기계/재료

복건물질구조연구소 희토도핑반도체 나노발광재료 연구진전

발행일 : 2011 / 09 / 30

희토이온과 반도체 나노결정(혹은 양자점) 자체는 모두 매우 좋은 발광재료로서, 양자를 효과적으로 결합시키면 신형의 고효율 발광 혹은 레이저부품을 생성할 수 있는지는 줄곧 국내외 학자가 주목하는 이슈가 되었다. 절연체 나노결정에 비해 반도체 나노결정의 엑시톤 보어 반경이 많이 크기에 양자구속효과가 반도체도핑 나노결정 발광성능에 미치는 영향은 매우 뚜렷하며 치수제어를 통해 광전성능을 지닌 신형의 발광재료를 설계할 수 있다. 또한 희토이온과 메트릭스 양이온과의 이온반경 차이가 크기에 전하가 매칭되지 않으며 3가 희토이온은 일반적으로 결정격자위치를 대체하는 형태로 반도체(ZnO와 TiO2) 나노결정에 도핑시키기 힘들다. 현재 국내외 연구결과가운데 대부분은 희토의 반도체 나노결정표면이나 혹은 근접표면의 발광효과는 미약한 수준이다. 따라서 희토이온의 벌크도핑을 실현하는 것은 중요한 이슈가 되었다.

과기부 863계획과 973계획, 국가자연과학기금, 중국과학원 백인계획, 복건성 걸출청년프로그램의 지원을 받아 중국과학원 복건물질구조연구소 광전기재료화학물리 중점실험실의 천쉐웬(陳學元)연구팀은 희토반도체도핑 나노결정연구에서 새로운 성과를 올렸다. 이 연구팀은 희토이온의 TiO2 나노결정중의 벌크도핑을 실현하였고 아나타제(Anatase) TiO2 구모양 다결정 응집체가운데서 희토이온의 강한 빛을 관찰하였다. 저온 고해상도 형광스펙트럼실험을 통해 Er3+의 TiO2 나노결정중의 국부 전자구조와 결정장 에너지등급에 대해 체계적인 분석과 계산을 하였으며 처음으로 실험을 통해 단일 격자위치를 차지하는 Er3+의 아나타제 TiO2중의 전부 결정장 변수를 확정하였다.

이 결과는 기타 희토이온의 이산화티타늄 반도체 나노결정중의 광스펙트럼성능 및 국부구조를 연구하는데 중요한 의의를 지닌다. 연구결과는 9월 20일 Small(DOI: 10.1002/smll.201100838)온라인판에 발표되었다.

이에 앞서 연구팀은 유로퓸이온을 광스펙트럼 탐침으로 이용해 Eu3+의 TiO2중의 멀티그리드 위치 및 Eu3+의 국부구조 대칭성이 원래의 D2d에서 D2와 C2v로 감소되었다는 사실을 입증하였고(J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 10370), Sm3+, Nd3+을 도핑한 TiO2나노결정으로 TiO2 기질로부터 Sm3+와 Nd3+로의 효율적인 에너지전달을 실현하였으며(J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 8772), 희토를 도핑한 ZnO(Opt. Express, 2009, 17, 9748; J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 686), SnO2 (Opt. Lett. 2009, 34, 1873), In2O3(J. Phys. Chem. C,2010, 114, 9314)등의 반도체 나노발광재료의 연구에서 성과를 올렸다.

정보출처 : 복건물질구조연구소