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하이브리드 코어-쉘 나노구조 합성
여러 조성을 가지는 단결정 반도체 기반의 이종 구조의 성장은 나노 영역의 반도체 물리를 연구하는데 필수적이다. 또한 이것은 높은 양자 효율을 가지는 광학 특성 및 전자 밴드갭과 다양한 고체 상태의 광전 특성들을 조절하는 것을 포함하는 최적 특성을 가지는 장치들을 만드는 기반을 제시해 줄 수 있다.
의도하지 않은 결정 결함 (다결정, 전위, 다른 구조적 결함 등)은 장치의 성능 저하 및 고장을 초래하게 된다. 예를 들어 CdSe 나노 입자들의 광학 특성이 CdS, ZnS와 같은 에피택시 쉘을 코팅하여 좋아지더라도, 이들 쉘의 두께가 임계값 이상으로 두꺼워 지면 변형에 의해 유발되는 결함으로 인해 오히려 광학 특성의 감쇠가 나타난다.
현재 고품질의 단결정 이종 구조를 형성하는 방법은 모두 에피택시 성장에 기반을 두고 있다. 그러나 이 방법에서는 격자 불일치의 정도가 매우 작아야 하고 이것은 특별히 서로 다른 결정학적 면을 가지며 곡률반경이 큰 코어/쉘 구조를 가지는 구형의 나노 구조를 형성할 때 매우 큰 걸림돌이 된다. 그러한 격자 일치 문제 외에도, 결정 구조, 결합 그리고 다른 특성들에서의 차이와 관련된 이슈들이 금속 위에 단결정 반도체를 형성시키는 것과 같은 혼성 구조를 에피택셜하게 형성시키는데 제약을 가한다.
혼성 구조의 코어/쉘 입자를 합성하기 위해 에피택시 방법을 사용하는 것은 다결정 반도체 쉘을 형성시키거나, 코어와 쉘이 뭉치는 비등방 구조를 유발할 수 있기 때문에 효율적이지 못하다. 미국의 연구팀은 에피탁시 방법이 아닌 방법을 이용하여 혼성 코어/쉘 나노 구조를 정확히 조절하였다 [그림 1]. 여기서 단결정 반도체 쉘은 코어 나노 입자의 구조에 영향을 받지 않는다. 이러한 접근 방법에서 코어/쉘 나노 구조의 성장은 루이스 산-염기 반응 기구에 기반을 두고 있다. 여기서 전체 나노 구조물은 공간적으로 비정질 매트릭스에 구속되어 있다. 단결정 반도체 쉘의 성장이 매트릭스 안에서 반응의 화학적 열역학 특성들에 의해 결정되므로, 쉘의 격자 구조가 코어 나노 입자들의 구조와 독립적일 수 있고 에피택시 방법에서 나타나는 제한들을 피할 수 있다.
먼저 금속 나노 입자 위에 루이스 약산인 금속 층을 형성시킨다. 연구팀은 은을 사용하였다. 강산-약염기 이론에 따르면, 은 양이온은 강산처럼 행동을 하고 쉽게 d 궤도 전자들을 공유하고 다양한 약염기들과 배위를 이루어 유기금속 복합체를 형성한다. 은의 전기음성도가 다양한 음이온과 비슷하기 때문에 특정 조건에서 은이 비정질 구조의 은 화합물로 변형될 수 있다.
또 다른 약염기로 트리부틸포스핀이 사용되었으며 이것은 용액내의 자유 양이온과 결합하여, 코어 나노 입자들의 표면으로 금속 양이온을 전달하는 상변화 도우미로 작용한다. 은 양이온은 비정질 매트릭스에서 은 양이온과 용액내의 금속 양이온 사이의 교환 과정을 이루고 차례로 비정질 은 화합물이 결정질 금속 화합물로 변화하게 된다. 이 과정을 통해 단결정 금속화합물이 형성된다. 이 방법을 통하여 다양한 코어 금속 나노 입자 위에 다양한 단결정 반도체 쉘이 형성되었다.
※출처: 『글로벌동향브리핑(GTB)』
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