상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
▶ 현대 전자 소자는 나노스케일로 소형/집적화 됨에 따라 계면에서의 전하 이동/전달 및 유전성질이 구동 및 성능을 결정한다고 해도 과언이 아니다. 계면에서의 에너지적/구조적 성질과 형성된 계면에서의 전하의 이동 및 전달 그리고 계면 물질과의 반응(유전성질)에 대한 제어는 해당 소자의 효율과 성능을 결정하는 핵심요소가 된다. ▶ 본 연구는 박막과 박막 사이의...
계면
전하 이동
상분리
초격자
스피노달
게이팅
트랜지스터
전하 전달
2
주관|
2020년 2월-2025년 2월
|99,500,000원
상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
● 유/무기 lead halide 페로브스카이트는 AMX3(A: organic ammonium cation, M: Pb or Sn, and X: halide anion)로 결정화되는 물질로 현재 에너지/디스플레이/센싱등 여러 소자에 폭발적으로 응용되는 물질이다 [1]. 특히 MAPbI3는 light harvester로 photovoltaic 물질에 매우 성공적으로 삽입되어 20%가 넘는 광전효율을 선보이고 있다. 흡수계수, 확산거리, 전하 이동도면에서 고효율 광전소자로의 응용을 가능케 하는 성질을 가지고 있으며 phase transition을 통한 구조 변화등 다양하게 응용 가능한 물성을 가지고 있다.
● 전이금속 산화물은 대표적인 전자세라믹스 물질로서 나노 구조의 형태로 에너지/디스플레이/이미징/센싱 소자들에 삽입되는 핵심 재료이다 [2].
● 무기 양자점 (quantum dot)은 양자점 제한효과를 통한 사이즈에 따른 광학적/전기적 성질의 튜닝을 통해 각종 전자소자에 각광받고 있는 소재이다 [3].
● 수년 동안 용액공정, 진공증착을 통해 벌크 활물질의 물성을 제어하기 위한 여러 최적화 공정들이 개발되어져 왔고 적층을 통해 다양한 소자들이 만들어져왔다. 그러나 용액공정 (solution process)을 중심으로 솔벤트 (solvent) 엔지니어링을 통한 물성 개선은 “Trial and Error”식의 접근에서 크게 벗어나지 않아왔다.
● 구동의 핵심인 벌크와 벌크사이의 계면을 제어하기보다는 적층 물질들의 최적화된 조합 혹은 또 다른 계면을 만들어 변수를 증가시키는 성능 최적화에만 집중되어져 왔다. 본 연구의 목표는 나노 클러스터들의 체계적인 용매/용질 활동도 계수 제어를 통해 벌크-계면에서의 구조적 상분리 (phase separation) 및 초격자 (super lattice)를 형성시키고 Non-equilibrium 기반“Compositional Partitioning”을 통해 연속적인 벌크-계면 동시 제어를 구현하는 것이다 [연구추진전략 참조]. 더불어 연구재단 신진-기본 과제들을 통해 축적된 AC 기반 Field Modulated Electro-Thermal Gating을 통해 계면의 전하 거동 및 유전성질을 측정-튜닝하는 피드백 시스템을 확립하는 것을 목표로 한다
상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
● 유/무기 lead halide 페로브스카이트는 AMX3(A: organic ammonium cation, M: Pb or Sn, and X: halide anion)로 결정화되는 물질로 현재 에너지/디스플레이/센싱등 여러 소자에 폭발적으로 응용되는 물질이다 [1]. 특히 MAPbI3는 light harvester로 photovoltaic 물질에 매우 성공적으로 삽입되어 20%가 넘는 광전효율을 선보이고 있다. 흡수계수, 확산거리, 전하 이동도면에서 고효율 광전소자로의 응용을 가능케 하는 성질을 가지고 있으며 phase transition을 통한 구조 변화등 다양하게 응용 가능한 물성을 가지고 있다.
● 전이금속 산화물은 대표적인 전자세라믹스 물질로서 나노 구조의 형태로 에너지/디스플레이/이미징/센싱 소자들에 삽입되는 핵심 재료이다 [2].
● 무기 양자점 (quantum dot)은 양자점 제한효과를 통한 사이즈에 따른 광학적/전기적 성질의 튜닝을 통해 각종 전자소자에 각광받고 있는 소재이다 [3].
● 수년 동안 용액공정, 진공증착을 통해 벌크 활물질의 물성을 제어하기 위한 여러 최적화 공정들이 개발되어져 왔고 적층을 통해 다양한 소자들이 만들어져왔다. 그러나 용액공정 (solution process)을 중심으로 솔벤트 (solvent) 엔지니어링을 통한 물성 개선은 “Trial and Error”식의 접근에서 크게 벗어나지 않아왔다.
● 구동의 핵심인 벌크와 벌크사이의 계면을 제어하기보다는 적층 물질들의 최적화된 조합 혹은 또 다른 계면을 만들어 변수를 증가시키는 성능 최적화에만 집중되어져 왔다. 본 연구의 목표는 나노 클러스터들의 체계적인 용매/용질 활동도 계수 제어를 통해 벌크-계면에서의 구조적 상분리 (phase separation) 및 초격자 (super lattice)를 형성시키고 Non-equilibrium 기반“Compositional Partitioning”을 통해 연속적인 벌크-계면 동시 제어를 구현하는 것이다 [연구추진전략 참조]. 더불어 연구재단 신진-기본 과제들을 통해 축적된 AC 기반 Field Modulated Electro-Thermal Gating을 통해 계면의 전하 거동 및 유전성질을 측정-튜닝하는 피드백 시스템을 확립하는 것을 목표로 한다
상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
□ ⑴ 나노 스케일 결함의 비가역적 자가조립을 통해 소자를 구동시키는 다차원 기능성 계면을 생성시켜 전하의 집적/이동/전달, 유전성질을 튜닝할 수 있는 “디펙(defect) 게이팅” 개념을 구현한다. 이는 다차원의 계면을 하나의 결함으로 인식하여 결함을 성분 클러스터들의 활동도 계수 에 의해 자가조립시 패러다임이다.
□ ⑵ 계면의 정량적 평가 플랫폼으로서 본 연구진이 고안한 AC 기반 Field-modulated Electro-Thermal Gating 시스템을 통해 전하의 이동/전달, 트랩 및 유전성질을 정량화하는 피드백 시스템을 구축한다.
□ 궁극적으로는 (1), (2)의 피드백 시스템을 통해 검증된 자가조립 기능성 벌크-계면 나노구조 복합체를 모듈화 (modularization) 하여 에너지/디스플레이등 소자로의 응용연구를 모색한다.
○ CIS는 무독성 양자점으로서 현재 폭넓게 사용되고 있는 CdSe 양자점을 대체할 수 있는 무독성 소재로 각광받고 있으며, Cu/In의 조성 및 사이즈에 따라 500~1000 nm영역에서 흡수 및 발광파장을 가지고 있다. 주목할만한 점은 ZnS를 CIS표면에 alloying함에 따라 양자효율이 60%까지 증가하여 광센서, 디스플레이, 수소 발생 장치등 환경/에너지/디스플레이 분야에서 폭넓게 이용될 수 있는 기반이 마련되었다는 것이다.
○ 특히 이 연구 제안서에서 주목하는 것은 코어/쉘 혹은 코어/쉘/쉘 구조를 통한 디스플레이/에너지 소자에서 효율 및 성능의 획기적인 개선을 이룬 이유에 대한 근본 이해이다. 디스플레이 분야에서는 사이즈에 따른 auger 재결합, 에너지 전이등에 근거하여 다양한 메카니즘을 설명하고 있지만 이에 대한 정량화를 기반으로 한 근본 이해는 매우 부족한 실정이다.
○ 무엇보다도 코어 물질에 쉘을 alloying 함에 따른 효율/성능 개선의 이유를 정량화 함으로써 현재 사용하고 있는 양자점들의 전하이동/전달에 관련한 limiting step을 밝힐 수 있다는 점에서 연구의 파급효과가 클것이라 예상된다.
○ 본 연구는 본 연구진이 확립해놓은 전하이동/전달 포지셔닝, 추적 시스템과 제벡-전계트랜지스터 통합 플랫폼을 통해 alloying에 따른 전자구조 정량화 뿐만 아니라 궁극적으로는 다양한 무독성 양자점 소재의 alloying을 통한 에너지/디스플레이, 센싱 및 바이오 소자 연구로 범위 확장이 가능하다.
○ [CIS/ZnS와 CIS/ZnS/ZnS 합성]:다중 코어쉘 구조의 one-pot heating-up route를 통해 합성
○ [코어/쉘, 코어/쉘/쉘 구조의 구조적/광학적 측정/분석]:마이크로스코픽/스펙트로스코픽 측정을 통한 구조 분석 (발광/흡광 파장 및 에너지 전이 스펙트럼 분석)
○ [STEM을 이용한 양자점 코어/쉘간 계면 원소분석 및 맵핑]: 다중 코어쉘 alloying에 따른 사이즈 및 조성분석을 통해 양자점 제한 효과와 조성 차이에 따른 물성 영향 분리
○ [전계트랜지스터를 이용한 전자트랩 정량화]:이동도와 문턱전압에 대한 전기적 해석을 통해 캐리어 농도 및 스캐터링 인자 분석: 저온에서의 전하이동도, 문턱전압 측정을 통한 전하 상태 밀도 분포 정량화
○ [임피던스 측정을 통한 계면 분석]:AC 기반의 주파수에 따른 전하전달 및 전하저항 분리-계면과 벌크의 차이이용
○ [제벡계수 측정-분석]:전하 타입을 확증하고 구조에 따른 전하 이동 메카니즘 분석
○ [Alloying에 따른 전계트랜지스터-제벡 통합 시스템 분석]:열적 여기에 의한 에너지 전달을 통해 계면에서의 전하전달 메카니즘 규명
○ [Alloying에 따른 전하이동도-트랩 상관관계 정량화 분석]