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태양 전지 또는 광 전기 화학 전지에 사용되는 반도체의 새로운 인공 재료가 완전히 새롭고 맞춤화된 특성으로 설계되었다. 연구팀은 원자 분해능으로 최초의 전형적인 물질 시스템을 특징으로 하고 설계 원리를 설정할 수 있다. 그들의 연구는 광전지 및 광 유도 물 분해와 같은 광전자 공학의 효율성을 증가시키는 새로운 등급의 유리 내 나노 결정 시스템을 개발했다. 막스 플랑크 (Max Planck) 연구원은 저널 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, 'Surface chemistry and buried interfaces in all-inorganic nanocrystalline solids')에서 최신 결과를 발표했다. 나노 결정은 '인공 원자'로 사용되어 전자 응용 분야 및 태양 에너지 전환을 위한 설계 재료를 만들 수 있다. 이 재료는 제어 가능하고 잠재적으로 무독성이며 지구가 풍부하다. 연구팀은 습식 화학 기술을 사용하여 나노 결정을 합성하고 이를 반도체 나노 복합체로 조립했다. 나노 결정을 설계할 때 큰 이점 중 하나는 그 특성을 선택할 수 있다는 것이다. 맞춤화된 '원자'를 개발함에 따라, 원소의 화학적 성질에 더 의존하지 않고 나노 구조화를 통해 표적 물성을 가진 물질을 설계할 수 있게 되었다. 이는 연구원들이 예를 들어 독성 또는 희귀 원소를 제거할 수 있음을 의미한다. 그리고 현재의 모델 시스템은 여전히 독성 원소를 사용하고 있지만 나노 결정이 공기 중에 퍼지지 않도록 나노 결정을 고체 매트릭스에 삽입한다. 현재의 핵심 과제는 표면 및 인터페이스가 크기가 수 나노 미터에 불과하고 재료 내에 포함되기 때문에 나노 결정 자체의 생산이 아니라 오히려 인터페이스 화학 및 결함의 이해와 제어이다. 연구팀팀은 프로토 타이핑 나노 복합체로서 티오스타네이트 (thiostannate, Sn2S64-) 리간드로 덮힌 인듐 비소 나노 입자의 고체에 포함된 인터페이스를 생성하고 분석했다. 이 리간드는 나노 복합체의 합성 중에 사용된다. 이론적 및 실험적 기법의 도움으로 리간드가 손상되지 않은 단위로 흡착되지는 않지만 나노 결정 주위에 비정질 매트릭스를 형성하는 나노 결정 표면과의 접촉 시 분해된다는 것을 발견했다. 분해된 리간드가 나노 결정 표면상의 패시베이션 층을 형성하고 이 층의 상부에만 손상되지 않은 리간드가 흡착할 수 있기 때문에 정확하게 이 매트릭스는 나노 결정 고형물의 전자 전달에 영향을 미친다. 또 다른 패시베이션 메카니즘은 유황이 하부 표면 층에 융합되는 것이다. 비소가 차례로 매트릭스로 확산되어 특성 결함이 형성된다. 이러한 결점은 양과 음의 광전도 사이의 관찰된 스위칭을 설명된다. 시뮬레이션 결과에 따르면 인듐 비소화물 나노 결정은 매트릭스에서 황을 끌어 와서 나노 결정 주위에 황 껍질을 형성하는 것으로 나타났다. 황은 또한 나노 복합체의 결함의 양과 특성에 영향을 미친다. 높은 황 함량은 나노 복합 재료의 댕글링 결합 결함의 수를 감소시키고 나노 결정 사이의 홀 전도성 상호 연결로 작용하는 황 사슬의 형성을 유도한다. 연구팀은 나노 결정 기반 고체의 특성이 나노 결정의 크기, 모양, 조성, 표면 화학 및 상호 작용에 의해 영향을 받는다는 것을 보여주었다. 나노 결정 내부의 전하 캐리어의 강력한 양자 구속은 단일 고 에너지 광자가 전도성에 기여하는 여러 전자-홀 쌍을 생성하는 효율적인 캐리어 증식을 가능하게 한다. 이렇게 하면 광전자 소자를 보다 효율적으로 만들 수 있다. 분자 금속 칼코게나이드 착물로 덮힌 나노 결정은 특히 광 생성 전하의 빠른 추출을 가능하게 하는 높은 전자 이동도를 갖는다. 과학자들은 무기 나노 복합 재료와 보다 일반적으로는 나노 입자인 유리 시스템에서 덮힌 계면을 특성화하기 위한 방법을 개발했다. 이 방법은 맞춤형 나노 물질 디자인에 도움이 될 것이다. 연구자들은 현재 유리와 나노 입자 기술에 관련된 반도체 나노합성물질 기술 제안에 제시된 전략을 사용하고 있다. |
