양자점(Quantum dot)

양자점(Quantum dot)

양자점(QD)은 크기가 몇 나노미터인 아주 작은 반도체 입자로, 양자역학으로 인해 더 큰 입자와 다른 광학적, 전자적 특성을 가지고 있다. 그것들은 나노기술의 중심 주제다. 양자점들이 자외선에 의해 조명될 때, 양자점 안의 전자는 더 높은 에너지의 상태로 흥분될 수 있다. 반도체 양자 점의 경우, 이 과정은 전자가 발란스 밴드에서 전도성 밴드로 이행하는 것과 일치한다. 흥분한 전자는 빛의 방출에 의해 에너지를 방출하는 발란스 밴드로 다시 떨어질 수 있다. 이 빛 방출(광채광)은 오른쪽 그림에 도해되어 있다. 그 빛의 색은 전도성 밴드와 발란스 밴드의 에너지 차이에 따라 달라진다.

소재 과학의 언어에서 나노스케일 반도체 물질은 전자나 전자 구멍을 단단히 틀어막는다. 양자점은 자연적으로 발생하는 원자나 분자처럼 결합된, 분리된 전자적 상태를 가지고 있는 특이성을 강조하면서, 때때로 인공 원자로 언급된다. 양자점에서의 전자파 기능은 실제 원자의 전자파 기능을 닮아 있는 것으로 나타났다. 이러한 양자점을 두 개 이상 결합함으로써 인공 분자를 만들 수 있으며, 상온에서도 잡종을 보일 수 있다.

양자점들은 벌크 반도체와 이산 원자나 분자 사이에 중간적인 성질을 가지고 있다. 그들의 광전자적 특성은 크기와 모양 모두의 함수로 변화한다. 직경 5~6nm의 더 큰 QD는 주황색이나 빨간색과 같은 색상으로 더 긴 파장을 방출한다. 더 작은 QD(2~3nm)는 파장을 더 짧게 방출하고, 파란색과 녹색과 같은 색을 산출한다. 그러나 QD의 정확한 구성에 따라 구체적인 색상이 달라진다.

양자 점의 잠재적 응용으로는 단일 전자 트랜지스터, 태양 전지, LED, 레이저, 단일 포톤 소스, 2차 해몬 생성, 양자 컴퓨팅 및 의료 영상 등이 있다. 크기가 작기 때문에 일부 QD가 용액에서 일시 중단될 수 있으며, 잉크젯 인쇄와 스핀 코팅에 사용될 수 있다. 랑무아르-블로드겟 박막에서 사용되어 왔다. 이러한 처리 기법은 반도체 제조에 있어 비용이 적게 들고 시간이 적게 걸리는 방법을 초래한다.

콜로이드 반도체 나노크리스탈은 전통적인 화학적 과정과 매우 유사하게 용액에서 합성된다. 주요 차이점은 제품이 대량 고체로 침전되거나 용해되지 않는다는 것이다. 높은 온도에서 용액을 가열하면 전구체는 형성되는 단핵체를 분해하여 나노크리스탈을 생성한다. 온도는 나노결정 성장의 최적 조건을 결정하는 데 중요한 요소다. 수정 성장을 촉진할 만큼 충분히 낮은 상태에서 합성 과정 동안 원자의 재배열과 어닐링을 허용하기에 충분히 높아야 한다. 단량체의 농도는 나노결정 성장 동안 엄격하게 통제되어야 하는 또 다른 중요한 요인이다. 

나노크리스탈의 성장 과정은 두 개의 다른 체제에서 "집중"과 "방어"가 발생할 수 있다. 높은 단량체 농도에서는 임계 크기(나노크리스탈이 자라지도 줄어들지도 않는 크기)가 상대적으로 작아 거의 모든 입자가 성장한다. 이 체제에서는 작은 입자가 큰 입자보다 더 빨리 자라며(큰 결정체는 작은 결정보다 더 많은 원자가 자라야 하기 때문에) 크기 분포의 "집중"을 일으켜 거의 단분할 입자의 있을 것 같지 않은 분포를 낳는다. 포커스는 존재하는 평균 나노결정 크기가 항상 임계 크기보다 약간 더 크도록 단량체 농도를 유지할 때 최적이다. 시간이 지남에 따라 단량체 농도가 감소하고 임계 크기가 현재 평균 크기보다 커지며 분포 "삭제"가 된다.

많은 다른 반도체를 생산하는 콜로이드 방식들이 있다. 대표적인 점들은 납황화, 납셀레니드, 카드뮴셀레니드, 카드뮴황화, 카드뮴 텔루라이드, 인듐비소화, 또한 카드뮴 셀렌화황화물과 같은 3가지 화합물로 만들어질 수 있다. 또한 콜로이드 페로브스카이트 양자점들의 합성을 가능하게 하는 최근의 발전이 있었다. 이 양자점들은 ≈10~50개의 원자를 가진 양자점 부피 내에 100~10만개의 원자를 포함할 수 있다. 이는 약 2~10나노미터에 해당하며, 직경 10nm에서는 거의 3백만 개의 양자점들이 끝에서 끝까지 일렬로 늘어서서 인간의 엄지손가락 폭 안에 들어갈 수 있다.

양자점들의 큰 배치들은 콜로이드 합성을 통해 합성될 수 있다. 이러한 확장성과 벤치탑 조건의 편리성 때문에 상업적 용도에 콜로이드 합성법이 유망하다. 그것은 모든 다른 형태의 합성 중 가장 독성이 적은 것으로 인정된다