KR102831455B1 - PREPARING METHOD OF Ag-DOPED MERCURY TELLURIDE NANOCRYSTAL SOLUTION AND INFRARED OPTICAL APPARATUS USING THE SAME - Google Patents
PREPARING METHOD OF Ag-DOPED MERCURY TELLURIDE NANOCRYSTAL SOLUTION AND INFRARED OPTICAL APPARATUS USING THE SAMEInfo
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Abstract
본 발명은 (a) 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 용액에 텔루륨 전구체를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 은 전구체를 첨가하거나, 상기 (b) 단계 이후에 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법 및 이를 이용한 적외선 광학 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, and an infrared optical device using the same, comprising the steps of (a) preparing a solution by adding an amine compound to a mercury precursor; and (b) injecting a tellurium precursor into the prepared solution, wherein a step of performing ligand exchange by adding a silver precursor in step (a) or adding a compound for ligand exchange and the silver precursor after step (b) is added.
Description
본 발명은 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응하기 위한 것으로, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법 및 이를 이용한 적외선 광학 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution and an infrared optical device using the same, for responding to an infrared light source in the mid-infrared region.
국방, 농업, 통신, 첨단 교통, 생물의학 이미징 및 환경 분야에서 중적외선(MWIR) 검출기에 대한 수요가 증가함에 따라, 적외선 재료 가격이 가시광선 재료에 비해 몇배 비싸기 때문에, 중적외선 광전자공학의 비용 절감이 중요해졌다. 에피택셜 성장 재료 및 초격자 구조에 이어, 콜로이드 양자점(CQD)은 파장 조정성, 손쉬운 합성, 용액 가공성 및 고온 절차가 필요 없는 저비용 제작 공정과 같은 우수한 특성으로 인해 차세대 적외선 감응 재료로서 급부상하였다. With the growing demand for mid-infrared (MWIR) detectors in defense, agriculture, communications, advanced transportation, biomedical imaging, and environmental applications, cost reduction in MWIR optoelectronics has become crucial, as infrared materials are several times more expensive than visible-light counterparts. Following epitaxial growth materials and superlattice structures, colloidal quantum dots (CQDs) have emerged as a next-generation infrared-sensitive material due to their superior properties, including wavelength tunability, ease of synthesis, solution processability, and low-cost fabrication processes that do not require high-temperature procedures.
지난 10년 동안 CQD 기반 검출기는 MWIR에 적합한 좁은 벌크 밴드갭 에너지를 갖는 Hg 기반 CQD를 중심으로 점진적으로 연구되었다. HgTe CQD 기반 광전도성 MWIR 검출기에 대한 첫 번째 보고에 이어, Guyot-Sionnest 연구팀은 광전지 HgTe CQD 기반 중적외선 IR 검출기를 입증하였다. p-n 접합은 HgTe(n형) 및 Ag2Te(p형) CQD 층 사이에 구축되었고, 여기서 QD 필름 상태 상에서 Hg 양이온과의 고체 양이온 교환 공정은 Ag2Te CQD 층의 p-도핑 레벨을 제어하였다. 포토다이오드 구조는 노이즈를 억제하고 배경 제한 적외선 광검출(BLIP)에 가깝게 도달하여 상업적으로 유사한 성능을 나타냈다. 광전지 구조의 성공은 CQD 기반 검출기 커뮤니티를 장려했으며, 전자/정공 수송층 및 새로운 광자 구조를 도입하여 한계를 극복하고 적절한 밴드 정렬 및 향상된 흡광도를 달성하는 여러 연구가 이어졌다.Over the past decade, CQD-based detectors have been progressively studied, focusing on Hg-based CQDs, which have a narrow bulk bandgap energy suitable for MWIR. Following the first report of a photoconductive MWIR detector based on HgTe CQDs, the Guyot-Sionnest team demonstrated a photovoltaic HgTe CQD-based mid-infrared (MIR) detector. A pn junction was constructed between HgTe (n-type) and Ag 2 Te (p-type) CQD layers, where a solid-state cation exchange process with Hg cations in the QD film controlled the p-doping level of the Ag 2 Te CQD layer. The photodiode structure suppressed noise and achieved commercially comparable performance, approaching background-limited infrared photodetection (BLIP). The success of the photovoltaic structure encouraged the CQD-based detector community, and several studies have followed to overcome limitations and achieve appropriate band alignment and enhanced absorbance by introducing electron/hole transport layers and novel photonic structures.
그러나, 다음 연구는 초기 HgTe CQD/고체 양이온 교환 Ag2Te CQD 구조에 국한되어, 적절한 p-n 접합 형성에 직접적인 영향을 미치는 양자점의 화학적 성질보다는 추가적인 개선을 위한 보충 재료에 중점을 두었다. 최근 Tang 연구팀은 n-/p-형 특성을 제어하기 위해 HgTe CQD의 용액 상태 리간드 교환 공정을 활용함으로써 p-n 동종접합을 시연했으며, 이는 300K에서도 동종접합의 보다 높은 패킹 밀도로 인해 적외선 흡수가 향상되는 유사한 성능을 나타내었다. 다른 연구에서는 용액 상태 리간드 교환이 CQD의 캐리어 이동성을 최대 1-4배까지 증가시키는 것으로 나타났다. 이는 CQD 특성을 화학적으로 변형하는 것이 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 의미하며, CQD의 화학적 제어에 대한 추가 연구가 필요함을 시사하였다. However, the following studies were limited to the initial HgTe CQD/solid cation-exchanged Ag 2 Te CQD structure and focused on supplementary materials for further improvement rather than the chemical properties of the quantum dots that directly affect the formation of a proper p-n junction. Recently, Tang's group demonstrated a p-n homojunction by utilizing a solution-state ligand exchange process of HgTe CQDs to control the n-/p-type characteristics, which showed similar performance with enhanced infrared absorption due to the higher packing density of the homojunction even at 300 K. Other studies have shown that solution-state ligand exchange increases the carrier mobility of CQDs by up to 1-4 times. This suggests that chemically modifying the CQD properties plays a significant role in determining the performance, and suggests that further studies on the chemical control of CQDs are needed.
HgTe CQD는 도핑 밀도 및 캐리어 이동성과 같은 다양한 방식으로 지속적으로 연구되었지만, 빌트인 전위를 형성하는 데 있어 도핑 상태의 중요성에도 불구하고 p형 CQD가 결핍되었다. 널리 사용되는 Hg 도핑된 Ag2Te CQD는 p형 도핑 재료로서 유망한 성능을 보여주었지만, 고체 상태 후화학 처리에는 p-도핑된 물질의 도핑 밀도 제어를 위한 최적 농도의 극도로 정교한 공정이 필요하기 때문에 추가 최적화 및 응용을 향해 나아가는 데 어려움을 겪었다. 더욱이, 층 내 도핑 밀도의 차이로 인해 적절한 p-n 접합을 형성하기 위해서는 n-도핑된 QD 필름 제작 후에 고체 양이온 교환 공정을 항상 수행해야 한다. Although HgTe CQDs have been continuously studied in various ways, such as in terms of doping density and carrier mobility, p-type CQDs have been lacking, despite the importance of the doping state in forming the built-in potential. While widely used Hg-doped Ag 2 Te CQDs have shown promising performance as a p-type doping material, further optimization and application have been hindered due to the extremely sophisticated process required for solid-state post-chemical processing to control the doping density of the p-doped material to the optimal concentration. Furthermore, due to the difference in doping density within the layer, a solid-state cation exchange process is always required after fabrication of n-doped QD films to form an appropriate p-n junction.
본 발명은 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응하기 위한 것으로, (a) 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 용액에 텔루륨 전구체를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 은 전구체를 첨가하거나, 상기 (b) 단계 이후에 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법 등을 제공하고자 한다. The present invention provides a method for producing a silver-doped tellurized mercury nanocrystal solution, which is sensitive to an infrared light source in the mid-infrared region, and comprises the steps of (a) preparing a solution by adding an amine compound to a mercury precursor; and (b) injecting a tellurium precursor into the prepared solution, wherein a step of performing ligand exchange by adding a silver precursor in step (a) or adding a compound for ligand exchange and the silver precursor after step (b) is added.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명은 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응하기 위한 것으로, (a) 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 용액에 텔루륨 전구체를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 은 전구체를 첨가하거나, 상기 (b) 단계 이후에 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, which is sensitive to an infrared light source in the mid-infrared region, comprising the steps of (a) preparing a solution by adding an amine compound to a mercury precursor; and (b) injecting a tellurium precursor into the prepared solution, wherein a step of performing ligand exchange by adding a silver precursor in step (a) or adding a compound for ligand exchange and the silver precursor after step (b) is added.
상기 은 전구체 및 수은 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:5일 수 있다. The molar ratio of the silver precursor and the mercury precursor may be 1:1 to 1:5.
상기 아민계 화합물은 올레일아민(oleylamine), 옥틸아민(n-octylamine), 아닐린(aniline), 4,4'-바이피리딘(4,4'-bipyridine), p-페닐렌다이아민(p-phenylenedimaine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 트리스(2-아미노에틸)아민(tris(2-aminoethyl)amine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The above amine compound may include at least one selected from the group consisting of oleylamine, n-octylamine, aniline, 4,4'-bipyridine, p-phenylenediamine, ethylenediamine, and tris(2-aminoethyl)amine.
상기 (b) 단계에서 제조된 용액의 온도를 80℃ 내지 120℃로 상승시킨 상태에서 텔루륨 전구체를 주입할 수 있다.The tellurium precursor can be injected while the temperature of the solution prepared in the above step (b) is raised to 80°C to 120°C.
상기 (b) 단계에서 텔루륨 전구체의 주입 후, 포스핀계 화합물 및 제1 티올계 화합물의 리간드 혼합물을 추가로 주입할 수 있다. After injection of the tellurium precursor in the above step (b), a ligand mixture of a phosphine-based compound and a first thiol-based compound can be additionally injected.
상기 리간드 혼합물의 추가 주입은 -10℃ 내지 0℃의 아이스조에서 수행될 수 있다.Additional injection of the above ligand mixture can be performed in an ice bath at -10°C to 0°C.
본 발명의 일 구현예로, 기판; 텔루륨화 수은 나노결정층; 상기 방법으로 제조되고, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층; 및 금속 전극이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는, 적외선 광학 장치를 제공한다. In one embodiment of the present invention, an infrared optical device is provided, characterized in that a substrate; a telluride mercury nanocrystal layer; a silver-doped telluride mercury nanocrystal layer manufactured by the above method; and a metal electrode are sequentially laminated.
상기 텔루륨화 수은에 제2 티올계 리간드가 결합되어 상기 텔루륨화 수은 나노결정층은 n형 특성을 가질 수 있다. A second thiol-based ligand is bonded to the above mercury telluride, so that the mercury telluride nanocrystal layer can have n-type characteristics.
상기 은 도핑된 텔루륨화 수은에 제3 티올계 또는 할로겐화 리간드가 결합되어 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층은 p형 특성을 가질 수 있다. The silver-doped mercury telluride nanocrystal layer can have p-type characteristics by bonding a third thiol-based or halogenated ligand to the silver-doped mercury telluride.
상기 적외선 광학 장치는 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응할 수 있다. The above infrared optical device can be sensitive to an infrared light source in the mid-infrared region.
본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 수은 전구체 및 은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조한 다음, 여기에 텔루륨 전구체를 주입함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또는, 본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조한 다음, 여기에 텔루륨 전구체를 주입한 후에, 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 용액상 고온 주입법 또는 용액상 양이온 교환법을 적용함에 따라, 제법이 단순하고 손쉬운 이점이 있다. The method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution according to the present invention is characterized by comprising the steps of: preparing a solution by adding an amine-based compound to a mercury precursor and a silver precursor, and then injecting a tellurium precursor therein. Alternatively, the method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution according to the present invention is characterized by the steps of: preparing a solution by adding an amine-based compound to a mercury precursor, then injecting a tellurium precursor therein, and then adding a silver precursor and a compound for ligand exchange to perform ligand exchange. That is, the present invention has the advantage of being simple and easy to produce by applying a solution-phase high-temperature injection method or a solution-phase cation exchange method.
이에 따라, 본 발명에 따른 적외선 광학 장치는 기판; n형 특성을 가지는 텔루륨화 수은 나노결정층; p형 특성을 가지고, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층; 및 금속 전극이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 함에 따라, 각 나노결정층을 이루는 필름은 응집 없이 공기에 안정적이며, 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응 특성이 우수하다. 따라서, 과학적, 군사적 및 산업적으로 유용하게 활용될 수 있다. Accordingly, the infrared optical device according to the present invention is characterized by sequentially stacking a substrate; a mercury telluride nanocrystal layer having n-type characteristics; a silver-doped mercury telluride nanocrystal layer having p-type characteristics; and a metal electrode, so that the film forming each nanocrystal layer is stable in air without agglomeration and has excellent sensitivity to an infrared light source in the mid-infrared region. Therefore, it can be usefully utilized scientifically, militaryally, and industrially.
도 1(a)는 Ag-HgTe 및 DDAB 처리된 HgTe NC의 FT-IR 흡수 스펙트럼이고, 도 1(b)는 입방 HgTe 및 단사정계 Ag2Te를 참조한 Ag-HgTe 및 HgTe NC의 XRD 패턴이고, 도 1(c)는 HgTe 및 Ag-HgTe NC의 Hg 4f의 XPS 스펙트럼이며, 도 1(d)는 Ag-HgTe NC의 TEM 이미지(스케일 바 = 10 nm)이다.
도 2(a)는 사파이어/ITO/HgTe/Ag-HgTe/Au 검출기 구조의 개략도이고, 도 2(b)는 FIB를 사용한 HgTe CQD 검출기의 단면 이미지이며, 도 2(c)는 밴드 에너지 다이어그램이다.
도 3은 Ag-HgTe NC 층에서 Ag 함량이 상이한 HgTe CQD 검출기의 특성을 나타낸 것이다. (a) 78K 및 (b) 130K에서 어둠(점선) 및 광선(300℃ 흑체 복사, 실선) 하에 일련의 J-V 특성이다. 300℃ 흑체 복사 하에 작동 온도의 함수로서 (c) 응답성 및 (d) 개방 회로 전압이다.
도 4(a)는 Ag-HgTe NC 층에 사용된 다양한 리간드의 반응성이고, 도 4(b)는 78K에서 상이한 리간드를 가진 검출기의 전류 밀도이다.
도 5(a)는 78K에서 20℃ 및 35℃의 약한 흑체 복사 강도 하에 J-V 특성을 나타낸 것이고, 도 5(b)는 흑체 복사 차이로부터 도출된 시간 의존적 전류 밀도 곡선을 나타낸 것이다. 데이터는 0V에 가까운 -0.005V의 일정한 전압에서 수집되었다. 도 5(c)는 30-45℃의 흑체 복사 하에 J-V 곡선(삽입: 다양한 온도를 가진 0V에서 전류 밀도)을 나타낸 것이고, 도 5(d)는 이미징 측정 설정의 개략도를 나타낸 것이며, 도 5(e)는 실제 이미지(왼쪽) 78K에서 HgTe CQD 검출기로 캡처한 해당 열 이미지(오른쪽)를 나타낸 것이다.Figure 1(a) is the FT-IR absorption spectrum of Ag-HgTe and DDAB-treated HgTe NCs, Figure 1(b) is the XRD pattern of Ag-HgTe and HgTe NCs with reference to cubic HgTe and monoclinic Ag 2 Te, Figure 1(c) is the XPS spectrum of Hg 4f of HgTe and Ag-HgTe NCs, and Figure 1(d) is the TEM image of Ag-HgTe NCs (scale bar = 10 nm).
Fig. 2(a) is a schematic diagram of the sapphire/ITO/HgTe/Ag-HgTe/Au detector structure, Fig. 2(b) is a cross-sectional image of the HgTe CQD detector using FIB, and Fig. 2(c) is a band energy diagram.
Figure 3 shows the characteristics of HgTe CQD detectors with different Ag contents in the Ag-HgTe NC layer. A series of JV characteristics under darkness (dashed line) and light (300°C blackbody radiation, solid line) at (a) 78 K and (b) 130 K. (c) Responsivity and (d) open-circuit voltage as a function of operating temperature under 300°C blackbody radiation.
Figure 4(a) shows the reactivity of various ligands used in the Ag-HgTe NC layer, and Figure 4(b) shows the current density of the detector with different ligands at 78 K.
Figure 5(a) shows the JV characteristics under weak blackbody radiation intensities of 20°C and 35°C at 78 K, and Figure 5(b) shows the time-dependent current density curve derived from the blackbody radiation difference. The data were collected at a constant voltage of −0.005 V near 0 V. Figure 5(c) shows the JV curves under blackbody radiation of 30–45°C (inset: current density at 0 V with various temperatures), and Figure 5(d) shows a schematic diagram of the imaging measurement setup, and Figure 5(e) shows the actual image (left) and the corresponding thermal image (right) captured with the HgTe CQD detector at 78 K.
적외선 콜로이드 양자점(CQD)은 저렴한 제작 비용 및 다양한 적외선 광전자 응용 분야에 대한 손쉬운 파장 조정성으로 인해 관심을 불러일으켰다. 최근에는 화학적 후처리 방법으로 포토다이오드를 형성함으로써, MWIR(중적외선) 양자점 센서를 성공적으로 구현하였다. 양자점 고체의 도핑 밀도를 제어하고 장치 구조를 엔지니어링하려면 극도로 정교한 기술이 요구되고, 이는 일관된 도핑 밀도를 방해하고 기본적인 광물리학 및 제작 공정을 이해하는데 있어 추가 개발을 제한하였다. 이에, 본 발명자들은 새로 합성된 p-도핑된 Ag-HgTe 나노결정(NC)을 통합함으로써, 공기에 안정적이고 재현성이 뛰어난 MWIR CQD 포토다이오드를 보고하였다. Ag-HgTe 합금 NC는 p-도핑된 QD 층을 명확하게 정의하여 도펀트 분포를 균일하게 하고 엔지니어링 장치 제작을 용이하게 하였다. 도핑 밀도를 최적화함으로써, 본 발명자들은 자체 구동형 MWIR 포토다이오드 센서를 사용하여 78K에서, 보고된 최저 값인, 평균 잡음 등가 온도차(NETD)에서 6mK를 달성하였다. Infrared colloidal quantum dots (CQDs) have attracted interest due to their low fabrication cost and easy wavelength tunability for various infrared optoelectronic applications. Recently, mid-infrared (MWIR) quantum dot sensors have been successfully realized by forming photodiodes using chemical post-processing methods. Controlling the doping density of quantum dot solids and engineering the device architecture require extremely sophisticated techniques, which hinder consistent doping density and limit further development in understanding the fundamental photophysics and fabrication processes. Therefore, we report air-stable and highly reproducible MWIR CQD photodiodes incorporating newly synthesized p-doped Ag-HgTe nanocrystals (NCs). The Ag-HgTe alloy NCs clearly define the p-doped QD layer, ensuring a uniform dopant distribution and facilitating the fabrication of engineered devices. By optimizing the doping density, the inventors achieved a mean noise equivalent temperature difference (NETD) of 6 mK at 78 K, the lowest value ever reported, using a self-powered MWIR photodiode sensor.
본 명세서에서 "중적외선 영역"이라 함은 2.5 ㎛ 내지 8.0 ㎛인 범위를 광범위하게 의미하는 것으로, 보다 구체적으로, 2.5 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 범위를 의미한다. 수많은 분자의 주요 흡수 스펙트럼이 이러한 중적외선 영역에 집중되기 때문에, 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응하는 적외선 장치는 과학적, 군사적 및 산업적으로 유용하게 활용될 수 있다. In this specification, the term "mid-infrared region" broadly refers to the range from 2.5 μm to 8.0 μm, and more specifically, the range from 2.5 μm to 5.0 μm. Since the main absorption spectra of numerous molecules are concentrated in this mid-infrared region, infrared devices sensitive to infrared light sources in the mid-infrared region can be usefully utilized for scientific, military, and industrial purposes.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법Method for preparing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution
본 발명은 (a) 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 용액에 텔루륨 전구체를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 은 전구체를 첨가하거나, 상기 (b) 단계 이후에 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 용액상에서 이루어지는 것으로, 용액상 고온 주입법 또는 용액상 양이온 교환법을 적용한 것을 특징으로 한다. The present invention provides a method for preparing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, comprising the steps of (a) preparing a solution by adding an amine compound to a mercury precursor; and (b) injecting a tellurium precursor into the prepared solution, wherein a step of performing ligand exchange by adding a silver precursor in step (a) or adding a compound for ligand exchange and the silver precursor after step (b) is added. That is, the method for preparing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution according to the present invention is characterized in that it is performed in the solution phase, and applies a solution-phase high-temperature injection method or a solution-phase cation exchange method.
먼저, 본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조하는 단계[(a) 단계]를 포함한다. First, the method for preparing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution according to the present invention includes a step [step (a)] of preparing a solution by adding an amine compound to a mercury precursor.
선택적으로, 용액상 고온 주입법에 한해, 상기 수은 전구체와 함께 은 전구체를 첨가할 수 있다. Optionally, for the solution-phase high-temperature injection method only, a silver precursor may be added together with the mercury precursor.
상기 은 전구체 및 수은 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:5일 수 있고, 1:1 내지 3:10인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이로써, 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 내 도핑된 은의 평균 원자 퍼센트는 약 1.0% 내지 약 10.5% 범위일 수 있고, 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 내 도핑된 은의 평균 원자 퍼센트가 증가함에 따라, p형 특성을 향상시킬 수 있다. The molar ratio of the silver precursor and the mercury precursor may be 1:1 to 1:5, preferably 1:1 to 3:10, but is not limited thereto. Accordingly, the average atomic percentage of doped silver in the silver-doped mercury telluride may range from about 1.0% to about 10.5%, and as the average atomic percentage of doped silver in the silver-doped mercury telluride increases, the p-type characteristics may be improved.
상기 은 전구체 및 수은 전구체로는 공지의 화합물을 사용할 수 있고, 예컨대, 상기 은 전구체는 은 클로라이드(Silver chloride)이고, 상기 수은 전구체는 수은 클로라이드(Mercury chloride)일 수 있다. 또한, 상기 아민계 화합물은 올레일아민(oleylamine), 옥틸아민(n-octylamine), 아닐린(aniline), 4,4'-바이피리딘(4,4'-bipyridine), p-페닐렌다이아민(p-phenylenedimaine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 트리스(2-아미노에틸)아민(tris(2-aminoethyl)amine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 올레일아민(oleylamine)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. As the silver precursor and mercury precursor, known compounds may be used. For example, the silver precursor may be silver chloride, and the mercury precursor may be mercury chloride. In addition, the amine compound may include at least one selected from the group consisting of oleylamine, n-octylamine, aniline, 4,4'-bipyridine, p-phenylenediamine, ethylenediamine, and tris(2-aminoethyl)amine, and is preferably oleylamine, but is not limited thereto.
다음으로, 본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 상기 제조된 용액에 텔루륨 전구체를 주입하는 단계[(b) 단계]를 포함한다.Next, the method for preparing a silver-doped telluride mercury nanocrystal solution according to the present invention includes a step [step (b)] of injecting a tellurium precursor into the prepared solution.
상기 제조된 용액의 온도를 80℃ 내지 120℃로 상승시킨 상태에서 텔루륨 전구체를 주입할 수 있다. 상기 텔루륨 전구체는 소수성 리간드-텔루륨일 수 있고, 예컨대, 소수성 리간드는 포스핀계 화합물로서, 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine)일 수 있다. A tellurium precursor can be injected while the temperature of the solution prepared above is raised to 80°C to 120°C. The tellurium precursor may be hydrophobic ligand-tellurium, and for example, the hydrophobic ligand may be a phosphine-based compound, such as trioctylphosphine.
상기 텔루륨 전구체의 주입 후, 포스핀계 화합물 및 제1 티올계 화합물의 리간드 혼합물을 추가로 주입할 수 있고, 상기 리간드 혼합물의 추가 주입은 -10℃ 내지 0℃의 아이스조에서 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 포스핀계 화합물 및 제1 티올계 화합물의 리간드 혼합물은 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine) 및 탄소수가 12개 내지 20개인 티올계 화합물(특히, 1-도데칸티올)의 리간드 혼합물일 수 있다. 이와 같이 탄소수가 12개 내지 20개인 티올계 화합물은 후속 리간드 치환이 용이한 이점이 있다. After the injection of the tellurium precursor, a ligand mixture of a phosphine-based compound and a first thiol-based compound may be additionally injected, and the additional injection of the ligand mixture may be performed in an ice bath at -10°C to 0°C. For example, the ligand mixture of the phosphine-based compound and the first thiol-based compound may be a ligand mixture of trioctylphosphine and a thiol-based compound having 12 to 20 carbon atoms (particularly, 1-dodecanethiol). As such, a thiol-based compound having 12 to 20 carbon atoms has the advantage of being easy to undergo subsequent ligand substitution.
선택적으로, 용액상 양이온 교환법에 한해, 상기 텔루륨 전구체의 주입 및 상기 리간드 혼합물의 추가 주입 후, 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. Optionally, only in the solution phase cation exchange method, a step of performing ligand exchange by adding a silver precursor and a compound for ligand exchange after injection of the tellurium precursor and additional injection of the ligand mixture may be additionally included.
상기 은 전구체의 함량 및 종류에 대해서는 전술한바 있으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한, 상기 리간드 교환을 위한 화합물은 상기 아민계 화합물과 리간드 치환이 용이한 물질(예컨대, 올레일아민(oleylamine))에 해당하여, 텔루륨화 수은에 은 도핑을 용이하게 할 수 있다. Since the content and type of the above-mentioned silver precursor have been described above, a redundant description will be omitted. In addition, the compound for the ligand exchange corresponds to the amine-based compound and a material that is easy to ligand exchange with (e.g., oleylamine), thereby facilitating silver doping into mercury telluride.
상기 첨가시 온도는 18℃ 내지 100℃를 유지하는 것이 바람직하고, 상기 리간드 교환은 1분 내지 120분 동안 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. It is preferable that the temperature during the above addition be maintained at 18°C to 100°C, and the ligand exchange is preferably performed for 1 minute to 120 minutes, but is not limited thereto.
상기 검토한 바와 같이, 본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 수은 전구체 및 은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조한 다음, 여기에 텔루륨 전구체를 주입함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또는, 본 발명에 따른 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법은 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조한 다음, 여기에 텔루륨 전구체를 주입한 후에, 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 용액상 고온 주입법 또는 용액상 양이온 교환법을 적용함에 따라, 제법이 단순하고 손쉬운 이점이 있다. As reviewed above, the method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution according to the present invention is characterized by comprising the steps of: preparing a solution by adding an amine-based compound to a mercury precursor and a silver precursor, and then injecting a tellurium precursor thereto. Alternatively, the method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution according to the present invention is characterized by comprising the steps of: preparing a solution by adding an amine-based compound to a mercury precursor, then injecting a tellurium precursor thereto, and then adding a silver precursor and a compound for ligand exchange to perform ligand exchange. That is, the present invention has the advantage of being simple and easy to produce by applying a solution-phase high-temperature injection method or a solution-phase cation exchange method.
적외선 광학 장치Infrared optical devices
본 발명은 기판; 텔루륨화 수은 나노결정층; 상기 방법으로 제조되고, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층; 및 금속 전극이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는, 적외선 광학 장치를 제공한다.The present invention provides an infrared optical device characterized in that a substrate; a telluride mercury nanocrystal layer; a silver-doped telluride mercury nanocrystal layer manufactured by the above method; and a metal electrode are sequentially laminated.
먼저, 본 발명에 따른 적외선 광학 장치는 기판을 포함하고, 상기 기판은 글라스 또는 사파이어 상에 형성된 ITO층일 수 있다. 이때, 상기 기판(특히, ITO층)의 두께는 30 nm 내지 150 nm일 수 있다. First, the infrared optical device according to the present invention includes a substrate, which may be an ITO layer formed on glass or sapphire. At this time, the thickness of the substrate (particularly, the ITO layer) may be 30 nm to 150 nm.
다음으로, 본 발명에 따른 적외선 광학 장치는 기판 상에 형성된, 텔루륨화 수은 나노결정층을 포함한다. 상기 텔루륨화 수은 나노결정층은 용액상 고온 주입법을 적용하여 제조될 수 있고, 구체적으로, 수은 전구체에 아민계 화합물을 첨가하여 용액을 제조한 다음, 여기에 텔루륨 전구체를 주입함으로써 제조될 수 있다. Next, the infrared optical device according to the present invention includes a mercury telluride nanocrystal layer formed on a substrate. The mercury telluride nanocrystal layer can be manufactured by applying a solution-phase high-temperature injection method, and specifically, can be manufactured by adding an amine-based compound to a mercury precursor to prepare a solution, and then injecting a tellurium precursor into the solution.
이후, 상기 텔루륨화 수은 나노결정층은 n형 특성을 향상시키기 위해, 상기 텔루륨화 수은에 제2 티올계 화합물을 추가 처리하여 용액상 리간드 교환을 통해 상기 텔루륨화 수은에 제2 티올계 리간드를 결합시킬 수 있다. 상기 제2 티올계 화합물은 상대적으로 길이가 짧은 것을 특징으로 한다. 상기 제2 티올계 화합물은 탄소수가 2개 내지 6개인 티올계 화합물로서, 에탄티올(ethanethiol), 1,2-에탄다이티올(1,2-ethanedithiol), 1-헥산티올(1-hexanethiol), 1,6-헥산다이티올(1,6-hexanedithiol) 및 3-머르캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 특히, 1,2-에탄다이티올(1,2-ethanedithiol)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. Thereafter, in order to improve the n-type characteristics of the mercury telluride nanocrystal layer, a second thiol-based compound may be additionally treated to the mercury telluride to bind the second thiol-based ligand to the mercury telluride through solution-phase ligand exchange. The second thiol-based compound is characterized by having a relatively short length. The second thiol-based compound is a thiol-based compound having 2 to 6 carbon atoms, and may include at least one selected from the group consisting of ethanethiol, 1,2-ethanedithiol, 1-hexanethiol, 1,6-hexanedithiol, and 3-mercaptopropionic acid, and in particular, 1,2-ethanedithiol is preferable, but is not limited thereto.
다음으로, 본 발명에 따른 적외선 광학 장치는 상기 텔루륨화 수은 나노결정층 상에 형성된, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층을 포함한다. 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층의 제조방법에 대해서는 전술한바 있으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다. Next, the infrared optical device according to the present invention includes a silver-doped mercury telluride nanocrystal layer formed on the mercury telluride nanocrystal layer. Since the method for manufacturing the silver-doped mercury telluride nanocrystal layer has been described above, a redundant description will be omitted.
이후, 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층은 p형 특성을 향상시키기 위해, 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은에 제3 티올계 또는 할로겐화 화합물을 추가 처리하여 용액상 리간드 교환을 통해 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은에 제3 티올계 또는 할로겐화 리간드를 결합시킬 수 있다. 상기 제3 티올계 화합물은 탄소수가 2개 내지 6개인 티올계 화합물로서, 에탄티올(ethanethiol), 1,2-에탄다이티올(1,2-ethanedithiol), 1-헥산티올(1-hexanethiol), 1,6-헥산다이티올(1,6-hexanedithiol) 및 3-머르캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 공격적인 리간드 교환을 완화시키기 위해, 특히, 1,6-헥산다이티올(1,6-hexanedithiol)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이로써, 필름의 균일성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 한편, 상기 할로겐화 화합물은 세틸트리메틸암모늄 할라이드(Cetyltrimethylammonium halide), 트리메틸암모늄 할라이드(Trimethylammonium halide), 메틸암모늄 할라이드(methylammonium halide), 암모늄 할라이드(ammonium halide), 테트라부틸암모늄 할라이드(tetrabutylammonium halide) 및 부틸암모늄 할라이드(butylammonium halide)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이는 견고한 안정성을 제공하고 전도성을 향상시킬 수 있으며 응답성을 높여 성능을 최적화시킬 수 있는 이점이 있다. Thereafter, the silver-doped mercury telluride nanocrystal layer can be further treated with a third thiol-based or halogenated compound to improve the p-type characteristics, thereby bonding the third thiol-based or halogenated ligand to the silver-doped mercury telluride through solution-phase ligand exchange. The third thiol compound is a thiol compound having 2 to 6 carbon atoms, and may include at least one selected from the group consisting of ethanethiol, 1,2-ethanedithiol, 1-hexanethiol, 1,6-hexanedithiol, and 3-mercaptopropionic acid. In order to alleviate aggressive ligand exchange, 1,6-hexanedithiol is particularly preferred, but is not limited thereto. This has the advantage of improving the uniformity of the film. Meanwhile, the halogenated compound is preferably at least one selected from the group consisting of cetyltrimethylammonium halide, trimethylammonium halide, methylammonium halide, ammonium halide, tetrabutylammonium halide, and butylammonium halide, but is not limited thereto. This has the advantage of providing robust stability, improving conductivity, and increasing responsiveness to optimize performance.
다음으로, 본 발명에 따른 적외선 광학 장치는 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층 상에 형성된, 금속 전극을 포함한다. Next, the infrared optical device according to the present invention includes a metal electrode formed on the silver-doped mercury telluride nanocrystal layer.
또한, 상기 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속 전극의 두께는 30 nm 내지 200 nm일 수 있다. Additionally, the metal electrode may include at least one selected from the group consisting of silver (Ag), aluminum (Al), and gold (Au). At this time, the thickness of the metal electrode may be 30 nm to 200 nm.
이에 따라, 본 발명에 따른 적외선 광학 장치는 기판; n형 특성을 가지는 텔루륨화 수은 나노결정층; p형 특성을 가지고, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층; 및 금속 전극이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 함에 따라, 각 나노결정층을 이루는 필름은 응집 없이 공기에 안정적이며, 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응 특성이 우수하다. 따라서, 과학적, 군사적 및 산업적으로 유용하게 활용될 수 있다. Accordingly, the infrared optical device according to the present invention is characterized by sequentially stacking a substrate; a mercury telluride nanocrystal layer having n-type characteristics; a silver-doped mercury telluride nanocrystal layer having p-type characteristics; and a metal electrode, so that the film forming each nanocrystal layer is stable in air without agglomeration and has excellent sensitivity to an infrared light source in the mid-infrared region. Therefore, it can be usefully utilized scientifically, militaryally, and industrially.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to aid in understanding the present invention. However, the following examples are provided solely to facilitate a better understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.
[실시예][Example]
HgTe NC 합성HgTe NC synthesis
200 mL 3구 플라스크에 HgCl2 1.5 mmol 및 OLAM 50 mL를 넣었고, 진공(~100 mTorr) 하에 100℃에서 1시간 동안 탈기하였다. 텔루륨 전구체 원액(1M TOP-Te)의 경우, 텔루륨 분말 10 mmol을 글로브박스 내에서 100℃에서 1시간 동안 격렬하게 교반하면서 TOP 10 mL에 용해시켰다. Hg 전구체 용액을 탈기시킨 후, 아르곤 흐름 하에 플라스크의 온도를 97℃로 설정하였다. 1M TOP-Te 용액 1.5 mL를 3구 플라스크에 빠르게 주입하였고, 원하는 반응 시간이 지난 후 아이스조 퀀칭으로 DDT 4 mL 및 TOP 4 mL를 주입하였다. 생성물 용액을 클로로포름으로 원심분리하여 부산물을 제거하였다. 상등액을 에탄올로 침전시켰고, 침전물을 클로로벤젠에 재분산시켰다. 재분산된 HgTe를 디도데실디메틸암모늄 브로마이드(DDAB)가 담긴 바이알에 첨가하였고, 45분 동안 교반하여 과량의 리간드를 제거하였다. A 200 mL three-necked flask was charged with 1.5 mmol of HgCl 2 and 50 mL of OLAM, and the mixture was degassed under vacuum (~100 mTorr) at 100°C for 1 h. For the tellurium precursor stock solution (1 M TOP-Te), 10 mmol of tellurium powder was dissolved in 10 mL of TOP with vigorous stirring in a glovebox at 100°C for 1 h. After degassing the Hg precursor solution, the temperature of the flask was set to 97°C under an argon flow. 1.5 mL of the 1 M TOP-Te solution was rapidly injected into the three-necked flask, and after the desired reaction time, 4 mL of DDT and 4 mL of TOP were injected by ice-bath quenching. The product solution was centrifuged with chloroform to remove byproducts. The supernatant was precipitated with ethanol, and the precipitate was redispersed in chlorobenzene. The redispersed HgTe was added to a vial containing didodecyldimethylammonium bromide (DDAB) and stirred for 45 minutes to remove excess ligand.
Ag-HgTe NC 합성Ag-HgTe NC synthesis
Ag-HgTe NC는 HgTe NC와 유사한 방법으로 제조하였다. Ag-HgTe NCs were prepared using a similar method to HgTe NCs.
먼저, 고온 주입법으로, AgCl 분말 0.5 또는 1.5 mmol, HgCl2 1.5 mmol 및 OLAM 50 mL를 200 mL 3구 플라스크에 용해시켰다. 탈기 후, 1M TOP-Te 용액 4 mL를 아르곤 가스 하에 97℃에서 플라스크에 빠르게 주입하였다. 반응은 1분 30초 동안 진행된 다음, 아이스조 퀀칭으로 리간드 혼합 용액(DDT 및 TOP)을 주입하였다. 침전 공정은 HgTe NC와 동일하였다. First, 0.5 or 1.5 mmol of AgCl powder, 1.5 mmol of HgCl 2 , and 50 mL of OLAM were dissolved in a 200 mL three-necked flask using the high-temperature injection method. After degassing, 4 mL of a 1 M TOP-Te solution was rapidly injected into the flask at 97 °C under argon gas. The reaction proceeded for 1 minute and 30 seconds, after which a mixed solution of ligands (DDT and TOP) was injected by ice-bath quenching. The precipitation process was the same as that for HgTe NCs.
또는, 양이온 교환법으로, HgCl2 1.5 mmol 및 OLAM 50 mL를 200 mL 3구 플라스크에 용해시켰다. 탈기 후, 1M TOP-Te 용액 4 mL를 아르곤 가스 하에 97℃에서 플라스크에 빠르게 주입하였다. 반응은 1분 30초 동안 진행된 다음, 아이스조 퀀칭으로 리간드 혼합 용액(DDT 및 TOP)을 주입하였다. 침전 공정은 HgTe NC와 동일하였다. 이후 침전된 HgTe NC를 클로로벤젠에 분산시켰다. AgCl 분말 0.5 또는 1.5 mmol을 OLAM 용액 및 톨루엔에 용해시켜 은 전구체 용액을 준비한 후 아르곤 가스 하에 25℃에서 클로로벤젠에 분산된 HgTe NC 용액에 빠르게 주입하여 30분 동안 리간드 교환을 수행하였다. 이후, 클로로포름 및 에탄올을 주입하여 퀀칭하였다. 침전 공정은 HgTe NC와 동일하였다. Alternatively, by cation exchange method, 1.5 mmol of HgCl 2 and 50 mL of OLAM were dissolved in a 200 mL three-necked flask. After degassing, 4 mL of 1 M TOP-Te solution was rapidly injected into the flask at 97 °C under argon gas. The reaction was carried out for 1 minute and 30 seconds, and then a ligand mixture solution (DDT and TOP) was injected with ice-bath quenching. The precipitation process was the same as that of HgTe NCs. The precipitated HgTe NCs were then dispersed in chlorobenzene. 0.5 or 1.5 mmol of AgCl powder was dissolved in OLAM solution and toluene to prepare a silver precursor solution, which was then rapidly injected into the HgTe NC solution dispersed in chlorobenzene at 25 °C under argon gas to perform ligand exchange for 30 minutes. This was followed by quenching with chloroform and ethanol. The precipitation process was the same as that of HgTe NCs.
장치 제작Device manufacturing
두께 0.65 mm의 사파이어 기판(11 mm×11 mm)을 준비하였다. 인듐 주석 산화물을 기판 상에 전극으로서 70 nm로 스퍼터링하였다. ITO-사파이어 기판을 증류수, 클로로포름, 아세톤 및 IPA로 초음파 처리하여 세척하였다. 건조된 기판을 1%(v/v) MPTMS/톨루엔 용액으로 30초 동안 처리하였고, IPA로 세척하였다. HgTe NC 30 μL를 떨어뜨렸고, 핸들링을 통해 기판의 전체 표면에 퍼뜨렸다. NC 필름을 50℃에서 어닐링한 후, EDT/HCl/IPA(1:1:100 부피비)에 필름을 침지시켰다. 리간드 교환 후, 필름을 IPA로 3회 세척하였다. 이러한 공정을 3~7회 반복하여 활성층 필름을 제작하였다. p형 층의 경우, HgTe 층과 동일한 방법으로 Ag-HgTe NC 30 μL를 사용하였다. EDT, HDT 및 CTAB 리간드를 각각 IPA에 용해시켜, 리간드 교환 효과를 비교하였다. p형 층의 공정을 1~2회 반복하였다. 마지막으로, 열 증발기로 Au 전극(80 nm)을 증착하였다.A 0.65 mm thick sapphire substrate (11 mm × 11 mm) was prepared. Indium tin oxide (ITO) was sputtered onto the substrate to a thickness of 70 nm as an electrode. The ITO-sapphire substrate was cleaned by sonication in distilled water, chloroform, acetone, and IPA. The dried substrate was treated with a 1% (v/v) MPTMS/toluene solution for 30 s and rinsed with IPA. 30 μL of HgTe NCs was dropped and spread over the entire surface of the substrate by handling. After annealing the NC film at 50°C, it was immersed in EDT/HCl/IPA (1:1:100 by volume). After ligand exchange, the film was rinsed three times with IPA. This process was repeated 3–7 times to fabricate an active layer film. For the p-type layer, 30 μL of Ag-HgTe NCs was used in the same manner as for the HgTe layer. EDT, HDT, and CTAB ligands were each dissolved in IPA to compare the ligand exchange effects. The p-type layer process was repeated 1–2 times. Finally, a Au electrode (80 nm) was deposited using a thermal evaporator.
푸리에 변환 적외선 흡수Fourier transform infrared absorption
분해능 0.482 cm-1의 Nicolet iS10 FT-IR로 FTIR 흡수 스펙트럼을 측정하였다. FTIR absorption spectra were measured using a Nicolet iS10 FT-IR with a resolution of 0.482 cm -1 .
X선 회절X-ray diffraction
그래파이트 단색화 Cu Kα(λ=1.54056Å)를 가진 Rigaku Ultima III X선 회절계를 사용하여 XRD 패턴을 측정하였다. 조사 전력은 30 mA로 40kV였다. 샘플링 폭은 0.01˚였다.XRD patterns were measured using a Rigaku Ultima III X-ray diffractometer with graphite monochromated Cu Kα (λ=1.54056Å). The irradiation power was 40 kV at 30 mA. The sampling width was 0.01˚.
고해상도 분석 투과 전자현미경High-resolution analytical transmission electron microscopy
200kV의 가속 전압을 사용하는 Tecnai 20 모델로 HgTe 및 Ag-HgTe NC의 형태를 조사하였다. The morphology of HgTe and Ag-HgTe NCs was investigated using a Tecnai 20 model using an accelerating voltage of 200 kV.
X선 광전자 분광학X-ray photoelectron spectroscopy
단색 Al X선 소스(Al Kα 라인: 1486.6 eV)를 가진 K-알파 모델을 사용하여 XPS 스펙트럼을 측정하였다. XPS 스펙트럼은 C 1s(284.8 eV) 값으로 보정하였다. XPS 스펙트럼으로부터 NC의 원자%를 조사하였다.XPS spectra were measured using a K-alpha model with a monochromatic Al X-ray source (Al Kα line: 1486.6 eV). The XPS spectra were calibrated with C 1s (284.8 eV) values. The atomic % of NC was determined from the XPS spectra.
자외선 광전자 분광학UV photoelectron spectroscopy
21.22 eV의 에너지의 He(I) 라인을 가진 NexsaTM X선 광전자 분광계에 의해 UPS 스펙트럼을 수집하였다. 에너지 단계 크기를 0.050 eV로 설정하였다.UPS spectra were collected by a Nexsa TM X-ray photoelectron spectrometer with the He(I) line at an energy of 21.22 eV. The energy step size was set to 0.050 eV.
집속 이온빔focused ion beam
FEI Helious G5 UC 집속 이온빔을 사용하여 제작된 장치의 단면 표본을 촬영하였다. Cross-sectional samples of the fabricated devices were imaged using an FEI Helious G5 UC focused ion beam.
전계 효과 트랜지스터field effect transistor
300 nm 두께의 SiO2를 갖는 고농도로 n-도핑된 실리콘 웨이퍼를 백게이트 박막 트랜지스터(TFT)용 기판으로 사용하였다. 유기용매로 세척한 후, Ti(5 nm)/Au(50 nm) 인터디지스트된 전극을 열증착시켰고, 웨이퍼를 3 cm×3 cm로 다이싱하였다. 인터디지스트된 전극의 채널 폭 및 길이는 각각 5.28 mm 및 10 μm였다. 각 NC를 드랍 캐스팅하였고, 50℃에서 어닐링하였다. 리간드 교환을 위해 필름을 CTAB 또는 HCl/EDT 용액으로 처리하였고, IPA로 세척하였다. 과정을 1~2회 반복하였다. 반도체 파라미터 분석기(4200A-SCS)를 사용하여 FET의 전달 특성을 측정하였다. A heavily n-doped silicon wafer with 300 nm thick SiO 2 was used as a substrate for a back-gate thin-film transistor (TFT). After cleaning with an organic solvent, Ti (5 nm)/Au (50 nm) interdigitated electrodes were thermally deposited, and the wafer was diced to 3 cm × 3 cm. The channel width and length of the interdigitated electrodes were 5.28 mm and 10 μm, respectively. Each NC was drop-casted and annealed at 50°C. The film was treated with CTAB or HCl/EDT solution for ligand exchange and washed with IPA. The process was repeated 1–2 times. The transfer characteristics of the FET were measured using a semiconductor parameter analyzer (4200A-SCS).
J-V 측정J-V measurement
장치의 전기적 특성화를 위해, 반도체 파라미터 분석기(4200A-SCS)를 사용하여 전류 밀도-전압 스펙트럼을 측정하였다. 작동 온도를 낮추기 위해 CaF2 윈도우가 있는 Janis ST-100 광학 저온유지장치에 제작된 장치를 배치하였다. 장치의 감광성을 확인하기 위해 보정된 흑체(Omega BB703, 300℃)를 적외선 조명 광원으로 사용하였다. JSC 값은 0 전압에서의 전류밀도 값으로 정의하였다.For the electrical characterization of the device, the current density-voltage spectrum was measured using a semiconductor parameter analyzer (4200A-SCS). The fabricated device was placed in a Janis ST-100 optical cryostat with a CaF 2 window to reduce the operating temperature. To verify the photosensitivity of the device, a calibrated blackbody (Omega BB703, 300°C) was used as an infrared illumination source. The J SC value was defined as the current density value at zero voltage.
소음 스펙트럼 밀도 측정Noise spectral density measurement
소음 스펙트럼 밀도 측정을 위해, 장치를 저온유지장치 내부에 연결하였고, 자체 제작 패러데이 케이지에 배치하여 외부 잡음에 대한 노출을 줄였다. 저온유지장치의 온도를 78K로 낮췄다. 저잡음 전류 전치증폭기(Stanford Research Systems, SR570)를 장치에 연결하여 전류 신호를 전압 단위로 증폭하였다. 주파수 종속 전압 RMS 스펙트럼의 경우, FFT 동적 신호 분석기(Stanford Research Systems, SR785)를 사용하였다. To measure noise spectral density, the device was connected to a cryostat and placed in a custom-built Faraday cage to reduce exposure to external noise. The cryostat temperature was lowered to 78 K. A low-noise current preamplifier (Stanford Research Systems, SR570) was connected to the device to amplify the current signal into voltage units. For frequency-dependent voltage RMS spectra, an FFT dynamic signal analyzer (Stanford Research Systems, SR785) was used.
NETD 측정NETD measurement
반도체 매개변수 분석기(4200A-SCS)로부터 시간 의존적 전류 밀도 스펙트럼으로부터 NETD를 계산하였다. -0.005V의 일정한 전압을 장치에 적용하였다. 388초의 측정 동안, 총 4097개 스캔 포인트를 측정하였다. 20℃의 흑체 복사(I3 시스템사 자체 제작)는 150초 동안 유지되다가 80초 만에 35℃로 변화되었다. 20℃에서 전류 밀도 기록으로부터 RMS 값을 계산하였다. NETD was calculated from the time-dependent current density spectrum from a semiconductor parameter analyzer (4200A-SCS). A constant voltage of -0.005 V was applied to the device. A total of 4,097 scan points were measured over a 388-second measurement period. Blackbody radiation (manufactured by I3 Systems) at 20°C was maintained for 150 seconds and then increased to 35°C in 80 seconds. The root mean square (RMS) value was calculated from the current density recording at 20°C.
적외선 이미지 측정Infrared image measurement
제작된 장치의 단일 픽셀을 사용하여 섀도우 마스크의 해당 적외선 이미지를 스캔하였다. 마스크를 X-Y 스캐너 상에 놓았고, 흑체 복사(Thorlab, SLS303)가 마스크의 구멍을 통과하였다. 저온 흑체 복사로 장치를 동작시키기 때문에, SLS303의 셔터를 닫힌 상태로 사용하였다. 스캐닝 렌즈를 저온유지장치 앞에 장착하여 검출기를 통해 이미지를 투사하였다. 저잡음 전류 전치 증폭기(Standford Research Systems, SR570)에서 0.01V의 정전압으로 78K에서 장치를 작동하였다. X-Y 스캐너로 마스크를 이동함으로써 광전류 값을 기록하였다. 50 mm×40 mm 열화상을 구성하기 위한 포인트 수는 가로 101개 및 세로 81개였다.A single pixel of the fabricated device was used to scan the corresponding infrared image of the shadow mask. The mask was placed on an X-Y scanner, and blackbody radiation (Thorlab, SLS303) passed through the hole in the mask. Since the device was operated with low-temperature blackbody radiation, the shutter of the SLS303 was used in the closed state. A scanning lens was mounted in front of the cryostat to project the image through a detector. The device was operated at 78 K with a constant voltage of 0.01 V from a low-noise current preamplifier (Standford Research Systems, SR570). The photocurrent values were recorded by moving the mask with the X-Y scanner. The number of points to construct a 50 mm × 40 mm thermal image was 101 horizontally and 81 vertically.
도 1은 Ag-HgTe 및 HgTe NC의 물리적 특성을 제공하였다. p형 재료의 경우, 중적외선 CQD 광전지 검출기에 대한 이전 보고는 p형 Hg 도핑된 Ag2Te CQD 층을 형성하기 위해 Ag2Te CQD 상에 수은 전구체 용액을 적용함으로써, 고체 상태 양이온 교환 방법을 주로 활용하였다. 후속 양이온 교환법이 상용 검출기에 비교가능한 높은 검출률을 나타냈지만, 필름 균열의 위험이 있었고, p형 재료의 적용이 제한되는 문제가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 발명자들은 Ag-HgTe 합금 NC를 합성하였다.Figure 1 provides the physical properties of Ag-HgTe and HgTe NCs. For p-type materials, previous reports on mid-infrared CQD photovoltaic detectors primarily utilized a solid-state cation exchange method by applying a mercury precursor solution onto Ag 2 Te CQDs to form a p-type Hg-doped Ag 2 Te CQD layer. Although subsequent cation exchange methods showed high detection rates comparable to commercial detectors, there was a risk of film cracking, which limited the application of p-type materials. To overcome these limitations, the present inventors synthesized Ag-HgTe alloy NCs.
간략하게, AgCl(s) 및 HgCl2(s)의 금속 전구체를 올레일아민(OLAM) 용매에 동시에 첨가하였고, 진공 하에 탈기하여 물 및 산소를 제거하였다. 탈기 후, 용액의 온도를 97℃로 설정한 다음, 트리옥틸포스핀-텔루륨(TOP-Te) 용액을 플라스크에 빠르게 주입하였다. 원하는 반응시간 동안 반응을 진행하였고, 추가 리간드인 TOP 및 1-도데칸티올(DDT)을 주입하여 얼음조에서 반응을 퀀칭하였다.Briefly, metal precursors of AgCl(s) and HgCl 2 (s) were simultaneously added to an oleylamine (OLAM) solvent, and the mixture was degassed under vacuum to remove water and oxygen. After degassing, the solution temperature was set to 97°C, and then trioctylphosphine-tellurium (TOP-Te) solution was rapidly injected into the flask. The reaction was allowed to proceed for the desired reaction time, and the reaction was quenched in an ice bath by adding additional ligands, TOP and 1-dodecanethiol (DDT).
도 1(a)는 Ag-HgTe 및 HgTe NC의 흡수 스펙트럼을 보여주었다. 2922cm-1에서 날카로운 피크는 나노결정 표면을 패시베이션하는 DDT, TOP 및 OLAM 리간드에서 C-H 신축의 진동 모드에 해당한다. Ag-HgTe 및 HgTe NC의 밴드갭 엑시톤 피크는 ~3600 및 ~3000cm-1에서 관찰되었다. Ag-HgTe NC의 덜 뚜렷한 밴드갭 흡수 특징은 표면 리간드의 C-H 진동 모드(비대칭 및 대칭)와의 혼합에 기인하였다. 밴드갭 특징은 리간드가 더 짧은 것으로 교환된 후에 명확하게 나타났다. HgTe NC의 밴드갭 흡수는 1,2-에탄다이티올(EDT) 리간드를 처리함으로써 2000cm-1로 적색편이되었으며, 이는 중적외선을 검출하는 데 적합하였다. 이러한 적색편이는 점간 거리가 감소함에 따라 NC의 파동 함수가 중첩됨에 따라 발생하였다.Figure 1(a) shows the absorption spectra of Ag-HgTe and HgTe NCs. The sharp peak at 2922 cm -1 corresponds to the vibrational modes of CH stretching in the DDT, TOP, and OLAM ligands that passivate the nanocrystal surface. The bandgap exciton peaks of Ag-HgTe and HgTe NCs were observed at ~3600 and ~3000 cm -1 . The less pronounced bandgap absorption feature of Ag-HgTe NCs was attributed to mixing with the CH vibrational modes (asymmetric and symmetric) of the surface ligands. The bandgap feature became clear after the ligands were exchanged for shorter ones. The bandgap absorption of HgTe NCs was redshifted to 2000 cm -1 by treatment with 1,2-ethanedithiol (EDT) ligands, which is suitable for mid-IR detection. This redshift occurred due to the overlap of the wavefunctions of the NCs as the interpoint distance decreased.
XRD 패턴은 HgTe NC의 결정 구조가 뚜렷한 (111), (220) 및 (311) 면을 가진 아연 혼합 입방 상임을 나타내었다(도 1(b)). 0.37nm의 격자 간격은 (111) 면 평면에 해당하였고, 이는 HgTe의 아연 혼합 구조에 해당하였다(도 1(b)). Ag-HgTe NC의 XRD 패턴은 HgTe NC의 Ag 도핑을 입증하였고, 입방 HgTe와 관련된 주요 피크 및 단사정계 Ag2Te와 관련된 작은 피크를 보여주었다. Ag-HgTe의 아연 혼합 피크는 보다 낮은 2θ 값으로 약간 이동되었고, 이는 Ag를 HgTe 격자에 통합함으로써 도핑된 NC가 보다 높은 격자 매개변수로 확장되었음을 나타내었다(도 1(b)). Ag-HgTe 및 HgTe NC의 격자 매개변수는 브래그 법칙에 의해 계산되었으며, 그 결과 Ag-HgTe NC의 격자 매개변수는 6.452nm로 HgTe NC(6.432nm) 보다 더 컸다. 도 1(b)에서 Ag-HgTe의 XRD 패턴은 후술하는 10.5% Ag 도핑과 연관되어 있었고, 이는 2.0% Ag 도핑 HgTe의 패턴과 비교되었다. The XRD pattern indicated that the crystal structure of HgTe NCs was a zinc mixed cubic phase with distinct (111), (220), and (311) planes (Fig. 1(b)). The lattice spacing of 0.37 nm corresponded to the (111) plane, which corresponded to the zinc mixed structure of HgTe (Fig. 1(b)). The XRD pattern of Ag-HgTe NCs demonstrated the Ag doping of HgTe NCs, showing a major peak associated with cubic HgTe and a minor peak associated with monoclinic Ag 2 Te. The zinc mixed peak of Ag-HgTe was slightly shifted to lower 2θ values, indicating that the doped NCs expanded to higher lattice parameters by incorporating Ag into the HgTe lattice (Fig. 1(b)). The lattice parameters of Ag-HgTe and HgTe NCs were calculated by Bragg's law, and the results showed that the lattice parameter of Ag-HgTe NCs was 6.452 nm, which was larger than that of HgTe NCs (6.432 nm). The XRD pattern of Ag-HgTe in Fig. 1(b) was associated with 10.5% Ag doping, which was described later, and was compared with the pattern of 2.0% Ag-doped HgTe.
또한, HgTe 및 Ag-HgTe NC의 X선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼은 Ag 도펀트에 따른 결합 에너지의 차이를 보여주었다(도 1(c)). Hg-Te 및 Hg-S 결합 상태를 나타내는 2개 Hg 4f 피크는 HgTe NC와 비교하여 Ag-HgTe NC에서 0.47eV 보다 낮은 결합 에너지로 이동되었다. 마찬가지로, Ag-HgTe NC의 Te 3d 피크 역시 HgTe NC의 결합 에너지보다 낮은 결합 에너지에 위치하였다. 이는 Hg 양이온과 Te 음이온 사이의 화학적 상호작용이 Ag 결합으로 인해 변경되었음을 입증하였다. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra of HgTe and Ag-HgTe NCs showed differences in binding energies depending on the Ag dopant (Fig. 1(c)). The two Hg 4f peaks representing Hg-Te and Hg-S bonding states were shifted to a lower binding energy of 0.47 eV in Ag-HgTe NCs compared to HgTe NCs. Similarly, the Te 3d peak of Ag-HgTe NCs was also located at a lower binding energy than that of HgTe NCs. This demonstrated that the chemical interaction between Hg cations and Te anions was altered due to Ag bonding.
TEM 이미지는 HgTe NC의 사면체 모양과 다른 Ag-HgTe NC의 길쭉한 형태를 보여주었다(도 1(d)). 평균 길이 및 너비는 각각 ~11.2 및 ~4.5nm이고, 종횡비가 ~2.5임을 나타내었다. (111) 면이 길쭉한 형태를 형성하는 데 지배적인 역할을 하며, 일반적으로 나노와이어가 (111) 면에서 성장한다는 것은 잘 알려져 있다. HgTe의 고속 푸리에 변환(FFT) 분석이 입방 HgTe의 주요 면((111), (220) 및 (311) 면에 각각 대응하는 3.7Å, 2.3Å 및 1.9Å)과 관련된 3개 면간 거리를 균일하게 보여준 반면, Ag-HgTe의 면간 거리는 (111) 면에 대응하는 3.7 Å의 면간 거리가 TEM 이미지에서 입증된 바와 같이, Ag-HgTe NC에서 관찰되었음을 알렸다. 또한, 에너지 분산 분광법(EDS) 맵핑을 수반하는 Ag-HgTe NC의 TEM 이미지는 Ag, Hg 및 Te 원자의 균일한 분포를 보여주었다. TEM images showed an elongated morphology of Ag-HgTe NCs, which was different from the tetrahedral shape of HgTe NCs (Fig. 1(d)). The average length and width were ~11.2 and ~4.5 nm, respectively, indicating an aspect ratio of ~2.5. It is well known that the (111) plane plays a dominant role in forming the elongated morphology, and nanowires are generally grown along the (111) plane. While fast Fourier transform (FFT) analysis of HgTe showed uniform interplanar distances associated with the three major planes of cubic HgTe (3.7 Å, 2.3 Å, and 1.9 Å, corresponding to the (111), (220), and (311) planes, respectively), the interplanar distance of Ag-HgTe was 3.7 Å, which corresponds to the (111) plane, as evidenced by the TEM images, indicating that an interplanar distance of 3.7 Å was observed in Ag-HgTe NCs. Additionally, TEM images of Ag-HgTe NCs accompanied by energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping showed a uniform distribution of Ag, Hg, and Te atoms.
Hg 원자 및 Ag 원자의 원자가 전자가 각각 2 및 1임을 고려하면, Hg 원자를 Ag 원자로 대체하면 전자 결핍 결합이 발생하여 p-도핑 특성으로 이어졌다. 도핑 특성을 확인하기 위해, 전계 효과 트랜지스터 측정을 수행하였다. Ag-HgTe NC의 컨덕턴스는 게이트 전위가 증가함에 따라 감소하여 Ag-HgTe NC의 p형 특성을 입증하였다. 반대로, HgTe NC는 n형 재료의 특성인 반대 거동을 나타내었다. 따라서, HgTe 및 Ag-HgTe NC는 각각 포토다이오드용 n형 및 p형 재료에 적합하였다.Considering that the valence electrons of Hg and Ag atoms are 2 and 1, respectively, replacing Hg atoms with Ag atoms resulted in electron-deficiency bonding, leading to p-doping characteristics. To confirm the doping characteristics, field-effect transistor measurements were performed. The conductance of Ag-HgTe NCs decreased with increasing gate potential, demonstrating the p-type nature of Ag-HgTe NCs. In contrast, HgTe NCs exhibited the opposite behavior, which is characteristic of n-type materials. Therefore, HgTe and Ag-HgTe NCs are suitable as n-type and p-type materials for photodiodes, respectively.
제작된 MWIR NC 포토다이오드의 구조는 사파이어/ITO/HgTe/Ag-HgTe/Au였다. 그 개략도는 도 2(a)에 나타내었다. 사파이어 기판 및 ITO 전극은 적외선 영역에서 상대적으로 투명성이 높기 때문에 사용되었다. LBL(layer-by-layer) 방법으로 HgTe 및 Ag-HgTe NC 층을 증착하였다. HgTe 필름을 EDT/HCl로 처리하여 n형 특성을 강화시켰다. 단면 집속 이온빔(FIB)을 사용하여 440 nm 두께의 HgTe NC 층 증착시킨 필름의 이미지는 장치의 FIB 이미지(도 2(b))에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 층의 최종 두께가 각각 440nm 및 45nm임을 나타내었다. LBL 방법으로 증착한 NC층의 단면은 극도로 매끄러워 장치의 성능을 향상시켰다.The structure of the fabricated MWIR NC photodiode was sapphire/ITO/HgTe/Ag-HgTe/Au. Its schematic is shown in Fig. 2(a). The sapphire substrate and ITO electrode were used because of their relatively high transparency in the infrared region. HgTe and Ag-HgTe NC layers were deposited layer-by-layer (LBL) using the LBL method. The HgTe film was treated with EDT/HCl to enhance the n-type characteristic. The image of the film, in which a 440 nm thick HgTe NC layer was deposited using a cross-section focused ion beam (FIB), showed that the final thicknesses of the n-type and p-type layers were 440 nm and 45 nm, respectively, as shown in the FIB image of the device (Fig. 2(b)). The cross-section of the NC layer deposited using the LBL method was extremely smooth, which improved the performance of the device.
ITO의 일함수는 4.5-4.7 eV 사이인 것으로 보고되었기 때문에, HgTe NCs(4.5 eV)의 전도대 위치와 호환되며, 전자 전달에 대한 장벽을 최소화하고 적절한 전자 접촉으로 작동하였다. 도 2(c)는 자외선 광전자 분광법(UPS)으로 분석된 HgTe CQD 검출기의 밴드 정렬을 보여주었다. HgTe 및 Ag-HgTe NC 사이의 전도대 오프셋은 전자가 반대쪽으로 흐르는 것을 효과적으로 방지하였다. 상부 전극의 경우, 적외선 복사에 대한 탁월한 후면 반사재로서 기능 때문에 Au를 사용하였다.Since the work function of ITO is reported to be between 4.5 and 4.7 eV, it is compatible with the conduction band position of HgTe NCs (4.5 eV), minimizing the barrier to electron transport and operating as an appropriate electronic contact. Figure 2(c) shows the band alignment of the HgTe CQD detector analyzed by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). The conduction band offset between HgTe and Ag-HgTe NCs effectively prevented electrons from flowing in the opposite direction. For the top electrode, Au was used because of its function as an excellent back reflector for infrared radiation.
도 2에서 제작된 포토다이오드 장치의 성능은 78K 및 130K에서 검사되었다(도 3(a) 및 (b)). 이러한 장치는 명확한 정류 특성을 제공하여, 빌트인 전위가 n- 및 p- 도핑된 재료 사이의 접합부에서 잘 형성되었음을 입증하였다. 정류 안정성과 관련하여, 전류 밀도-전압(J-V) 곡선은 78 내지 240K의 다양한 온도에서 측정되었다. 정류 특징은 최대 150K까지 뚜렷하게 유지되지만, 온도가 150K를 초과하면 누설 전류가 증가하였다. The performance of the fabricated photodiode device in Fig. 2 was tested at 78 K and 130 K (Fig. 3(a) and (b)). These devices exhibited clear rectification characteristics, demonstrating that a built-in potential was well formed at the junction between the n- and p-doped materials. Regarding the rectification stability, current density-voltage (J-V) curves were measured at various temperatures from 78 to 240 K. The rectification characteristics were clearly maintained up to 150 K, but the leakage current increased when the temperature exceeded 150 K.
다음 식을 사용하여 응답성을 계산하였다. Responsiveness was calculated using the following equation.
(1) (1)
이때, J는 광전류 밀도이고, P는 광원의 전력 밀도(300°C 흑체에서 21.7 mW/cm2)이다. 가장 높은 응답성은 78K 및 130K에서 각각 0.31 및 0.58A/W였다. 고온 작동 광검출기의 중요성을 고려할 때, 응답성이 78K에서 보다 130K에서 더 높다는 점은 주목할 가치가 있다.Here, J is the photocurrent density and P is the power density of the light source (21.7 mW/cm 2 at a 300°C blackbody). The highest responsivity was 0.31 and 0.58 A/W at 78 K and 130 K, respectively. Considering the importance of high-temperature operating photodetectors, it is worth noting that the responsivity is higher at 130 K than at 78 K.
Ag 도핑 효과는 Hg에 대한 Ag 전구체 비율을 제어하여 다양한 온도에서 추가로 연구되었다. 각 Ag-HgTe 내 실제 Ag 함량은 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS) 및 광학 방출 분석법(ICP-OES)으로 분석되었다. Hg에 대한 Ag 전구체 비율이 1일 때 Ag의 평균 원자 퍼센트는 10.5%인 반면, Hg에 대한 Ag 전구체 비율이 0.3이면 Ag는 2.0%였다. 이하에서는 Ag가 10.5% 함유된 Ag-HgTe를 '10.5% Ag'로, Ag가 2.0% 함유된 Ag-HgTe를 '2.0% Ag'로 명명하였다. 합성 및 제작 방법은 동일했으며 Hg 대 Ag 전구체 비율이 유일한 변수라는 점에 유의해야 한다.The Ag doping effect was further studied at various temperatures by controlling the Ag precursor to Hg ratio. The actual Ag content in each Ag-HgTe was analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). When the Ag precursor to Hg ratio was 1, the average atomic percentage of Ag was 10.5%, whereas when the Ag precursor to Hg ratio was 0.3, Ag was 2.0%. Hereinafter, Ag-HgTe containing 10.5% Ag is referred to as "10.5% Ag," and Ag-HgTe containing 2.0% Ag is referred to as "2.0% Ag." It should be noted that the synthesis and fabrication methods were identical, with the Hg to Ag precursor ratio being the only variable.
도 3(c)는 2.0% 및 10.5% Ag-HgTe NC로 제작된 장치의 온도 의존 개방 회로 전압(VOC)을 나타내었다. VOC는 다음과 같이 주어진 온도와 선형 관계를 보여주었다.Figure 3(c) shows the temperature-dependent open-circuit voltage (V OC ) of devices fabricated with 2.0% and 10.5% Ag-HgTe NCs. V OC showed a linear relationship with the temperature as given below.
(2) (2)
이때, Ea는 활성화 에너지, n은 다이오드 이상 계수, k는 볼츠만 상수, T는 온도, JSC는 광전류, J00는 역포화 전류 사전 인자이다. 0K에서, VOC는 밴드갭 에너지와 가까워야 하는 반면, 10.5% Ag 및 2.0% Ag-HgTe 장치의 VOC는 HgTe NC의 밴드갭 에너지(~0.36eV)보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 개방 회로 전압 부족이 에너지 장애로 인해 발생하여 상태 밀도와 비방사성 재결합이 확대됨을 의미하였다. 식 (1)에 따르면, JSC가 높을수록 보다 높은 VOC가 유도되며, 이는 10.5% Ag 및 2.0% Ag-HgTe 장치 사이의 실험 결과에서 입증되었다. Here, E a is the activation energy, n is the diode ideality factor, k is the Boltzmann constant, T is the temperature, J SC is the photocurrent, and J 00 is the reverse saturation current prefactor. At 0 K, V OC should be close to the band gap energy, but the V OC of the 10.5% Ag and 2.0% Ag-HgTe devices showed values lower than the band gap energy of HgTe NCs (~0.36 eV). This meant that the open-circuit voltage deficiency was caused by energy disorder, which expanded the density of states and non-radiative recombination. According to Equation (1), a higher J SC leads to a higher V OC , which was demonstrated in the experimental results between the 10.5% Ag and 2.0% Ag-HgTe devices.
10.5% Ag 및 2.0% Ag-HgTe NC로 제작된 장치에 대해 온도 의존적 응답성을 측정하였다(도 3(d)). 10.5% Ag-HgTe NC는 2.0% Ag-HgTe NC에 비해 보다 높은 성능을 나타냈으며, 응답성 차이는 120-140K에서 약 2배였다. 2.0% 및 10.5% Ag-HgTe NC의 차이를 조사하기 위해, 자외선 광전자 분광법(UPS)을 수행하여 페르미 레벨 위치를 확인하였다. 페르미 레벨 및 가전자대 엣지는 10.5% Ag-HgTe NC에서 0.22eV 떨어져 있는 반면, 2.0% Ag-HgTe NC에서는 0.32eV 떨어져 있으며, 이는 10.5% Ag-HgTe NC의 페르미 준위가 2.0% Ag-HgTe NC와 비교하여 가전자대에 훨씬 더 가깝다는 것을 나타내었다. UPS 결과는 Ag 함량이 높을수록 p형 특성이 높아진다는 점을 확증하였다. 또한, Ag 대 Hg 전구체 비가 1:0.3 내지 1:1로 세부적으로 변하는 경우, Ag 전구체 비율이 증가함에 따라 응답성이 향상되었다. Ag-HgTe NC의 강력한 p-도핑은 적절한 빌트인 전위를 형성하는 데 중요한 역할을 하여 상당한 성능 향상을 가져왔다. Ag 10.5%에서 가장 높은 성능을 얻었으므로, 추가 최적화를 위해 p형 재료로 사용하였다. Temperature-dependent responsivity was measured for devices fabricated with 10.5% Ag and 2.0% Ag-HgTe NCs (Fig. 3(d)). 10.5% Ag-HgTe NCs exhibited higher performance than 2.0% Ag-HgTe NCs, and the responsivity difference was approximately twofold at 120–140 K. To investigate the difference between 2.0% and 10.5% Ag-HgTe NCs, ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) was performed to determine the Fermi level position. The Fermi level and valence band edge were separated by 0.22 eV in 10.5% Ag-HgTe NCs, whereas they were separated by 0.32 eV in 2.0% Ag-HgTe NCs, indicating that the Fermi level of 10.5% Ag-HgTe NCs is much closer to the valence band than that of 2.0% Ag-HgTe NCs. UPS results confirmed that higher Ag content enhanced the p-type characteristics. Furthermore, when the Ag to Hg precursor ratio was varied in detail from 1:0.3 to 1:1, the response improved with increasing Ag precursor ratio. The strong p-doping of the Ag-HgTe NCs played a crucial role in forming an appropriate built-in potential, resulting in significant performance enhancement. The highest performance was achieved at 10.5% Ag, which was used as the p-type material for further optimization.
물질의 고유 밴드 레벨을 결정하는 도핑 밀도와 함께, 전하 수송을 촉진하는 필수 단계인 리간드 교환은 장치에서 밴드 정렬을 실질적으로 수정하였다. NC는 표면에 민감하기 때문에, 각 리간드를 구성하는 원자와의 상이한 상호 작용은 표면 쌍극자 모멘트를 변경하였고, 이는 환경 페르미 레벨과 관련된 전도 또는 가전자대 위치를 이동시켰다. 또한, 리간드는 결함 부위에 대한 필러 역할을 하여 트랩 부위를 패시베이션시키고 결국 전자 밀도를 변화시킬 수 있었다. 리간드 유형만 변경하면 밴드 레벨에서 거의 1eV의 이동이 발생하는 것으로 보고되었다. 또한, 리간드는 필름 균일성 및 NC 층의 표면에 영향을 미쳐 장치의 성능 및 안정성에 실질적으로 영향을 미쳤다. 종래 EDT는 유망한 성능을 실현함으로써 그 우수성을 보여주었지만, 짧은 알킬 티올 리간드의 높은 반응성은 신속하고 공격적인 교환 과정을 유발하여 부분적으로 응집된 필름을 생성할 수 있었다. 더욱이, 유기 분자는 산화 및 열에 취약하며 이는 장치의 공기 안정성 및 수명과 직접적인 관련이 있었다. 따라서, 보다 좋고 오래 지속되는 성능을 위해서는 상이한 리간드를 조사할 필요가 있다.Along with the doping density, which determines the intrinsic band levels of the material, ligand exchange, an essential step in promoting charge transport, substantially modified the band alignment in the device. Because NCs are surface-sensitive, different interactions with the atoms constituting each ligand altered the surface dipole moment, which shifted the conduction or valence band positions relative to the environmental Fermi level. Furthermore, ligands could act as fillers for defect sites, passivating trap sites and ultimately altering the electron density. Changing the ligand type alone has been reported to result in a shift of nearly 1 eV in the band levels. Furthermore, ligands significantly impact device performance and stability by affecting film uniformity and the surface of the NC layer. While conventional EDTs have demonstrated promising performance, the high reactivity of short alkyl thiol ligands can induce rapid and aggressive exchange processes, resulting in partially aggregated films. Furthermore, organic molecules are susceptible to oxidation and heat, which directly impact the air stability and lifetime of the device. Therefore, exploring different ligands is necessary for achieving better and longer-lasting performance.
종래 리간드인 EDT와의 비교를 위해, 1,6-헥산다이티올(HDT) 및 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 선택하였다. HDT는 긴 유기 사슬로 인해 공격적인 교환 과정을 완화하고 필름 균일성에 기여할 것으로 예상되었다. 반면, CTAB는 무기 리간드로서 NC 층에 보다 견고한 환경 안정성을 제공하고 NC의 파동함수 중첩을 강화하여 보다 나은 전도성을 제공할 수 있었다. 차이를 확인하기 위해, 앞서 최적화된 p형 재료(10.5% Ag-HgTe NC)를 위한 서로 다른 리간드를 사용하여 동일한 방법으로 모든 장치를 제작하였고, 각 응답성은 21개 장치의 평균이였다.For comparison with the conventional ligand, EDT, 1,6-hexanedithiol (HDT) and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) were selected. HDT, due to its long organic chain, was expected to mitigate the aggressive exchange process and contribute to film uniformity. On the other hand, CTAB, as an inorganic ligand, could provide more robust environmental stability to the NC layer and enhance the wavefunction overlap of the NC, resulting in better conductivity. To verify the difference, all devices were fabricated using the same method using different ligands for the previously optimized p-type material (10.5% Ag-HgTe NC), and each response was the average of 21 devices.
도 4(a) 및 (b)는 표준 편차와 함께 3개 상이한 리간드를 사용하는 장치의 평균 응답성 및 J-V 곡선을 보여주었다. 그 결과, CTAB를 사용하면 EDT에 비해 응답성이 거의 두 배 더 향상될 수 있었다. CTAB 처리된 장치의 특정 탐지율은 다음 식과 같다.Figures 4(a) and (b) show the average response and J-V curves of devices using three different ligands, along with their standard deviations. The results show that the use of CTAB can nearly double the response compared to EDT. The specific detection rate of the CTAB-treated device is given by the following equation.
(3) (3)
이때, N은 스펙트럼 잡음 밀도(0.5pA/Hz1/2), R은 응답성(0.58A/W), A는 검출기의 면적(1.05mm2)이다. 스펙트럼 노이즈 밀도 측정을 기반으로, 가장 높은 특정 탐지율은 130K에서 1.15Х1011 Jones였다.Here, N is the spectral noise density (0.5 pA/Hz 1/2 ), R is the responsivity (0.58 A/W), and A is the area of the detector (1.05 mm 2 ). Based on spectral noise density measurements, the highest specific detectivity was 1.15Х10 11 Jones at 130 K.
차이점을 알아보기 위해, 본 발명자들은 리간드 처리된 NC 필름에 UPS를 수행하여 밴드 에너지 레벨을 면밀히 조사하였다. 정확한 비교를 위해 필름을 소자와 동일한 두께로 제작하였다. UPS 스펙트럼은 EDT 처리된 Ag-HgTe NC 층의 에너지 레벨이 다소 얕다는 것을 입증하였고, 여기서 원자가 밴드는 HgTe NC 층의 전도 밴드와 유사하였다. 대조적으로, CTAB 처리된 Ag-HgTe NC 층(10.5% Ag)의 가전자대는 HgTe NC 층의 전도대보다 0.33eV 더 깊어 p-n 접합을 형성하는 데 더 유리하였다.To investigate the differences, we performed UPS on the ligand-treated NC films to closely examine the band energy levels. For accurate comparison, the films were fabricated with the same thickness as the devices. UPS spectra demonstrated that the energy levels of the EDT-treated Ag-HgTe NC layer were somewhat shallower, with the valence band being similar to the conduction band of the HgTe NC layer. In contrast, the valence band of the CTAB-treated Ag-HgTe NC layer (10.5% Ag) was 0.33 eV deeper than the conduction band of the HgTe NC layer, which was more favorable for forming a p-n junction.
다양한 밴드 정렬 외에도, 보다 나은 응답성은 브롬화물 원자 리간드에 의한 보다 안정적인 표면 패시베이션에 기인하였다. 음으로 하전된 표면을 만들 수 있는 EDT 및 HDT와 같은 2가 리간드와는 달리, 1가 브롬화물 이온은 NC 표면의 각 양이온에 결합하여 전하 중성 표면을 제공할 수 있었다. 따라서, 이는 원하지 않는 재조합 경로를 방해하여 효과적인 결함 패시베이션에 기여하였다. 또한, 브롬화물 리간드는 EDT에 비해 느린 교환 속도를 나타내는 동시에 원자 구성으로 인해 입자간 간격을 EDT에 비해 0.1 nm 더 짧게 효과적으로 줄였다. 이는 NC가 전자가 전극을 향해 이동하는 에너지 장벽을 낮추는 전도성이 보다 높은 덜 응집된 필름을 형성할 수 있음을 나타내었다.In addition to the various band alignments, the better responsivity was attributed to the more stable surface passivation by the bromide atom ligands. Unlike divalent ligands such as EDT and HDT, which can create a negatively charged surface, the monovalent bromide ion could bind to each cation on the NC surface, providing a charge-neutral surface. Therefore, it contributed to effective defect passivation by interfering with unwanted recombination pathways. Furthermore, the bromide ligand exhibited a slower exchange rate than EDT, while its atomic configuration effectively shortened the interparticle spacing by 0.1 nm compared to EDT. This indicated that the NC could form a more conductive, less-agglomerated film, which lowers the energy barrier for electrons to move toward the electrode.
전반적으로 보다 높은 응답성에도 불구하고, CTAB가 있는 장치는 상이한 장치 사이의 응답성에 큰 표준 편차를 나타내었다. 이는 알코올을 사용하여 잔류 리간드를 세척하는 고체 리간드 교환 공정에 기인할 수 있었다. 할로겐화물은 양성자에 취약하기 때문에, 알코올 세척 공정으로 인해 NC 표면 상에서 할로겐화물 이온을 탈착시켜 트랩 사이트를 형성할 수 있다. 그러나, CTAB를 사용하는 장치의 응답성이 가장 낮더라도 EDT 및 HDT를 사용하는 장치의 평균 응답성을 능가하며, 이는 교환 프로세스가 추가로 최적화될 때 CTAB의 유망한 역할을 보여주었다. 또한, HDT는 온화한 리간드 교환 속도로 인해 EDT보다 상대적으로 더 높은 응답성을 나타내었다. 그럼에도 불구하고, 보다 긴 유기 사슬이 NC 사이에 보다 높은 에너지 장벽을 형성할 수 있기 때문에 개선은 중요하지 않으며, 이는 짧은 원자 CTAB 리간드의 우수한 성능을 다시 강조하였다. 또한, CTAB 처리된 장치는 하나의 장치에서 모든 셀을 통해 일관된 정류 특성을 보였고, CTAB 처리가 균일한 리간드 교환을 제공할 수 있음을 입증하였다.Despite the overall higher responsivity, devices with CTAB exhibited a large standard deviation in responsivity between different devices. This could be attributed to the solid-state ligand exchange process, which uses alcohol to wash away residual ligands. Because halides are susceptible to protonation, the alcohol wash process can desorb halide ions from the NC surface, forming trap sites. However, even with the lowest responsivity, the device using CTAB surpassed the average responsivity of devices using EDT and HDT, demonstrating the promising role of CTAB when the exchange process is further optimized. Furthermore, HDT exhibited relatively higher responsivity than EDT due to its mild ligand exchange rate. Nevertheless, the improvement was not significant because longer organic chains can form a higher energy barrier between NCs, reiterating the superior performance of short-atom CTAB ligands. Furthermore, CTAB-treated devices exhibited consistent rectification characteristics across all cells in a single device, demonstrating that CTAB treatment can provide uniform ligand exchange.
적외선 검출기의 NETD(노이즈 등가 온도차)는 온도의 작은 변화에 대한 민감도를 보여주는 필수 요소이다. NETD 값이 낮으면 높은 열 분해능으로 적외선 카메라를 작동할 수 있다. CTAB 처리된 Ag-HgTe 장치는 20℃ 및 35℃의 흑체 복사 하에 JSC 값에 눈에 띄는 차이를 보여주었다(도 5(a), (b)). 흑체 복사 온도 변화에 따른 광전류는 도 6(b)에 나타난 바와 같으며, NETD는 다음과 같이 계산되었다.The Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of an infrared detector is an essential parameter that indicates its sensitivity to small temperature changes. A low NETD value allows the infrared camera to operate with high thermal resolution. The CTAB-treated Ag-HgTe device showed a noticeable difference in J SC values under blackbody radiation at 20°C and 35°C (Figs. 5(a), (b)). The photocurrent according to the blackbody radiation temperature change is shown in Fig. 6(b), and the NETD was calculated as follows.
(4) (4)
이때, ΔT는 온도 차이고, ΔJs는 2개 흑체 복사 강도 사이에서 측정된 광전류 밀도 차이이며, Jn은 특정 온도에서 JSC 값으로부터 계산된 RMS 노이즈이다. ΔT는 15℃이다. ΔJs는 시간에 따른 전류 밀도 곡선에서 관찰한 결과 0.13 mA/cm2이다. 2.381Х10-8 A/cm2의 Jn은 20℃에서 JSC 값으로부터 계산된다. 여기서, NETD 값은 3mK로, HgTe 기반 광검출기의 이전 보고에 비해 최고 결과였다. 이론적 NETD 방정식을 고려하면, Here, ΔT is the temperature difference, ΔJ s is the difference in photocurrent density measured between two blackbody radiances, and J n is the RMS noise calculated from the J SC values at a given temperature. ΔT is 15°C. ΔJ s is 0.13 mA/cm 2 observed from the time-dependent current density curve. J n of 2.381Х10 -8 A/cm 2 is calculated from the J SC values at 20°C. Here, the NETD value was 3 mK, which is the best result compared to previous reports of HgTe-based photodetectors. Considering the theoretical NETD equation,
(5) (5)
이때, A는 장치 영역이고, D*는 탐지율이다. 현저히 낮은 NETD는 여기서 제작된 장치의 넓은 면적(1.05 mm2)에 의해 부분적으로 영향을 받을 수 있다. NETD가 에 반비례하고 여기서 연구한 장치의 면적이 다른 연구에 비해 상대적으로 크기 때문에, NETD를 3 mK 정도로 낮게 표시하는 것이 합리적이다. 낮은 NETD 값은 응답성이 1℃의 흑체 복사로 구별되는 J-V 곡선에 의해 추가로 입증되었다(도 5(c)).Here, A is the device area and D * is the detection rate. The significantly lower NETD may be partly due to the large area (1.05 mm2 ) of the device fabricated here. NETD Since the area of the device studied here is relatively large compared to other studies, it is reasonable to indicate the NETD as low as 3 mK. The low NETD value is further evidenced by the JV curve, which is distinguished by its responsiveness to blackbody radiation at 1°C (Fig. 5(c)).
낮은 NETD 값과 함께, 전압 및 변화하는 온도 하에 높은 안정성은 실제 사용에 필수적이다. -0.3V 내지 0.3V의 바이어스 전압 및 78K 내지 300K에서 변화하는 온도에서 100회 측정을 통해 장치 성능의 안정성을 시험하였다. 측정 절차는 다음과 같다. 1) 78K에서, 장치는 상이한 흑체 복사(20℃, 35℃, 300℃)로 3회 스윕하였고, 150K에서 동일한 절차를 반복하였다. 총 6개 스캔을 측정하였다. 2) 진공 내에서 온도를 RT(300K)로 올렸다가 다시 78K로 낮추었다. 3) 1-2단계를 18회 반복하여 총 108회 스캔을 스위핑하였다. 첫번째 측정의 응답성 값을 100%로 설정하면, 103회 스위프 후에도 장치 성능이 약 최대 80%까지 유지되어 다양한 전압 및 온도에서 우수한 안정성을 나타내었다.Along with low NETD value, high stability under voltage and varying temperature is essential for practical use. The stability of device performance was tested through 100 measurements at bias voltages ranging from -0.3 V to 0.3 V and temperatures varying from 78 K to 300 K. The measurement procedure was as follows. 1) At 78 K, the device was swept three times with different blackbody radiations (20 °C, 35 °C, 300 °C), and the same procedure was repeated at 150 K. A total of six scans were measured. 2) The temperature was raised to RT (300 K) in vacuum and then lowered back to 78 K. 3) Steps 1 and 2 were repeated 18 times, resulting in a total of 108 sweeps. When the response value of the first measurement was set to 100%, the device performance was maintained up to about 80% even after 103 sweeps, indicating excellent stability over various voltages and temperatures.
마지막으로, 열화상을 스캔하여 CTAB 처리된 Ag-HgTe 검출기의 성능을 시각적으로 입증하였다. CTAB 처리된 Ag-HgTe 검출기의 적외선 이미징을 위한 스캐닝 이미지 시스템은 도 5(d)에 나타내었고, 이미징 설정의 세부 사항은 실험 부분에 요약되어 있다. 마스크의 열화상은 검출기의 단일 픽셀로 얻어졌으며, 이미지는 마스크의 명확한 특징을 보여주었다(도 5(e)). 마스크의 구멍을 통과한 흑체 복사를 검출기에 투영하였고, 픽셀에서 생성된 광전류를 기록하여 적외선 이미지를 구성하였다. 50 mm×40 mm 열화상을 구성하기 위한 포인트 수는 가로 101개였고, 세로 81개였다. p-CTAB 처리된 Ag-HgTe/n-HgTe QD 검출기는 3 mK의 열복사 차이를 구별할 수 있으므로, HgTe CQD 기반 검출기는 MCT 또는 InSb 기반 에피택시 반도체 검출기를 대체할 수 있는 탁월한 잠재력을 보여주었다.Finally, the performance of the CTAB-treated Ag-HgTe detector was visually verified by scanning the thermal image. The scanning imaging system for infrared imaging of the CTAB-treated Ag-HgTe detector is illustrated in Fig. 5(d), and the details of the imaging setup are summarized in the experimental section. The thermal image of the mask was acquired with a single pixel of the detector, and the image showed clear features of the mask (Fig. 5(e)). Blackbody radiation passing through the hole in the mask was projected onto the detector, and the photocurrent generated at the pixel was recorded to construct the infrared image. The number of points for constructing a 50 mm × 40 mm thermal image was 101 horizontally and 81 vertically. Since the p-CTAB-treated Ag-HgTe/n-HgTe QD detector can distinguish a difference in thermal radiation of 3 mK, the HgTe CQD-based detector showed excellent potential to replace MCT or InSb-based epitaxial semiconductor detectors.
요약하면, 본 발명자들은 78K에서 3mK의 NETD에서 최고 기록을 가진 MWIR CQD 기반 광검출기를 성공적으로 제작하였다. 원포트 합성 방법으로 p-도핑된 Ag-HgTe NC를 합성하였다. 이러한 손쉬운 합성 방법을 사용하면, 은 도핑 비율을 제어할 수 있으며, 이는 장치에서 적절한 밴드 정렬을 만들었다. 또한, 은 도핑 비율이 증가함에 따라, Ag-HgTe NC의 p형 특성은 향상되었으며, 응답성은 130K에서 0.58A/W에 도달하였다. QD 필름의 전도성을 결정하는 리간드 교환은 장치 성능을 향상시키는데 핵심이었다. 1가 브롬화물 이온은 Ag-HgTe NC의 표면을 패시베이션하여, 필름의 응집을 방지하였다. 그 결과, p-CTAB 처리된 Ag-HgTe/n-HgTe QD 장치는 기존 HgTe CQD 기반 광검출기에 비해 최고 NETD 값을 달성하였다. 이는 QD 층의 표면이 극도로 매끄러우며 장치의 면적이 넓어 잘 분포된 CQD 층을 제작함으로써 노이즈를 효율적으로 억제하는데 기인하였다. 장치의 단일 픽셀에서 열화상을 성공적으로 획득하였다. Ag-HgTe p형 재료를 사용한 HgTe CQD 기반 장치 결과는 저비용 및 고감도 MWIR 열 감지 카메라에 적용할 수 있는 큰 잠재력을 나타내었다.In summary, we successfully fabricated a MWIR CQD-based photodetector with a record-breaking NETD of 3 mK at 78 K. We synthesized p-doped Ag-HgTe NCs using a one-pot synthesis method. This facile synthesis method allowed for controllable silver doping, which resulted in appropriate band alignment in the device. Furthermore, as the silver doping ratio increased, the p-type characteristics of the Ag-HgTe NCs improved, and the responsivity reached 0.58 A/W at 130 K. Ligand exchange, which determines the conductivity of the QD film, was key to improving device performance. Monovalent bromide ions passivated the surface of the Ag-HgTe NCs, preventing film aggregation. As a result, the p-CTAB-treated Ag-HgTe/n-HgTe QD device achieved the highest NETD value compared to conventional HgTe CQD-based photodetectors. This was attributed to the effective noise suppression achieved by fabricating a well-distributed CQD layer with an extremely smooth QD layer surface and a large device area. Thermal images were successfully acquired from a single pixel of the device. The results of the HgTe CQD-based device using Ag-HgTe p-type material showed great potential for application in low-cost and high-sensitivity MWIR thermal imaging cameras.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only. Those skilled in the art will readily appreciate that modifications to other specific embodiments can be made without altering the technical spirit or essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (10)
(b) 상기 제조된 용액에 텔루륨 전구체를 주입하는 단계를 포함하되,
상기 (a) 단계에서 은 전구체를 첨가하거나, 상기 (b) 단계 이후에 은 전구체 및 리간드 교환을 위한 화합물을 첨가하여 리간드 교환을 수행하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법.
(a) a step of preparing a solution by adding an amine compound to a mercury precursor; and
(b) comprising a step of injecting a tellurium precursor into the solution prepared above,
A method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, characterized in that a step of performing ligand exchange is added by adding a silver precursor in the step (a) above or by adding a compound for ligand exchange and a silver precursor after the step (b).
상기 은 전구체 및 수은 전구체의 몰비는 1:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, characterized in that the molar ratio of the silver precursor and the mercury precursor is 1:1 to 1:5.
상기 아민계 화합물은 올레일아민(oleylamine), 옥틸아민(n-octylamine), 아닐린(aniline), 4,4'-바이피리딘(4,4'-bipyridine), p-페닐렌다이아민(p-phenylenedimaine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 트리스(2-아미노에틸)아민(tris(2-aminoethyl)amine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, characterized in that the amine compound comprises at least one selected from the group consisting of oleylamine, n-octylamine, aniline, 4,4'-bipyridine, p-phenylenediamine, ethylenediamine, and tris(2-aminoethyl)amine.
상기 (b) 단계에서 제조된 용액의 온도를 80℃ 내지 120℃로 상승시킨 상태에서 텔루륨 전구체를 주입하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, characterized in that a tellurium precursor is injected while the temperature of the solution produced in the above step (b) is raised to 80°C to 120°C.
상기 (b) 단계에서 텔루륨 전구체의 주입 후, 포스핀계 화합물 및 제1 티올계 화합물의 리간드 혼합물을 추가로 주입하는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, characterized in that after injection of a tellurium precursor in the above step (b), a ligand mixture of a phosphine-based compound and a first thiol-based compound is additionally injected.
상기 리간드 혼합물의 추가 주입은 -10℃ 내지 0℃의 아이스조에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액의 제조방법.
In paragraph 5,
A method for producing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution, characterized in that the additional injection of the above ligand mixture is performed in an ice bath at -10°C to 0°C.
상기 기판 상에 텔루륨화 수은 나노결정층을 적층시키는 단계;
제1항 내지 제6항 중 어느한 항에 따른 방법을 통해 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정 용액을 제조한 다음, 이를 상기 텔루륨화 수은 나노결정층 상에 처리하여 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층을 적층시키는 단계; 및
상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층 상에 금속 전극을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 적외선 광학 장치의 제작방법.
Steps to prepare the substrate;
A step of depositing a telluride mercury nanocrystal layer on the above substrate;
A step of preparing a silver-doped mercury telluride nanocrystal solution using a method according to any one of claims 1 to 6, and then treating the solution on the telluride mercury nanocrystal layer to deposit a silver-doped mercury telluride nanocrystal layer; and
A method for manufacturing an infrared optical device, characterized in that it comprises a step of depositing a metal electrode on the silver-doped mercury telluride nanocrystal layer.
상기 텔루륨화 수은에 제2 티올계 리간드가 결합되어 상기 텔루륨화 수은 나노결정층은 n형 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 적외선 광학 장치의 제작방법.
In paragraph 7,
A method for manufacturing an infrared optical device, characterized in that a second thiol-based ligand is bonded to the above mercury telluride, and the above mercury telluride nanocrystal layer has n-type characteristics.
상기 은 도핑된 텔루륨화 수은에 제3 티올계 또는 할로겐화 리간드가 결합되어 상기 은 도핑된 텔루륨화 수은 나노결정층은 p형 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 적외선 광학 장치의 제작방법.
In paragraph 7,
A method for manufacturing an infrared optical device, characterized in that a third thiol-based or halogenated ligand is bonded to the silver-doped mercury telluride, so that the silver-doped mercury telluride nanocrystal layer has p-type characteristics.
상기 적외선 광학 장치는 중적외선 영역의 적외선 광원에 감응하는 것을 특징으로 하는, 적외선 광학 장치의 제작방법.In paragraph 7,
A method for manufacturing an infrared optical device, characterized in that the infrared optical device is sensitive to an infrared light source in the mid-infrared region.
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-
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ACS Nano, Vol. 12, 2018, pp7264-7271(2018.07.05)* * |
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