나노기술 및 정책 정보

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Cs4PbX6(X=Cl, Br, I) 제로 차원 페로브스카이트(Zero dimensional perovskite) 나노결정은 우수한 광학성능으로 인해 LED 조명 디스플레이, 레이저 및 광전기 탐사 측정 장치 등 기술 분야에서 폭넓은 관심을 받고 있으나 절연체 특성 때문에 Cs4PbX6 제로 차원 페로브스카이트(Zero dimensional perovskite)는 가시적인 주파수대에서 빛을 내지 못하여 발광 소재의 응용 범위를 제한받음.

망간 이온 도핑은 페로브스카이트 나노결정 광, 전기, 자기 성능을 조정하는 효과적인 수단이 되고 있으며, 모재 중의 Mn2+ 광학 성능은 주로 도메인의 전자 구조와 여기 상태 역학에 의해 결정되는데 Mn2+ 도핑 Cs4PbX6 제로 차원 페로브스카이트 나노결정 순수상의 제조가 어려운 점과 Mn2+의 빛을 내는 중심 여기 상태 역학을 밝히는 것은 해당 분야의 기술적 난제임.

중국과학원 산하 "기능 나노구조 디자인 및 조립/푸졘성(福建省, 복건성) 나노소재 중점 실험"의 천쉐위안(陳學元) 연구원 연구팀은 개선된 열 주입(Thermal injection) 방법을 사용하여 최초로 단일 분산, 모양 및 입자 직경이 균일한 Mn2+ 도핑 Cs4PbCl6 제로 차원 페로브스카이트 나노결정 순수상을 처음으로 합성하였음.

연구팀은 온도 변화 고해상도 정상 상태/순간 상태 형광 스펙트럼, 온도 변화 전자 순자기 공명파 스펙트럼 등 측정 테스트 수단을 통해 Mn2+가 Cs4PbCl6 제로 페로브스카이트 나노 결정 속에서 빛을 내는 특징이 Mn2+가 CsPbCl3 3차원 칼슘 포함 페로브스카이트 양자점에서 빛을 내는 특징과 완전히 다른 여기 상태 역학을 해석하였음.

Cs4PbCl6 제로 차원 페로브스카이트 구조 제한 구역의 역할은 비교적 큰 여기 결합 에너지와 비교적 강한 전기-포논(Electron-phonon) 상호 작용을 하고, Mn2+가 617nm의 긴 형광 수명(26.2ms, CsPbCl3:Mn2+의 1~2ms 수명 수준을 대폭 초월함)과 비교적 높은 분말 형광 양자 생성 비율(25.8%, CsPbCl3:Mn2+의 ~0.1% 수준을 대폭 초월함)을 가질 수 있도록 함.

연구팀은 이번 연구를 통해 온도가 낮아짐에 따라 격자 수축으로 인해 발생하는 Mn2+ 발광이 완만한 감쇠(τ2: 30.4 ms, 300 K)에서 신속한 감쇠(τ1: 1.47 ms, 10 K)로 전환하게 되는 비정상적인 형광 동력학 과정을 관측하였음.

연구팀은 Mn2+ 도핑 Cs4PbCl6 나노 결정의 여기 상태 역학 기초연구를 실행하는데 필요한 기반을 구축하였으며, 제로 차원 페로브스카이트 나노결정 성능의 최적화 및 광전기 분야 응용을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Science’ ("Unveiling the Excited‐State Dynamics of Mn2+ in 0D Cs4PbCl6 Perovskite Nanocrystals") 지에 게재됨.