Top-down and Bottom-up fabrication of graphene quantum dots and their optoelectronic applications

Abstract

지난 수년 동안 집중적인 연구적 관심을 불러 일으키고 있는 그래핀양자점은 측면지름이 약 100 nm 이하이고, 단일-, 이중-, 몇 층의(3 내지 10 개의) 층으로 이루어진 그래핀 시트이다. 그래핀양자점의 높은 표면적, 큰 지름, 유리한 표면결합 이나 표면그룹과 같은 고유특성 뿐만 아니라, 우수한 형광 특성 및 업컨벌젼 형광특성을 바탕으로 광전자공학, 형광센서, 바이오 응용, 촉매반응, 에너지 저장 및 변환 등의 다양한 분야에 적용되고 있다. 본 연구에서는 하향식/상향식 접근방법을 이용하여 크기와 형광특성이 조절된 그래핀양자점을 제조하였으며, 이들의 형성 메커니즘을 체계적으로 고찰하였고, 아울러 광전변환소자, 형광 센서, 바이오 이미징으로의 응용에 대해 살펴보았다. 하향식 접근방법으로, 그래핀양자점은 탄소나노물질의 산화방법과 크기선택적 분리방법을 이용해 제조할 수 있었다. 흥미롭게도, 그래핀양자점의 지름과 형광파장은 시작물질의 형태 디자인과 산화조건의 최적화를 통하여 조절할 수 있었다. 뿐만 아니라, 그래핀 양자점의 균일한 발광특성을 활용하기 위해서, 크기선택적 침전방법을 이용한 분리방법을 제한하였다. 그래핀 양자점을 크기선택적 침전방법을 통해서 추가적인 투석방법 없이 성공적으로 균일한 크기의 그래핀 양자점을 얻을 수 있었다. 상향식 접근방법으로, 여러 도핑물질과 함께 유기전구체의 탄화공정을 이용하여 헤테로원자가 도핑된 그래핀양자점을 제조할 수 있었다. 황산의 촉매조건에서 시트르산은 탈수공정을 통하여 흑연의 정육면체 구조를 형성하며 그래핀 양자점으로 변하였다. 또한 황산과 디메틸포름아미드가 각각 황과 질산 도핑 물질로서 사용되어, 탄화정도가 조절되고, 그람 스케일의, 그리고 높은 형광양자효율(약 61%)을 가진 황과 질소가 도핑된 그래핀양자점을 제조하였다. 본 연구에서 새롭게 개발한 하향식/상향식 접근방법은 제어된 크기 및 모양을 지닌 다양한 종류의 그래핀양자점 제조에 적용될 수 있으며, 이를 통해 전자/광전자 장치, 형광프로브, 바이오이미징, 에너지변환장치를 포함한 여러가지 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.