나노기술 및 정책 정보

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2차원(2D) 유무기 하이브리드 페로브스카이트 반도체 양자 우물 소재는 3차원(3D) 페로브스카이트 결정격자 속에 긴 사슬 유기 할로겐화물 리간드를 삽입하여 형성됨. 2D 페로브스카이트는 유연한 구조, 큰 자극 결합 에너지, 쉽게 조절이 가능한 밴드갭을 보유하고 있는 동시에 크게 향상된 내습성(耐湿性) 등의 특성을 가지고 있기 때문에 광전자 및 양자 디바이스 응용 분야에서 많은 관심을 받고 있음.

이전 연구에서 일반적으로 2D 페로브스카이트 속 캐리어는 여기 상태로 존재하여 왔으며 여기 수명과 캐리어 이동속도의 제한에 의해 캐리어 이송거리는 수백 나노 수준밖에 되지 않아 3D 페로브스카이트 소재보다 한 단계 더 작음. 기존 문헌 중에서 보도된 캐리어 이송 특성 분석 결과를 보면 캐리어에 의존하는 장거리 수송 디바이스 응용 분야에서 2D 페로브스카이트는 3D 페로브스카이트와 기타 전통 반도체 양자우물 소재와 비교할 수 없음.

중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소의 "초고속 시간 해상도 광스펙트럼 및 동력학 연구 그룹" 진썽예(金盛燁) 연구원 연구팀은 2차원 페로브스카이트 양자우물 소재의 캐리어 동력학에 대한 정밀 분석을 통해 여기 캐리어의 이송한계를 돌파하는 장거리 캐리어 이송 현상을 발견하였음.

연구팀은 개발한 동적 시각화에 대한 새로운 방법을 적용하여 최초로 2D 페로브스카이트 단결정 PEA2MAn-1PbnI3n+1(n=2~4)에서 이송거리가 2~5μm 수준에 도달하는 것을 처음 발견함.

연구팀은 공초점 고정점 여기 2D 페로브스카이트 단결정에서 형광 스캐닝 동적 이미징을 이용하여 여기점과 일정한 거리를 두고 있는 저에너지 "경계 상태" 발광을 관측해 냈으며, 경계 상태 발광 역학은 뚜렷한 거리 의존성을 가지고 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 온도 및 기타 실험을 통해 결함 상태 보조의 장거리 캐리어 수송 관련 새로운 메커니즘을 제시하였으며, 이런 장거리 캐리어 수송은 결함 보조의 여기 분리를 통해 장수명 및 발광되지 않는 전자-정공 분리상태를 실현시킬 수 있다는 연구 결론을 도출하였음. 연구팀은 동적 모델 피팅(fitting)을 통해 다른 층수(n 값) 2D 페로브스카이트 단결정에서 캐리어 이송 역학 매개 변수를 확인하였음.

이런 특성은 2D 페로브스카이트로 하여금 캐리어 수송 성능 분야에서 3D 페로브스카이트와 기타 전통 반도체와 비교할 수 있는 수준에 이르게 되었음.

이 성과는 2차원 소재는 캐리어 전송 거리가 짧다는 전통적인 인식을 바꾸었으며, 효율적인 에너지/전하 수송 분야에서 밝은 전망을 보여줌.

본 연구 성과는 ‘Journal of the American Chemical Society’ ("Trap-Enabled Long-Distance Carrier Transport in Perovskite Quantum Wells") 지에 게재됨.