CdSe 양자점의 전기적 구조와 깜빡임 동역학의 주사터널링현미경 및 분광학 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 물리·천문학부(물리학전공), 2012. 8. 국양.양자점은 크기로 변화시킬 수 있는 에너지 갭으로 인해서 양자점 디스플레이나 생물학적 발광체나 광전소자 등의 많은 응용이 예측되고 있다. 이러한 응용에 있어서 가장 큰 걸림돌이 되는 것이 발광의 깜박임(blinking) 현상이다. 이 현상을 설명하기 위해 많은 모형이 제시되었지만, 그 기본적인 역학은 아직 제대로 이해되고 있지 못하다. 최근의 단일 양자점 광발광 실험에서 양자점 마다 다른 깜박임 형태를 측정한 이후로, 양자점에 대한 더 많은 국소적인 측정이 필요해 지고 있다. 주사형 터널링 현미경과 분광학 연구는 높은 공간 및 에너지 분해능으로 인해서 이러한 양자점간 변이를 측정하는 데 적합한 장비라고 할 수 있다. 이 연구에서는 양자점을 표면에 뿌리는 방법으로 펄스형 주사방법을 사용하였다. 이 방법을 통해서 CdSe핵과 ZnS 껍데기로 이루어진 양자점을 비활성 금속인 금, 반응성 좋은 금속인 니켈, 반응성이 없는 육각격자형 질화붕소 박막등에 뿌리는 데 성공하였다. 주사 터널링 분광학을 이용해서 측정된 양자점의 전자구조에 있어서 일부는 순이론적 계산결과와 일치하였지만, 대부분의 양자점은 예측 못했던 에너지 갭 안의 상태를 보여주었다. 더욱이 이러한 상태는 하나의 양자점 안에서도 1 나노미터 정도의 영역에 국소적으로 존재하였다. 깜박임 현상을 설명하는 여러 모형 중 일부는 외부 포획 상태를 동원해 깜박임을 설명하고 있다. 이 연구에서 측정된 상태는 외부 포획 상태에 상응하는 상태를 측정함으로써 이러한 모형들의 타당성을 더해 주었다. 우리는 더욱 근사한 포획상태의 분포를 이용한 모형을 세워 외부 포획 상태의 원인을 불완전하게 결합한 덧씌움 분자로 설명했다. 비록 양자점 표면에서의 덧씌움 분자는 관찰하지 못했지만, 터널링 분광학 실험에서 나타난 음미분저항 현상을 설명함으로써 덧씌움 분자가 터널링장벽을 만듦을 확인하였다. 이중 장벽에서 나타난 음미분저항에 대한 수치해석을 통해서 덧씌움 분자장벽의 두께도 확인할 수 있었다. 주사형 터널링 현미경과 광자 측정 장비를 결합 하여, 단일 양자점으로부터의 전류와 광자를 함께 측정한다면 깜박임 현상에 대한 많은 논쟁을 해결할 수 있을 것이다.Since Quantum Dot (QD) has a size-tunable energy gap, it has various promising applications like QD display, biological fluorophore and photo voltaic device. In the way of applications, the intermittency in fluorescence so called blinking hinders the efficient generation of photons. Various models are suggested to describe this phenomenon, but the fundamental mechanism is not fully understood yet. Recent single QD Photo Luminescence (PL) experiments revealed dot-to-dot variation in the blinking, so more local probings of QDs are required. Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Spectroscopy (STS) studies are adequate to observe such local variations of electrical properties for its high spatial and energy resolution. In this study, we used pulse injection method to deposit QDs on various surfaces. With the method, we deposited CdSe/ZnS core-shell type QDs capped with organic molecules on gold, nickel and hexagonal Boron Nitride (h-BN) thin film which are representatives of inert metal, reactive metal and inert insulator, respectively. And the electronic states are measured by STS. Though some QDs show electrical structure consistent with ab-initio calculation, most of QDs have some unexpected electrical states inside the gap region. Besides, such states have certain distribution on single QD surface and localized in about 1 nm range. Some blinking models suggested the existence of external trap states to explain the dark state of the blinking. The observed states can prove the validity of the trap models and suggest some improvements of the models with the information about the distribution of the trap states. With the realistic distribution of the trap states, we suggest a simple model which explains the origin of the trap state as an external defect with capping molecule bonded. Though the individual capping molecules are not resolved on QD surface, Negative Differential Resistance (NDR), observed at high tunneling current, proved the existence of a capping molecule barrier under the QD. Numerical simulation of the Double Barrier Tunneling Junction (DBTJ) reproduced the observed NDR and also provided the relevant thickness of capping molecule. By combining a photon detection system with STM, a simultaneous measurement of the tunneling current and photons from a single QD is possible, and it will end the long debates on the blinking mechanism.Abstract i Chapter 1 Quantum Dot and its Applications 1 1.1 Energy Levels of QD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Confined States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Excitonic States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Applications of QD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1 Synthesis of QD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Light Emitting Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Biological Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Blinking Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 Proposed Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.2 Trap States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Chapter 2 Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy 18 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Tunneling Current Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1 Tersoff-Hamann Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 Transfer Hamiltonian Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Tunneling Barrier Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.1 WKB Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.2 Single Barrier Tunneling Junction . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.3 Double Barrier Tunneling Junction . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 Scanning Tunneling Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.1 Local Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.2 Spatial Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Chapter 3 Experimental Techniques 27 3.1 Pulse Injection Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.1 Previous QD Deposition Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.2 Previous Results of Pulse Injection . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.3 Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.4 Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 Ingredients of QD Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Core-shell Type QD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.2 Properties of Deposited Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.3 Solvent Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.4 Deposition Rate Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3 Preparation of Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.1 Metal Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.2 Insulator Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Chapter 4 Electronic Structure of QD 48 4.1 Imaging QD with STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1.1 Determination of Tip Sharpness . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2 Electronic Structure of QDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.1 Metal Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.2 h-BN Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3 QD Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.1 Metal Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3.2 h-BN Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Chapter 5 External Trap States 66 5.1 Tunneling Spectra of External Trap States . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2 Possible Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Chapter 6 Modeling of Negative Differential Resistance 80 6.1 Observation of NDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.2 NDR Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2.1 Symmetry Matched Resonant Tunneling . . . . . . . . . . . . . 83 6.2.2 Double Barrier Tunneling Junction Effect . . . . . . . . . . . . 88 6.3 DBTJ Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.3.1 Potential Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.3.2 Calculation of Tunneling Conductance . . . . . . . . . . . . . . 94 Chapter 7 Imaging and Characterization of Capping Molecules 96 7.1 Importance of Capping Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2 Capping Molecules on Au(111) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.2.1 Images of Capping Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.3 Determination of Bonding Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.3.1 DFT Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.3.2 Rotational Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Appendices 112 Chapter A Calculation of DBTJ NDR model 113 A.1 Potential Distribution of STM junction . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 A.2 DBTJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Chapter B Hexagonal Boron Nitride Thin Film on Ni(111) 117 B.1 Various Defect Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 B.2 Gap States Observed on the Edge of h-BN . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Chapter C Design of Photon STM 122 초록 123 감사의 글 125Docto

Screening of DBT Degrading Microorganisms for Fossil Fuel Desulfurization

Maste

A study on the magnetic anisotropy change of CoTb amorphous alloy thin films depending on substrate effect

Maste

A study on thin film transistors with atomic layer deposition ZnO channel layer for transparent thin film transistor

Docto

Development of Molecular Markers Based on AFLP and MITE in Ginseng Species

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 식물생산과학부(작물생명과학전공), 2012. 8. 양태진.고려인삼(Panax ginseng C. A. Meyer)은 중요한 약리적 효능을 가진 오가과의 대표적 약용 작물이다. 고려인삼과 전칠삼 (중국삼), 화기삼 (미국삼)은 전세계적으로 약용의 목적으로 이용되고 있으며 그 중에서도 고려인삼은 그 효능이 다른 종에 비하여 월등하여 높은 평가를 받고 있다. 고려인삼은 지금까지 9품종이 개발되었는데 육성된 품종들 간의 식별 방법은 생육 과정 중에 경험적인 형태적 관찰을 통해서만 이루어지고 있기 때문에 보다 체계적이고 과학적인 방법이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 고려인삼 품종들과 관련 종들을 구분하는 AFLP와 MITE에 기반한 분자 마커를 개발하는 것이다. AFLP는 대상 식물의 유전체 정보가 없어도 마커를 개발할 수 있는 좋은 기술이다. 본 연구에서 AFLP를 통해 얻은 549개의 밴드 중에 고려인삼과 미국삼을 구분하는 마커 117개를 찾았고 고려인삼 품종 간에 구분할 수 있는 마커 5개를 찾았으며 각각 21.3 %와 0.9 %에 해당한다. 고려인삼 품종 간 마커 개발의 효율성이 낮은 것은 이들간에 유전변이가 낮기 때문인 것으로 볼 수 있다. MITE는 600bp 이하의 작은 크기를 가지며TIRs과 TSDs 그리고 유전체 내에 많은 복제수를 갖는 등의 특징으로 인해 보리나 옥수수 등 많은 식물체에서 마커를 찾는데 이용되어 왔다. 본 연구에서는 133개의 MITE consensus 서열 중에 25개의 MITE family에 해당하는 73개의 MITE 지역을 최종 분석하여 고려인삼과 미국삼을 구분하는 16개의 마커를 찾았으며 이것은 21.9 %에 해당한다. 그리고 73개 중에 10개가 MIP 밴드 패턴을 보여주고 있는데, 이 중 3개가 MITE의 삽입 여부로 알 수 있는 구분 마커이며 전부 고려인삼에만 MITE가 삽입된 것으로 보아 고려인삼과 미국삼의 종 분화 이후 고려인삼에만 특이적으로 MITE가 삽입된 것으로 보인다. 또한 MIP 밴드 패턴을 보이는 10개를 가지고 이들의 밴드 서열을 분석하여 MITE의 존재 유무를 확인하고 이들 서열의 비교 분석을 수행하였으며 향후 MITE family에 대한 더 많은 비교 분석 데이터가 필요하지만, 이러한 데이터는 인삼 유전체의 진화를 연구하는데 사용할 수 있을 것으로 기대된다.Korean ginseng (Panax ginseng C. A. Meyer) is an important medicinal herb belonging to family Araliaceae. Three species, P. ginseng, P. notoginseng and P. quinquefolius, have been generally used as herbal medicine worldwide. To date, nine Panax ginseng cultivars have been cultivated. However, identification of them is being carried out only by empirical morphological observation. Thus, the main objective of this study is development of AFLP and MITE-based molecular markers to distinguish P. ginseng cultivars and related species. AFLP analysis is an excellent technique for molecular marker development of plant species whose genome information is limited. In AFLP analysis, 117 (21.3%) polymorphic bands were identified between P. ginseng and P. quinquefolium and 5 (0.9%) bands among P. ginseng cultivars among the total 549 amplified bands. This inefficiency result to find a marker among ginseng cultivars may be due to low genetic variation among cultivars. MITE which has been successfully used in other plant species can also be used for marker development in ginseng species, because of its characteristic small size and high copy number. In this study, 133 MITE consensus sequences were identified. As a result, 73 MITE regions of 25 MITE families were analyzed and 16 (21.9%) polymorphic regions were identified between P. ginseng and P. quinquefolium. In addition, 10 MITE regions were identified to show MITE-based insertional polymorphism (MIP) patter, 3 between P. ginseng and P. quinquefolium and rest 7 within single cultivar itself. All MIP bands found in P. quinquefolium were smaller than their counterpart bands in P. ginseng. This implies that MITEs might be inserted in P. ginseng genome after divergence from P. quinquefolium. Furthermore, many InDel and base substitutions were found among flanking sequences of MITE, when compared scaffold sequences matching to MIP amplicons. It indicates that P. ginseng genome was probably duplicated before insertion of the MITEs, although some MIP regions found in scaffolds seem to be resulted from MITE excision. In conclusion, this study analyzed genetic polymorphism in P. ginseng cultivars and related Panax species by AFLP and MITE analysis, and revealed polymorphic regions that can be used for molecular marker development. These results will be a valuable resource to understand structure and evolution of ginseng genome.CONTENTS ABSTRACT I CONTENTS III LIST OF TABLES V LIST OF FIGURES VII LIST OF ABBREVIATIONS VIII INTRODUCTION 1 MATERIAL AND METHODES 4 1. Plant materials and genomic DNA extraction 4 2. AFLP analysis 4 3. Identification of MITE sequence in P. ginseng scaffold 6 4. PCR amplification of MITE containing sequence 12 5. Sequence analyses and comparison 12 RESULTS 13 1. AFLP analysis between two P. ginseng cultivars 13 2. AFLP analysis of 11 ginseng samples 14 3. Identification of MITE consensus sequences 18 4. Analysis of 73 scaffolds with MITE 24 5. PCR analysis of MITE-based insertional polymorphism 30 6. Sequence comparison of MITE flanking sequences showing MIP 36 DISCUSSION 48 REFERENCE 52 ABSTRACT IN KOREAN 58Maste

Synthesis and Surface Chemistry of CdSe Nanocrystals Using Both Growth and Etching

DoctorHighly luminescent CdSe nanocrystals are a promising fluorophore for various applications due to their color-tunable bandgap in the visible range. Their luminescent properties are strongly affected by both the size and the surface of the nanocrystals because of the quntum confinement effect and high surface-to-volume ratio. To reproducibly yield CdSe nanocrystals with desired structure and optical properties, a series of researches has been done on synthesizing CdSe nanocrystals and manipulating the surface by using both colloidal growth and etching techniques.We first developed a reproducible synthesis of CdSe nanocrystals having zinc-blende (ZB) lattice structure by using a non-coordinating solvent system and used the as-prepared ZB CdSe nanocrystals as a substrate for the synthesis of core/shell nanocrystals, such as CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, and CdSe/CdS/ZnS. Only two monolayers of shell coverage for each material is enough to enhance the photoluminescence (PL) quantum efficiency and achieve ~50% PL efficiency in water from all core/shell nanocrystals after ligand exchange with 3-mercaptopropionic acid. The coherent epitaxial growth of the zinc-blende shell for core/shell nanocrystals is confirmed by powder X-ray diffraction (XRD) patterns and high-resolution transmission electron microscopy images. The PL spectra obtained at 5 K illustrates the effects of the shell composition on deep-trap emission, which manifestes the role of hole-trapping surface defects. The spectral shift in both the first absorption maximum and PL band varies with the shell composition following the simple band-offset picture. The shell-to-shell variation of the spectral shift and changes in XRD patterns suggests that the contraction of CdSe lattice occurs with the concomitant redshift in the PL band, most notably with the ZnS shell. Water-soluble nanocrystals shows longer PL lifetimes than organic-soluble ones. As results, the zinc-blende structure is considered a viable alternate replacing the wurtzite structure for the uniform growth of shells and the isotropic incorporation of capping ligands.Then, we studied the effects of two of most important surface capping ligands, primary amine and tertiary phosphine, on the surface trap states of CdSe nanocrystals. It was found that binary amine&#8211phosphine ligand system effectively passivates the surface trap states for both electron and hole, thereby making highly luminescent CdSe nanocrystals. Propylamine (PA) and tributylphoshpine (TBP) was added to the nanocrystal solution in chloroform at room temperature. Before the passivation, as-prepared CdSe nanocrystals was mostly covered with fatty acid carboxylates and showed low QE with a multi-exponential PL decay. Addition of excess PA induces blueshifts in both absorption and emission spectra with a slight increase in quantum efficiency and PL lifetime, whereas that of TBP reduces the PL intensity. Surprisingly, addition of both PA and TBP made nanocrystals highly luminescent with a ~50% quantum efficiency and a nearly single-exponential PL decay. The characterization of the nanocrystal surface and the chemical species dissolved into the solution after amine&#8211phosphine passivation was carried out by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS). The XPS analysis shows that fatty acid carboxylates are covered on the surface of as-prepared nanocrystals and both amine and phosphine removes carboxylates from the surface. The ESI mass spectra identifies the chemical species dissolved into the solvent by ligand. As results, it was suggested that primary amine and tertiary phosphine dissolve surface adatoms into the solution and cooperatively passivate surface dangling bonds on CdSe nanocrystals, thereby reproducibly yielding bright CdSe nanocrystals.Lastly, we developed two different etching techniques of CdSe nanocrystals. Each of the two ligands in binary passivation, primary amine and tertiary phosphine, could etch the nanocrystals in their unique ways: tertiary phosphines assisted the oxidative etching of CdSe nanocrystals by oxygen and primary amines induced anodic decomposition of the nanocrystals in chloroform under continuous UV irradiation. In phosphine-assisted oxidative etching, exposing the CdSe nanocrystal solution in chloroform with excess amount of TBP under oxygen induced a continuous blueshift in the absorption spectra. The measurement of the TBP oxidation rate showed that the nanocrystals facilitated the oxidation of TBP while they were continuously etched. Moreover, XPS measurement of the Cd/Se atomic stoichiometry confirmed that the oxidative etching yielded highly Cd-rich surface. Taken together, it was suggested that TBP absorbed on the surface selenium sites assisted the oxidative etching of selenium atoms. MS analysis of the etching product shows that selenium is oxidized from Se2&#8722to Se0 by the etching process and Cd2+ ions ejected from the nanocrystls are stabilized by either chloride ions (Cl&#8722) produced from the chloroform solvent or oxidation products of TBP such as TBP oxide. In amine&#8211UV etching, CdSe nanocrystals passivated with PA in chloroform showed continuous size reduction under UV irradiation. The etching was quenched by either exchanging the solvent to hexane that could not accept electrons like chloroform or adding TBP that could passivate the surface hole traps on the nanocrystals, stongly indicating that the nanocrystals undergo anodic decomposition. The etched CdSe nanocrystals passivated with binary passivation shows high QE which is comparable to that of the nanocrystals prepared by colloidal growth, suggesting that primary amine&#8211UV etching can reduce the size of nanocrystals without significantly altering the surface states. XPS analysis showed that the amine&#8211UV etching process yielded nearly one-to-one Cd/Se stoichiometry. MS analysis of the etching product show that selenium is oxidized to Se0 as in the case of tertiary phosphine&#8211oxygen etching and the Cd2+ ions are mostly stabilized by Cl&#8722from the solvent. As results, we could reproducibly and finely control the size of CdSe nanocrystals and manipulate their surface stoichiometry by using different etching techniques. These etching processes are broadly applicable to other binary compound semiconductor nanocrystals and nanomaterials.고발광성 CdSe 나노결정은 가시광선 전 영역에서 형광 파장이 조절되는 매우 유용한 발광체로서 재료, 전자, 물리, 생화학, 그리고 에너지 공학 영역에서 흡/발광체로 응용되고 있다. 나노미터 크기의 물질에서 나타나는 양자가둠효과와 높은 표면 대 부피 비율로 인해 나노결정의 발광성은 결정의 모양과 표면 상태에 따라 크게 달라진다. 때문에 CdSe 나노결정의 발광성을 재현적으로 조절하기 위해서는 원하는 구조의 나노결정을 재현적으로 합성하는 기술 뿐 아니라 합성된 나노결정의 표면을 제어하는 기술이 필요하다. 본 논문은 CdSe 나노결정의 구조와 표면을 조절하고 그것이 나노결정 발광성에 미치는 영향을 자세히 살펴본 일련의 연구 결과를 소개하고 있다. 특히, 기존의 성장법 위주의 나노결정 합성 뿐 아니라 제어 가능한 나노결정 식각법을 개발하여 나노결정의 구조와 표면 상태를 더욱 다양하고 정밀하게 조절하였다.먼저, 제 2장에서 CdSe 나노결정의 구조를 다양화하기 위해 기존의 wurtzite 결정 구조의 CdSe에 대응되는 zinc-blende 결정구조의 CdSe 나노결정을 합성하고 그 특성을 살펴보았다. Non-coordinating 용매 조건에서 재현적으로 zinc-blende CdSe 나노결정을 합성하였고, 이를 기반으로 CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, 그리고 CdSe/CdS/ZnS 형태의zinc-blende 핵/껍질 구조 나노결정을 합성하였다. 이들 핵/껍질 구조 나노결정은 모든 조성에서 단 2 monolayer 두께의 껍질 성장만으로 높은 발광성 향상을 보였고 3-mercaptopropionic acid를 이용한 표면 치환 및 수용성 나노결정 제조 이후에도 ~50% 의 높은 발광수율을 보여주었다. X선 회절패턴과 전자현미경 사진을 통한 구조 분석 결과 모든 핵/껍질 구조 나노결정에서 껍질 물질이 잘 정렬된 epitaxial 성장을 일으켰음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 5K 저온에서의 형광 측정 결과로부터 핵/껍질 구조 나노결정에 표면 결함으로부터 기인하는 hole트랩이 남아 deep-trap 발광을 일으킴을 확인하였다. 껍질 성장에 따른 band-edge 흡수 및 발광 파장의 이동과 X선 회절 패턴 변화는 핵/껍질 구조 나노결정의 띠구조 변화가 단순한 band-offset 도식과 잘 일치함을 보여주었을 뿐 아니라 껍질 성장으로 인한CdSe 핵의 격자 수축이 스펙트럼의 적색편이를 수반함을 제시하였다. 수용성 나노결정으로의 표면 및 용매 치환 결과 나노결정의 발광 수명은 조금 늘어났다. 이상의 연구 결과 zinc-blende CdSe 나노결정이 기존의 wurtzite CdSe 나노결정을 대치할 수 있는 효과적인 발광체임을 확인하였다.제 3장에서는 나노결정 표면 상태 및 리간드가 발광성에 미치는 영향에 관한 체계적인 연구 결과를 논의하였다. CdSe 나노결정 합성에서 가장 대표적인 두 리간드인 1차 아민과 3차 포스핀이 CdSe 나노결정의 표면 트랩에 미치는 영향을 살펴보았다. 그 결과 두 리간드를 함께 사용한 binary amine-phosphine 패시베이션이 매우 효과적으로 표면의 electron 트랩과 hole 트랩을 제거함을 확인하였다. 상온의 클로로포름에 녹인 CdSe 나노결정 용액에 propylamine과 tributylphosphine을 더하며 발광성 변화를 살펴보았다. 어떤 리간드도 더하기 전 약한 발광과 mult-exponential 발광 쇠퇴를 보여주던 CdSe 나노결정은 과량의 propylamine이 더해지자 흡/발광 파장의 청색편이와 함께 약간의 발광수율 및 발광수명의 향상을 보였으며 tributylphosphine이 더해지자 형광의 감소를 보였다. 그러나 놀랍게도 propylamine과 tributylphosphine이 함께 더해지자 ~50%의 높은 발광 수율과 함께 single-exponential에 가까운 발광쇠퇴를 보여주었다. X선 광전자분광학과 질량분석 기법을 이용하여 amine-phosphine 패시베이션으로 인한 나노결정 표면 상태 변화와 표면에서 용매로 녹아나간 성분을 분석한 결과, 최초 나노결정 표면에 붙어있던 carboxylate가 propylamine과 tributylphosphine에 의해 제거됨을 확인하였다. 이상의 결과들은 1차 아민과 3차 포스핀이 나노결정 표면의 adatom들을 용매로 녹여내고 둘이 함께 표면의 electron과 hole 트랩을 효과적으로 패시베이션하여 매우 재현적인 표면 상태와 높은 발광효율을 얻을 수 있었음을 보여주었다.끝으로, 제 4장에서 나노결정의 구조 및 표면 제에 기법을 향상시키기 위해 두 가지 새로운 식각법을 소개하였다. 흥미롭게도 제 3장의 binary 패시베이션에 쓰인 두 리간드가 각각 독특한 화학 과정을 통해 CdSe 나노결정을 분해함을 관찰하였고 이들이 매우 재현적인 나노결정 식각법으로 쓰일 수 있음을 확인하였다. 우선, 3차 포스핀에 의해 촉진되는CdSe 나노결정의 산화 식각을 확인하였다. 과량의 tributylphosphine이 더해진 CdSe 나노결정의 클로로포름 용액을 산소에 노출시키자 나노결정이 빠르게 분해되기 시작했다. 단지 tributylphosphine 또는 산소만으로는 이와 같은 분해과정이 일어나지 않으며 tributylphosphine의 산화가 나노결정에 의해 촉진됨을 확인하였다. 뿐만 아니라, X선 광전자분광학 분석을 통해 식각 과정이 나노결정 표면의 Cd/Se 원소 비율을 매우 증가시킴을 확인하였다. 이상의 결과는 식각 반응이 나노결정 표면의 Se에 결합된 3차 포스핀이 산소에 의한 표면 Se의 산화를 촉진시킴을 의미한다. 질량분석을 이용한 식각 생성물 분석 결과 CdSe 의 Se2- 가 Se0 으로 산화되었고, 이 과정에서 방출된 Cd2+ 이온은 클로로포름 용매에서 나온 염화 이온이나 tributylphosphine oxide와 같은 tributylphosphine의 산화물 등에 의해 용매 속에서 안정화되었음을 확인하였다. 다음으로, 과량의 1차 아민으로 패시베이션된 CdSe 나노결정이 chloroform 용매 속에서 자외선에 노출되었을 때 매우 빠른 속도로 분해되는 현상을 관찰하였다. 뿐만 아니라, 아민-UV에 의한 식각은 용매를 전자 친화도가 현저히 낮은 hexane으로 치환하거나 나노결정 표면의 hole trap을 제거할 수 있는 tributylphosphine 을 첨가하여 억제할 수 있었다. 이를 통해 식각 과정이 anodic decomposition 과정임을 알 수 있었다. 특히, 식각 이후 얻어진 나노결정 표면을 binary 패시베이션 하자 성장법을 통해 제조한 같은 크기의 CdSe 나노결정과 비슷한 수준의 밝은 발광을 보여주었다. 이는 amine-UV에 의한 식각 과정이 나노결정 표면 상태를 크게 변화시키지 않으면서 크기를 손쉽게 줄일 수 있는 매우 효과적인 방법임을 의미한다. X선 광전자 분광학 분석 결과, 아민-UV 식각을 통해 거의 1:1의 Cd/Se 원소 비율의 나노결정이 얻어짐을 확인하였다. 질량분석을 이용한 식각 생성물 분석 결과 3차 포스핀-산소 시각에서와 유사하게 Se0 로 셀레늄이 산화되었고 이 과정에서 떨어져 나온 Cd2+는 용매에 의해 염화 카드뮴 형태로 용매 속에 녹아있음을 확인하였다. 이상의 결과들은 위의 식각 방법들이 나노결정의 크기 뿐만 아니라 표면 조성을 재현적이고 정밀하게 조절할 수 있음을 의미한다. 이러한 식각 방법은 다른 이원소 반도체 나노결정에도 적용될 수 있을 것이다

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