최근 소자의 신물질 개발에 관한 연구는 기존의 순도를 향상시켜 물질의 순수한 성질을 얻어내는 방법을 뛰어넘어 의도적으로 빈 격자 자리, 구조적 결함 등을 만들고 이를 통해 기존의 균일 소재의 한계를 넘고자 하는 시도들이 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 시공간 선택적 연구기법의 부재로 실험적으로 원자-나노미터 수준에서 다양한 상태로 존재하는 구조적 결함과 불균질성의 물리화학적 특성과 전하전달 및 양자효율 간 상관관계를 이미징을 통해 직접적으로 밝힌 연구는 아직 이루어진 적이 없다. 본 연구에서는 초고속 나노 이미징 및 분광학, 나노분광학, 물질파 광학 등의 분석 연구진의 유기적인 공동연구를 통해 0차원 양자점부터 2차원 반데르발스 구조 및 (준)2차원 페로브스카이트 복합체, 3차원 나노 다이아몬드까지 여러 차원으로 존재하는 물질의 국부적인 결함요소로 인한 물리적, 화학적 특성을 분석하고 초고속 나노 이미징을 통하여 구조-기능 상관관계를 규명하여 소자 응용에 필요한 물리화학적 이론의 기틀을 마련하고자 한다. 나아가 이를 바탕으로 결함 제어를 통한 양자점 디스플레이 소자, 광촉매, 양자정보 등의 응용을 위해 새로운 기능성 소자를 구현해 검증하고자 한다. 연구의 추진전략은 다음과 같다. 물질 내 나노미터 수준의 국부적 구조 결함 분석 및 기능 상관관계를 규명한다. 초고속 이미징, 나노 분광학, 물질파 광학을 이용해 불균질성에서 기인한 국부적 성질을 분석하고 시공간 분해 음극선 발광 검출법과 초고속 광학현미경을 결합하여 전자구조 및 전하, 엑시톤 이동 동역학을 직접 이미징하고 메커니즘을 규명한다. 얻어진 정보를 바탕으로 물질 내 양자 결함구조를 직접 디자인하고 단일 발광원으로의 응용 연구를 진행한다. 나아가 이종계면 구조에서 관측되는 다양한 물리적 현상과 국부적 결함 간의 상관관계를 최초로 시공간상 직접 이미징하여 분석하고 기능성 신소자를 제시한다. 일련의 연구를 바탕으로 최종적으로 결함을 포함한 저차원 물질의 구조분석에서 시작해 전자상태, 흡광 및 발광 특성, 전하이동 동역학을 직접 이미징하여 물질의 구조-기능 상관관계를 규명한다.