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Electronic Structure and Elemental Composition of the Lead Sulfide Colloidal Quantum Dots Depending on the Types of Ligand and Post-Treatment

리간드 종류와 후처리 공정에 따른 황화납 콜로이드 양자점 박막의 전자 구조 및 원소 조성 분석

  • Kim, Tae Gun (Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS)) ;
  • Choi, Hyekyoung (Korea institute of Machinery and Materials (KIMM)) ;
  • Jeong, Sohee (Korea institute of Machinery and Materials (KIMM)) ;
  • Kim, Jeong Won (Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS))
  • Received : 2016.07.26
  • Accepted : 2016.10.11
  • Published : 2016.12.20
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Abstract

Thin films of lead sulfide colloidal quantum dots (CQDs) of 2.8 nm in diameter are fabricated and their surfaces are passivated by 3-mercaptopropionic acid (MPA) ligand or hybrid type ($MPA+CdCl_2$) ligand, respectively. The changes in valence band electronic structure and atomic composition of each PbS CQD film upon post-treatment such as air, N2 annealing or UV/Ozone have been studied by photoelectron spectroscopy. The air annealing makes the CQD fermi level to move toward the valence band leading to "p-type doping" regardless of ligand type. The UV/Ozone post-treatment generates $Pb(OH)_2$, $PbSO_x$ and PbO on both CQD surfaces. But the amount of the PbO has been reduced in hybrid type ligand case, especially. That is probably because the extra Pb cations in (111) surface are additionally passivated by $Cl_2$ ligand, which limits the reaction between the Pb cation and ozone.

3-Mecaptopropionic acid (MPA) 리간드와 하이브리드 타입 리간드($MPA+CdCl_2$)로 각각 부동화(passivation) 된 2.8 nm 크기의 황화납 콜로이드 양자점 박막을 제작하고, 각각을 대기 중, 질소 분위기에서 열처리, 오존 처리 하였을 때 나타나는 두 양자점 박막의 전자 구조와 조성 원소의 변화를 광전자 분광법을 이용하여 연구하였다. 대기에서 열처리는 리간드 종류와 관계없이 황화납 양자점의 가전자대 시작점이 공통적으로 약한 p-도핑 효과가 있음을 직접적으로 확인할 수 있었다. 또한, 오존처리 후 두 황화납 양자점 표면에 공통적으로 $Pb(OH)_2$, $PbSO_x$, PbO를 형성하는 것을 확인하였다. 하지만, 오존에 의해 형성된 산화물 중 PbO 성분은 특별히 하이브리드 타입 리간드로 부동화 된 양자점에서 형성된 양이 MPA 리간드만으로 부동화 된 양자점과 비교했을 때 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이것은 PbS(111) 격자면에 있는 과량의 Pb 표면이 $Cl_2$으로 부동화되면서, Pb 양이온과 오존의 반응을 차단함으로써 PbO의 형성을 어렵게 했기 때문으로 추정된다.

Keywords

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