상온 합성 고품질 In₂S₃ 양자점: 초고감도 UV 광검출기 응용

요약

본 연구에서는 우수한 결정 품질과 좁은 크기 분포를 제공하는 In₂S₃ 양자점(QDs)의 간단한 상온 합성법을 소개합니다. 황화나트륨, 염화인듐, 계면활성제인 도데실황산나트륨을 사용하여 평균 직경 2 nm의 단분산 QDs를 얻었습니다. 이 QDs로 제작한 광검출기는 상온에서 365 nm UV 조명 하 ~10¹³ Jones의 검출도를 보여 고성능, 저비용 광전자 소재로서의 가능성을 입증했습니다.

배경

2차원 및 0차원 나노소재는 뛰어난 전자적, 광학적 특성으로 광전자공학에 혁명을 일으켰습니다[1, 2]. 특히 양자점(QDs)은 조절 가능한 밴드갭과 높은 광발광 양자 수율로 태양전지, 광검출기, 바이오 이미징, 광촉매에 매력적입니다[3-10]. III-VI 반도체 중 황화인듐(In₂S₃) QDs는 직접 밴드갭과 우수한 열적, 기계적 안정성을 가지나, 수열, 템플릿, 마이크로파 등 기존 합성법은 고온, 긴 반응 시간, 복잡한 후처리 등의 한계가 있습니다[12-15].

이러한 과제를 극복하기 위해 대기압 상온에서 안정적이고 고품질의 In₂S₃ QDs를 생산하는 온화한 계면활성제 보조 합성법을 보고합니다. 결과 QDs를 광범위하게 특성 분석하고 소자 제작과 성능 지표를 통해 UV 광검출 잠재력을 입증했습니다.

실험 방법

재료

황화나트륨(Na₂S·9H₂O), 염화인듐(InCl₃·4H₂O), 도데실황산나트륨, 300 Da 재생 셀룰로오스 투석 막을 상업 공급업체에서 구입하여 추가 정제 없이 사용했습니다.

In₂S₃ QDs 제작

합성은 2단계 혼합 프로토콜을 따릅니다(그림 1a). 0.1 M Na₂S와 0.1 M InCl₃ 용액을 탈염수로 제조했습니다. 각 용액에 0.008 M SDS를 혼합하고 1500 rpm으로 20분간 교반하여 단분산 복합체를 생성했습니다. Na₂S-SDS 혼합물을 InCl₃-SDS 용액에 첨가하여 10분 내 황색 현탁액을 생성하는 빠른 반응을 개시했습니다. 원심분리(3000 rpm, 5분)로 세척하고 투석으로 정제했습니다. 최종 QDs는 투석 백 내부에 수집되었습니다.

a In₂S₃ QD 합성 개략도. b TEM 이미지와 크기 분포(가우시안 피팅). c-e 선택 영역의 FFT 인셋이 있는 HRTEM 이미지. f SEM 이미지. g XRD 패턴. h 라만 스펙트럼. i (d)의 격자 무늬 라인 프로파일. j AFM 이미지. k 선택된 QDs의 높이 분석.

특성 분석

고해상도 TEM(JEM-2100, 200 kV)으로 입자 형태를 조사했습니다. SEM(FEI Quanta 200)과 AFM(SPA-400)으로 표면과 지형 데이터를 얻었습니다. XRD(Rigaku D/Max-RA)와 라만(Renishaw in via)으로 결정성을 평가했습니다. UV-vis, UV-vis-NIR(UV-3600), 형광(Hitachi F-7000) 분광법으로 광학적 거동을 정량화했습니다. XPS(PHI Versa Probe II)로 표면 화학을 검증했습니다. 전기적 성능은 Keithley 2400 소스미터로 J-V 곡선, Keysight B1500A 분석기로 C-V 측정을 평가했습니다.

결과 및 논의

구조 및 형태 연구

그림 1b-e에서 In₂S₃ QDs가 구형에 가깝고 균일하게 분포하며 가우시안 경향을 따르는 좁은 크기 분포(1-3 nm, FWHM = 1.12 nm; 평균 = 2.02 nm)를 가짐을 보여줍니다. HRTEM은 0.271 nm, 0.311 nm, 0.373 nm 격자 간격을 보여주며 입방상의 400, 222, 220 면에 해당합니다[18]. FFT 패턴은 잘 정의된 결정 구조를 확인합니다. SEM 이미지는 QDs가 표면 에너지를 줄이기 위해 콤팩트한 클러스터로 응집됨을 나타냅니다. XRD 피크는 400, 222, 220 면과 일치하며, 셔러 공식으로 계산한 입자 크기는 TEM 측정과 일치합니다. 304 cm^-1과 930 cm^-1의 라만 피크는 문헌[19]과 일치합니다. AFM 높이 측정(1.53-2.35 nm)은 TEM 크기를 뒷받침하며 평균 높이 1.94 nm를 산출합니다.

브루스 방정식을 사용하면 QDs는 3.50 eV의 양자 구속 밴드갭을 보여 벌크 값 2.3 eV를 초과합니다. UV-vis 흡수 스펙트라는 225 nm와 283 nm에서 두 피크를 보입니다(그림 2a). (αhv)² vs hv 플롯에서도 3.54 eV 밴드갭을 추출하여 이론적 추정과 훌륭히 일치합니다.

a UV-vis 흡수; 인셋: 밴드갭 추정. b PL 발광(300-450 nm). c PLE 스펙트라; 인셋: 가시광 및 365 nm UV 하 형광. d XPS 전체 스캔. e XPS S 2p. f XPS In 3d_5/2 및 3d_3/2.

250 nm 여기에서 390 nm 주변 PL 피크는 강한 UV 형광을 확인하며, 500-540 nm PLE 피크는 양자 구속으로 인한 흡수 범위 확대를 보여줍니다. XPS는 In-S와 S-C 결합 존재를 확인하며, 시약과 계면활성제에서 온 미량 Cl, Na, O, C를 보여줍니다.

이 QDs로 제작한 광검출기(그림 3a)는 1 V에서 4.13 A W^-1 응답도와 365 nm UV에서 1×10¹³ Jones 검출도를 보여 많은 2D 나노소재 소자를 능가합니다[24, 25]. I-V 특성은 역방향 바이어스와 입사 전력 밀도에 따라 스케일링되는 정류 거동을 보입니다.

a 소자 제작 개략도. b 베어 Au 전극. c-d QD 충전 전극의 광학 현미경 이미지. e-h 소자 성능: J-V, log-J-V, R-V, D* 곡선.

온도 의존 저항 측정(그림 4b)은 온도 상승에 따른 약간의 감소를 보이며, ln ρ vs 1/T 분석으로 0.011 eV 열 활성화 에너지와 4.16×10⁸ Ω cm 핑거 리딩 팩터를 얻었습니다. 정전용량-주파수 연구(그림 4d)는 고주파에서 AC 신호를 감쇠시키는 계면 상태를 나타냅니다. C-V 프로파일링으로 0.6 V 내장 전위와 4.3×10¹⁹ cm^-3 캐리어 농도를 얻어 12.34 nm 고갈 폭을 도출했습니다(그림 4f). 이 매개변수들은 그래핀 QD 소자[30, 31]와 비슷하거나 초과하여 우수한 광검출기 성능을 설명합니다.

a QD 활성층 광검출기. b 1 V 및 2 V에서 R-T. c ln ρ-1/T. d C-F 곡선. e 40 MHz에서 C-V. f 1/C² vs V 분석.

결론

평균 크기 2 nm, 좁은 크기 분포의 결정성 In₂S₃ QDs를 생산하는 빠르고 저온 경로를 확립했습니다. 이 QDs는 UV 광검출기에서 효율적인 독립형 광활성 층으로 작동하며, 증폭 없이 상온 365 nm 조명 하 2×10¹³ Jones의 기록적 검출도를 달성했습니다. 이 방법의 단순성, 저비용, 확장성은 고성능 대면적 In₂S₃ QD 광검출기를 위한 매력적인 플랫폼으로 자리매김합니다.