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양자점이라고 불리는 작고 생산하기 쉬운 입자는 곧 태양 전지 패널, 카메라 센서 및 의료 이미징 도구에 사용되는 고급 전자 제품에서 보다 고가의 단결정 반도체 대신 사용될 수 있다. 양자점은 양자점 TV의 형태로 소비자 시장에 침투하기 시작했지만 품질에 대한 오랜 불확실성으로 인해 어려움을 겪어 왔다. 최근 스탠포드 대학의 연구자가 개발한 새로운 측정 기술이 마침내 그러한 의심을 해소할 수 있다. 전통적인 반도체는 특수 조건 하에서 진공 상태로 성장한 단결정이며 플라스크나 실험실에서 대량으로 만들 수 있으며 이는 최상의 단결정만큼 좋은 것으로 나타났다. (Science, 'Redefining near-unity luminescence in quantum dots with photothermal threshold quantum yield'). 연구팀은 양자점이 흡수하는 빛을 얼마나 효율적으로 재사용하는지에 초점을 맞추어 반도체 품질에 대한 한 가지 지표를 제시했다. 이전에 양자점 효율을 계산하려는 시도가 고성능을 암시했지만, 이것이 단결정과 경쟁할 수 있다는 자신감을 보여주는 최초의 측정 방법이다. 이 물질들은 매우 효율적이어서 기존의 측정으로 얼마나 좋은지를 정량화할 수 없었다. 언젠가는 발광 효율이 99 %를 훨씬 넘는 물질을 필요로 하는 애플리케이션을 언젠가는 개발할 수 있을 것이며, 그 대부분은 아직 발명되지 않았다. 값 비싼 제조 장비에 대한 필요성을 피할 수 있다는 것이 양자점의 유일한 장점이 아니다. 이 연구 이전에도 양자점이 최고의 결정의 성능에 접근하거나 능가할 수 있다는 신호가 있었다. 그들은 또한 매우 사용자 정의할 수 있다. 크기를 변경하면 방출하는 빛의 파장이 바뀌며 생물학적 샘플, TV 또는 컴퓨터 모니터에 태그를 붙이는 것과 같은 색상 기반 응용 프로그램의 유용한 기능이다. 이러한 긍정적인 특성에도 불구하고 작은 크기의 양자점은 하나의 커다란 완벽한 단일 결정체의 연구를 수행하는데 수십억의 시간이 걸릴 수 있음을 의미한다. 이러한 양자점이 너무 많아지면 무언가가 잘못 성장할 가능성이 커지고 성능을 저해할 수 있는 결함이 발생할 확률이 높아진다. 이전에 양자점이 흡수하는 빛의 99 % 이상을 방출한다고 제안된 다른 반도체의 품질을 측정하는 기술은 결함 가능성에 대한 질문에 대답하기에 충분하지 않았다. 이를 위해 연구팀은 이러한 입자를 정확하게 평가하는데 적합한 측정 기술이 필요했다. 99.9 ~ 99.999 퍼센트의 영역에서 방출 효율을 측정하기를 원한다. 왜냐하면 반도체가 흡수하는 모든 광자를 빛처럼 재사용할 수 있다면 이전에는 존재하지 않았던 장치를 만들 수 있기 때문이다. 연구팀의 기술은 과도한 열이 비효율적인 방출이라는 특성 때문에 빛의 방출을 평가하는 것이 아니라 에너지가 공급된 양자점에 의해 생성된 과도한 열을 확인하는 것과 관련이 있다. 이 기술은 일반적으로 다른 물질에 사용되었지만 이런 방식으로 양자점을 측정하는데 사용된 적이 없었으며 다른 사람들이 과거에 사용한 것보다 100 배 더 정확했다. 연구팀은 양자점 그룹이 흡수한 빛의 약 99.6 %를 안정적으로 방출한다는 것을 발견했다. (어느 방향으로든 0.2 %의 잠재적인 오차로) 이는 최고의 단결정 방출과 비교된다. 우려와는 달리, 결과는 양자점이 현저하게 내결함성이 있음을 시사한다. 측정 기술은 또한 서로 다른 양자점 구조가 어떻게 다른지를 단호하게 해결했다. 특수 코팅 재료의 정확히 8 개의 원자 층을 갖는 양자점이 빛을 가장 빠르게 방출하여 우수한 품질을 나타내는 지표이다. 이러한 도트의 모양은 새로운 발광 재료의 디자인을 이끌어야 한다. 이 연구는 열역학적 한계의 광자 (Photonics at Thermodynamic Limits)라고 불리는 에너지 지원 에너지 프론티어 리서치 센터 (Department of Energy-funded Energy Frontier Research Center) 내의 프로젝트 컬렉션의 일부이다. 제니퍼 디온 (Jennifer Dionne) 스탠포드 소재 재료 공학과 조교수가 이끄는 센터의 목표는 가능한 한 높은 효율로 광학 물질 - 빛의 흐름에 영향을 주는 물질 -을 만드는 것이다. 이 프로젝트의 다음 단계는 보다 정확한 측정을 개발하는 것이다. 연구원들이 이 물질들이 99.999 % 또는 그 이상의 효율에 도달했다는 것을 결정할 수 있다면 이전에 결코 보지 못한 기술에 대한 가능성을 열어준다. 여기에는 원자 규모에서 생물학을 바라볼 수 있는 능력을 향상시키는 새로운 빛나는 염료, 비교적 적은 양의 태양 전지가 넓은 태양 복사 영역에서 에너지를 흡수할 수 있는 발광 냉각 장치 및 발광 형 태양 집광 장치가 포함될 수 있다. |
