다른 물질을 공학적으로 연구할 계획이다.