KR102061617B1 - Colloid quantum dot composite passivated by graphene flakes and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

개시된 콜로이드 양자점 복합체는, 반도체 물질을 포함하는 양자점 코어 및 상기 양자점 코어를 둘러싸는 패시베이션층을 포함하며, 상기 패시베이션층은 양이온성 계면활성제 및 그래핀 플레이크를 포함한다.The disclosed colloidal quantum dot composite includes a quantum dot core comprising a semiconductor material and a passivation layer surrounding the quantum dot core, the passivation layer comprising a cationic surfactant and graphene flakes.

Description

그래핀 플레이크로 패시베이션된 콜로이드 양자점 복합체 및 그 제조 방법{COLLOID QUANTUM DOT COMPOSITE PASSIVATED BY GRAPHENE FLAKES AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}COLLOID QUANTUM DOT COMPOSITE PASSIVATED BY GRAPHENE FLAKES AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 양자점 복합체의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 그래핀 플레이크로 패시베이션된 콜로이드 양자점 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a quantum dot composite. More specifically, the present invention relates to a colloidal quantum dot composite passivated with graphene flakes and a method of manufacturing the same.

콜로이드 양자점은 수 나노미터 크기의 코어 (Core) 또는 코어-쉘 (Core-Shell) 구조를 가지는 반도체 나노결정으로서, 입자의 크기에 따라 자외선부터 적외선 영역까지 다양한 파장의 발광 특성 조절이 가능하여, 발광 다이오드나 레이저 등의 광전소자 뿐 아니라 바이오이미징을 위한 형광 염료로도 적용 가능성이 매우 유망한 무기나노재료이다.Colloidal quantum dots are semiconductor nanocrystals having a core or core-shell structure of several nanometers in size, and can control emission characteristics of various wavelengths from ultraviolet to infrared depending on particle size. It is an inorganic nano material that is very promising as a fluorescent dye for bioimaging as well as photoelectric devices such as diodes and lasers.

그러나 무기 양자점의 표면은 주기적인 결정구조가 깨지므로 표면에 있는 원자들의 결합이 끊어진 본드 (Dangling bond)에 의해 표면 결함을 유발하고, 이는 양자점의 발광효율을 크게 떨어트리거나 장파장 대에서 원하지 않는 넓은 선폭의 발광을 유발하여 색순도를 저하시키게 된다. 이와 같은 표면 결함에 의한 발광효율 감소를 최소화하기 위해 올레산, 옥타데실아민, 헥사데실아민 등 알킬사슬을 포함하는 캐핑 리간드를 양자점의 표면에 배위하여 양자점의 광 안정성을 향상시키고자 하는 노력이 있었다. 그럼에도 불구하고, 여전히 산소나 수분에 노출될 경우 및 광산화 반응에 의해 응집되어 가라앉거나, 광 특성이 현저하게 저하되는 문제점이 발생하여 양자점의 실질적인 적용을 어렵게 하고 있다.However, the surface of the inorganic quantum dot is broken by the periodic crystal structure, causing surface defects due to the broken bonds of atoms on the surface, which greatly reduces the luminescence efficiency of the quantum dot or unwanted wide in the long wavelength band It causes the light emission of the line width to reduce the color purity. In order to minimize the decrease in luminous efficiency due to such surface defects, efforts have been made to improve the light stability of quantum dots by coordinating capping ligands including alkyl chains such as oleic acid, octadecylamine, hexadecylamine on the surface of the quantum dots. Nevertheless, there is still a problem that when exposed to oxygen or moisture and agglomerated by the photooxidation reaction, the optical properties are significantly reduced, making the practical application of the quantum dot is difficult.

특히, 형광 이미징이나 형광공명에너지전이 등의 생물학적 응용을 위해서는 수분산 상태에서 안정된 광 특성을 가지는 양자점을 필요로 하는데, 일반적으로 친유성 리간드를 친수성 리간드로 맞교환하거나, 친수기/친유기를 모두 포함하는 계면활성제를 친유성 리간드로 배위되어 있는 양자점 표면에 이중층으로 코팅하는 방법 등을 사용하여 수용액에 분산시키게 된다. 이 과정에서 친유성 리간드가 탈착될 수 있으며, 탈착된 부분이 결함으로 작용하여 수분이나 산소에 의해 산화되기 쉬운 환경이 된다.Particularly, biological applications such as fluorescence imaging and fluorescence resonance energy transfer require quantum dots having stable optical properties in a dispersed state. Generally, lipophilic ligands are exchanged with hydrophilic ligands or interfaces containing both hydrophilic and lipophilic groups are used. The active agent is dispersed in an aqueous solution using a method of coating a double layer on the surface of the quantum dot coordinated with a lipophilic ligand. In this process, the lipophilic ligand may be desorbed, and the desorbed portion acts as a defect, making the environment easily oxidized by water or oxygen.

예를 들면, 비특허문헌 1은 카드뮴셀레나이드 (Cadmium Selenide, CdSe) 계열의 양자점을 계면활성제를 사용하여 수용액에 재분산시킬 경우, 리간드 탈착에 의한 결함 생성으로 인해 발광 특성이 저하되는 이유에 대해 보고하고 있다.For example, Non-Patent Document 1 describes the reason why luminescence properties are deteriorated due to defect generation due to ligand desorption when redispersion of a quantum dot of Cadmium Selenide (CdSe) series into an aqueous solution using a surfactant. I'm reporting.

따라서, 양자점 수용액의 안정적인 광학적 성능을 유지하기 위한 양자점 표면에 추가적인 친수성 패시베이션의 역할이 중요하다.Therefore, the role of additional hydrophilic passivation on the surface of the quantum dot to maintain a stable optical performance of the quantum dot aqueous solution is important.

현재 상용화되고 있는 카드뮴 기반의 반도체 양자점은 높은 색순도와 우수한 양자효율을 가지지만, 청색 계열 양자점의 경우 적색이나 녹색 (직경 5 나노미터 이상)에 비해 작은 코어 사이즈 (직경 3 나노미터 이하)가 요구되어 합성 과정이 까다롭고, 광산화에 의한 표면 결함이 발생하기 쉬워 광 안정성이 상대적으로 떨어지는 단점이 있다. 이에 따라, 코어 사이즈가 작은 황화카드뮴 (Cadmium Sulfide, CdS) 또는 셀렌화카드뮴 (Cadmium Selenide, CdSe) 등의 2성분 코어 물질을 사용하는 대신, 코어 사이즈가 큰 황화카드뮴 아연 (Cadmium Zinc Sulfide, CdZnS) 3성분 합금 형태의 코어 물질 사용 및 황화아연 (ZnS) 쉘 코팅을 통하여 합성을 용이하게 하는 동시에, 우수한 발광 특성을 얻을 수 있다.Currently commercially available cadmium-based semiconductor quantum dots have high color purity and excellent quantum efficiency, but blue-based quantum dots require a smaller core size (3 nanometers or less in diameter) than red or green (5 nanometers or more in diameter). The synthesis process is difficult, and surface defects are easily generated due to photooxidation, so that light stability is relatively low. Accordingly, instead of using a bicomponent core material such as Cadmium Sulfide (CdS) or Cadmium Selenide (CdSe) having a small core size, Cadmium Zinc Sulfide (CdZnS) having a large core size is used. The use of a core material in the form of a three-component alloy and zinc sulfide (ZnS) shell coating facilitates the synthesis and at the same time obtains excellent luminescence properties.

이러한 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점의 친환경적인 청색 형광염료로의 효과적인 응용을 위해, 수분산시 발생할 수 있는 물리화학적 특성 변이에 의한 광 특성 저하를 막고, 장시간 광 안정성을 제고하기 위한 수용액 상태에서의 추가적인 패시베이션 막 형성에 대한 연구가 중요하다. For effective application of such cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots into environmentally friendly blue fluorescent dyes, an aqueous solution to prevent optical property degradation due to physicochemical property variations that may occur during water dispersion and to enhance light stability for a long time Research into further passivation film formation in the state is important.

한편, 최근 탄소 원자 1개 두께의 이차원 평면 구조를 가지는 그래핀을 활용하여 콜로이드 양자점의 패시베이션 효과에 대한 보고가 있다 (비특허문헌 2). 하지만 이는 수십 마이크로 미터 크기의 그래핀으로 단순히 기판 위에 단일층으로 코팅한 양자점을 덮어서 산화 방지막으로 활용한 결과로서, 수 나노미터 크기를 가지는 양자점의 일부분만 보호할 수 있다는 단점이 있다.On the other hand, recently, there is a report on the passivation effect of colloidal quantum dots using graphene having a two-dimensional planar structure of one carbon atom (Non-Patent Document 2). However, this is a result of simply applying a layer of quantum dots coated with a single layer on the substrate with a few tens of micrometers of graphene as an anti-oxidation layer, which has a disadvantage of protecting only a portion of the quantum dots having a size of several nanometers.

1. Nanoscale 2013, 5, 9908-9916       Nanoscale 2013, 5, 9908-9916 2. Chem. Mater. 2015, 27, 5032-5039       2. Chem. Mater. 2015, 27, 5032-5039

본 발명의 목적은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 안정성이 개선된 콜로이드 양자점 복합체를 제공한다.An object of the present invention is to solve the above problems, to provide a colloidal quantum dot complex with improved stability.

본 발명의 다른 목적은 상기 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법을 제공한다.Another object of the present invention to provide a method for producing the colloidal quantum dot composite.

본 발명의 일 실시예에 따른 콜로이드 양자점 복합체는, 반도체 물질을 포함하는 양자점 코어 및 상기 양자점 코어를 둘러싸는 패시베이션층을 포함하며, 상기 패시베이션층은 양이온성 계면활성제 및 그래핀 플레이크를 포함한다.The colloidal quantum dot composite according to an embodiment of the present invention includes a quantum dot core including a semiconductor material and a passivation layer surrounding the quantum dot core, wherein the passivation layer includes a cationic surfactant and graphene flakes.

일 실시예에 따르면, 상기 양자점 코어는, 셀렌화카드뮴 (Cadmium Selenide, CdSe), 황화카드뮴 (Cadmium Sulfide, CdS), 텔루르화카드뮴 (Cadmium Telluride, CdTe), 셀렌화아연 (Zinc Selenide, ZnSe), 황화아연 (Zinc Sulfide, ZnS), 텔루르화아연 (Zinc Telluride, ZnTe), 셀렌화수은 (Mercury Selenide, HgSe), 황화수은 (Mercury Sulfide, HgS), 텔루르화수은 (Mercury Telluride, HgTe), 셀렌화구리인듐 (Copper Indium Selenide, CuInSe2), 황화구리인듐 (Copper Indium Sulfide, CuInS2), 인화인듐 (Indium Phosphide, InP), 알센화인듐 (Indium Arsenide, InAs), 알센화갈륨 (Gallium Arsenide, GaAs), 질화갈륨 (Gallium Nitride, GaN), 인화갈륨 (Gallium Phosphide, GaP), 알센화갈륨알루미늄 (Gallium Aluminum Arsenide, GaAlAs), 알센화갈륨인듐 (Gallium Indium Arsenide, GaInAs), 황화납 (Lead Sulfide, PbS), 셀렌화납 (Lead Selenide, PbSe) 및 텔루르화납 (Lead Telluride, PbTe)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to one embodiment, the quantum dot core is Cadmium Selenide (CdSe), Cadmium Sulfide (CdS), Cadmium Telluride (CdTe), Zinc Selenide (Zinc Selenide, ZnSe), Zinc Sulfide (ZnS), Zinc Telluride (ZnTe), Mercury Selenide (HgSe), Mercury Sulfide (HgS), Mercury Telluride (HgTe), Selenide (Copper Indium Selenide, CuInSe2), Copper Indium Sulfide (CuInS 2 ), Indium Phosphide (InP), Indium Arsenide (InAs), Gallium Arsenide (GaAs), Nitriding Gallium Nitride (GaN), Gallium Phosphide (GaP), Gallium Aluminum Arsenide (GaAlAs), Gallium Indium Arsenide (GaInAs), Lead Sulfide (PbS), In the group consisting of lead selenide (PbSe) and lead telluride (PbTe) Comprises at least one selected.

일 실시예에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 세틸피리디늄 클로라이드 (Cetylpyridinium chloride, CTC), 베헨트라이모늄 클로라이드 (Behentrimonium chloride, BTAC-228), 벤잘코니윰 클로라이드 (Benzalkonium chloride, BZK), 벤조도데시늄 브로마이드 (Benzododecinium bromide), 세탈코늄 클로라이드 (Cetalkonium chloride, CKC), 세트리모늄 브로마이드 (Cetrimonium bromide, CTAB), 세트리모늄 클로라이드 (Cetrimonium chloride), 다이데실다이메틸암모늄 클로라이드 (Didecyldimethylammonium chloride, DDAC), 다이메틸다이옥타데실암모늄 브로마이드 (Dimethyldioctadecylammonium bromide, DODAB), 다이메틸다이옥타데실암모늄 클로라이드 (Dimethyldioctadecylammonium chloride, DODAC) 및 스테아랄코늄 클로라이드 (Stearalkonium chloride)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to one embodiment, the cationic surfactant is Cetylpyridinium chloride (CTC), Behentrimonium chloride (BTAC-228), Benzalkonium chloride (BZK), Benzododec Benzododecinium bromide, Cetalkonium chloride (CKC), Cetrimonium bromide (CTAB), Cetrimonium chloride, Didecyldimethylammonium chloride (DDAC), At least one selected from the group consisting of dimethyldioctadecylammonium bromide (DODAB), dimethyldioctadecylammonium chloride (DODAC) and stearalkonium chloride.

일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 플레이크는, 산소 함량이 7% 미만인 비산화 그래핀 플레이크이다.According to one embodiment, the graphene flakes are non-oxidized graphene flakes having an oxygen content of less than 7%.

일 실시예에 따르면, 상기 양자점 코어는 소수성 알킬사슬을 포함하는 리간드와 배위 결합된다.According to one embodiment, the quantum dot core is coordinated with a ligand containing a hydrophobic alkyl chain.

본 발명의 일 실시예에 따른 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법은, 콜로이드 양자점에 물 및 양이온성 계면활성제를 제공하여, 상기 양이온성 계면활성제와 결합되고 수분산된 콜로이드 양자점을 형성하는 단계, 및 상기 양이온성 계면활성제와 결합된 콜로이드 양자점에 그래핀 플레이크를 제공하여, 상기 양자점을 둘러싸고, 양이온성 계면활성제 및 그래핀 플레이크를 포함하는 패시베이션층을 형성하는 단계를 포함한다.Method for producing a colloidal quantum dot composite according to an embodiment of the present invention, by providing a water and a cationic surfactant to the colloidal quantum dots, to form a colloidal quantum dots dispersed with the cationic surfactant, and the cation Providing graphene flakes to the colloidal quantum dots associated with the active surfactant, forming a passivation layer surrounding the quantum dots and comprising a cationic surfactant and graphene flakes.

일 실시예에 따르면, 상기 콜로이드 양자점과 상기 그래핀 플레이크의 혼합 질량비는 20:1 내지 1:1 사이의 범위이다.According to one embodiment, the mixed mass ratio of the colloidal quantum dots and the graphene flakes is in the range of 20: 1 to 1: 1.

본 발명에 따라 얻어진 콜로이드 양자점 복합체는, 그래핀 플레이크로 페시베이션 되어 안정성이 크게 향상될 수 있다. 상기 콜로이드 양자점 복합체는, 양이온성 계면활성제를 이용하여 수용액 상에서 비교적 간단하고 저비용의 공정에 의해 얻어질 수 있다.The colloidal quantum dot composite obtained in accordance with the present invention may be passivated with graphene flakes, thereby greatly improving stability. The colloidal quantum dot composite can be obtained by a relatively simple and low cost process in aqueous solution using cationic surfactants.

또한, 본 발명에 따르면, 자외선/가시광선 영역에서 우수한 흡광 특성을 가지는 비산화 그래핀 플레이크를 콜로이드 양자점에 결합시킴으로써, 콜로이드 양자점의 광부식 또는 광산화 반응을 억제할 수 있다.In addition, according to the present invention, by binding the non-oxidized graphene flakes having excellent light absorption characteristics in the ultraviolet / visible light region to the colloidal quantum dots, it is possible to suppress the photocorrosion or photo-oxidation reaction of the colloidal quantum dots.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 플레이크로 패시베이션된 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 플레이크로 패시베이션된 콜로이드 양자점 복합체를 도시한 단면도이다.
도 3은 합성예 1에서 얻어진 CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점의 투과전자현미경 이미지, 원자력간 현미경 이미지, 및 X선 광전자 분광 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 합성예 1에서 얻어진 CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 수용액의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1에서 사용된 그래핀 플레이크 수용액의 UV-vis 흡수 스펙트럼과 수용액의 사진을 나타낸다.
도 6은 합성예 1에서 얻어진 양자점(CTAB-QD), 실시예 1에서 사용된 그래핀 플레이크(GQD) 및 실시예에서 얻어진 그래핀-양자점 복합체(0.0625, 0.25, 1.0)에 대한 제타 전위 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 합성예 1에서 얻어진 양자점(CTAB-QD, RGQD = 0) 및 실시예에서 얻어진 양자점 복합체(RGQD = 0.0625, RGQD = 0.25, RGQD = 1.0)에 대한 430 nm 에서의 최대 발광 세기 값을 시간에 따라 플로팅한 그래프이다.
도 8은 여기 파장을 275 nm 로 설정하여 형광 수명을 측정했을 때 294 시간 뒤의 430 nm 에서의 형광 수명을 그래핀 플레이크와의 혼합비율(RGQD = 0.0625, 0.25, 1.0)에 따라 측정한 그래프이다.
도 9는 여기 파장을 275 nm 로 설정하여 측정했을 때 초기 상태, 74 시간 뒤, 165 시간 뒤, 294 시간 뒤의 발광 스펙트럼을 그래핀 플레이크와의 혼합비율에 따라 도시한 그래프이다.
도 10은 여기 파장을 365 nm 로 설정하여 측정했을 때 초기 상태, 74 시간 뒤, 165 시간 뒤, 294 시간 뒤의 발광 스펙트럼을 그래핀 플레이크와의 혼합비율에 따라 도시한 그래프이다.
도 11은, 합성예 1에서 얻어진 양자점(CTAB-QD, RGOQD = 0) 및 비교예 1에서 얻어진 양자점 복합체(RGOQD = 0.0625, RGOQD = 0.25, RGOQD = 1.0)에 대한 430 nm 에서의 최대 발광 세기 값을 시간에 따라 플로팅한 그래프이다.
1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a colloidal quantum dot composite passivated with graphene flakes according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a colloidal quantum dot composite passivated with graphene flakes according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows transmission electron microscope images, interatomic microscope images, and X-ray photoelectron spectroscopy spectra of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots capped with CTAB obtained in Synthesis Example 1. FIG.
Figure 4 is a graph showing the optical properties of the aqueous solution of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots capped with CTAB obtained in Synthesis Example 1.
Figure 5 shows the UV-vis absorption spectrum and the photograph of the aqueous solution of the graphene flake aqueous solution used in Example 1.
6 shows zeta potential measurement results for quantum dots (CTAB-QD) obtained in Synthesis Example 1, graphene flakes (GQD) used in Example 1, and graphene-quantum dot composites (0.0625, 0.25, 1.0) obtained in Examples. A graph representing.
FIG. 7 shows the maximum light emission at 430 nm for the quantum dot obtained in Synthesis Example 1 (CTAB-QD, R GQD = 0) and the quantum dot composite obtained in Example (R GQD = 0.0625, R GQD = 0.25, R GQD = 1.0) Graph of intensity values plotted against time.
8 is a graph measuring the fluorescence lifetime at 430 nm after 294 hours when the fluorescence lifetime is measured by setting the excitation wavelength to 275 nm according to the mixing ratio with the graphene flakes (R GQD = 0.0625, 0.25, 1.0). to be.
9 is a graph showing the emission spectra of the initial state, 74 hours, 165 hours, and 294 hours after the excitation wavelength is set to 275 nm according to the mixing ratio with the graphene flakes.
10 is a graph showing emission spectra of the initial state, 74 hours, 165 hours, and 294 hours after the excitation wavelength is set to 365 nm according to the mixing ratio with the graphene flakes.
11 is the quantum dot obtained in Synthesis Example 1 (CTAB-QD, R GOQD = 0) and the quantum dot complex obtained in Comparative Example 1 (R GOQD = 0.0625, R GOQD = 0.25, R GOQD = 1.0) at 430 nm It is a graph plotting the maximum light emission intensity value over time.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 플레이크로 패시베이션된 콜로이드 양자점 복합체 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a colloidal quantum dot composite passivated with graphene flakes according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As the inventive concept allows for various changes and numerous modifications, particular embodiments will be illustrated and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown in an enlarged scale than actual for clarity of the invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features or numbers. It is to be understood that the present invention does not exclude in advance the possibility of the presence or the addition of steps, actions, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 플레이크로 패시베이션된 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a colloidal quantum dot composite passivated with graphene flakes according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 콜로이드 양자점을, 양이온성 계면활성제 및 물과 혼합하여, 수분산시킨다(S10).Referring to FIG. 1, the colloidal quantum dots are mixed with a cationic surfactant and water to be dispersed (S10).

상기 콜로이드 양자점은, 0차원의 나노입자 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 콜로이드 양자점은, 2-6족 물질, 3-5족 물질, 4-6족 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The colloidal quantum dot may have a nanodimensional nanoparticle shape. For example, the colloidal quantum dot may include a Group 2-6 material, a Group 3-5 material, a Group 4-6 material, or a combination thereof.

예를 들어, 상기 2-6족 물질은, 셀렌화카드뮴 (Cadmium Selenide, CdSe), 황화카드뮴 (Cadmium Sulfide, CdS), 텔루르화카드뮴 (Cadmium Telluride, CdTe), 셀렌화아연 (Zinc Selenide, ZnSe), 황화아연 (Zinc Sulfide, ZnS), 텔루르화아연 (Zinc Telluride, ZnTe), 셀렌화수은 (Mercury Selenide, HgSe), 황화수은 (Mercury Sulfide, HgS), 텔루르화수은 (Mercury Telluride, HgTe), 셀렌화구리인듐 (Copper Indium Selenide, CuInSe2), 황화구리인듐 (Copper Indium Sulfide, CuInS2) 등을 포함할 수 있다.For example, the Group 2-6 material may include Cadmium Selenide (CdSe), Cadmium Sulfide (CdS), Cadmium Telluride (CdTe), and Zinc Selenide (ZnSe). Zinc Sulfide (ZnS), Zinc Telluride (ZnTe), Mercury Selenide (HgSe), Mercury Sulfide (HgS), Mercury Telluride (HgTe) Indium Selenide (CuInSe 2 ), Copper Indium Sulfide (CuInS 2 ), and the like may be included.

예를 들어, 상기 3-5족 물질은, 인화인듐 (Indium Phosphide, InP), 알센화인듐 (Indium Arsenide, InAs), 알센화갈륨 (Gallium Arsenide, GaAs), 질화갈륨 (Gallium Nitride, GaN), 인화갈륨 (Gallium Phosphide, GaP), 알센화갈륨알루미늄 (Gallium Aluminum Arsenide, GaAlAs), 알센화갈륨인듐 (Gallium Indium Arsenide, GaInAs) 등을 포함할 수 있다.For example, the Group 3-5 materials include Indium Phosphide (InP), Indium Arsenide (InAs), Gallium Arsenide (GaAs), Gallium Nitride (GaN), Gallium phosphide (GaP), gallium aluminum arsenide (GaAlAs), gallium indium arsenide (GaInAs), and the like.

예를 들어, 상기 4-6족 물질은, 황화납 (Lead Sulfide, PbS), 셀렌화납 (Lead Selenide, PbSe), 텔루르화납 (Lead Telluride, PbTe) 등을 포함할 수 있다.For example, the Group 4-6 material may include lead sulfide (PbS), lead selenide (PbSe), lead telluride (PbTe), and the like.

또한, 상기 콜로이드 양자점은 Cu:ZnSe, MnSe:ZnSe 등과 같이 도핑된 물질을 포함할 수 있다.In addition, the colloidal quantum dot may include a doped material such as Cu: ZnSe, MnSe: ZnSe, or the like.

또한, 상기 콜로이드 양자점은 코어-쉘 구조를 가질 수도 있다. 일 실시예에 따르면 상기 콜로이드 양자점은 황화카드뮴아연/황화아연의 코어-쉘 구성을 가질 수 있다.In addition, the colloidal quantum dot may have a core-shell structure. According to one embodiment, the colloidal quantum dot may have a core-shell configuration of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide.

상기 콜로이드 양자점의 표면은 소수성 알킬 사슬을 갖는 리간드로 배위된 것일 수 있다. 상기와 같이 표면에 알킬 사슬의 리간드 결합을 갖는 콜로이드 양자점은, 용액 내에서의 분산성 및 안정성이 개선될 수 있다.The surface of the colloidal quantum dot may be coordinated with a ligand having a hydrophobic alkyl chain. Colloidal quantum dots having a ligand bond of the alkyl chain on the surface as described above, the dispersibility and stability in the solution can be improved.

예를 들어, 상기 알킬 사슬을 갖는 리간드는, 헥산산 (Hexanoic acid), 헵탄산 (Heptanoic acid), 옥탄산 (Octanoic acid), 노난산 (Nonanoic acid), 데칸산 (Decanoic acid), 운데칸산 (Undecanoic acid), 도데칸산 (Dodecanoic acid), 펜타데칸산 (Pentadecanoic acid), 헥사데칸산 (Hexadecanoic acid), 올레산 (Oleic acid), 1-헥세인싸이올 (1-hexanethiol), 1-헵테인싸이올 (1-heptanethiol), 1-옥테인싸이올 (1-octanethiol), 1-노네인싸이올 (1-nonanethiol), 1-데케인싸이올 (1-decanethiol), 1-언데케인싸이올 (1-undecanethiol), 1-도데케인싸이올 (1-dodecanethiol), 1-펜타데케인싸이올 (1-pentadecanethiol), 1-헥사데케인싸이올 (1-hexadecanethiol), 헥실 아민 (Hexylamine), 헵틸 아민 (Heptylamine), 옥틸 아민 (Octylamine), 노닐 아민 (Nonylamine), 데실 아민 (Decylamine), 언데실 아민 (Undecylamine), 도데실 아민 (Dodecylamine), 펜타데실 아민 (Pentadecylamine), 헥사데실 아민 (Hexadecylamine), 올레일 아민 (Oleylamine), 트라이부틸 포스페이트 (Tributyl phosphate), 트라이옥틸 포스핀 옥사이드 (Trioctylphosphine oxide) 등을 포함할 수 있다.For example, the ligand having an alkyl chain may include hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, and undecanoic acid. Undecanoic acid, Dodecanoic acid, Pentadecanoic acid, Hexadecanoic acid, Oleic acid, 1-hexanethiol, 1-heptane 1-heptanethiol, 1-octanethiol, 1-nonanethiol, 1-decanethiol, 1-undecanethiol ( 1-undecanethiol), 1-dodecanethiol, 1-pentadecanethiol, 1-hexadecanethiol, 1-hexadecanethiol, hexylamine, heptyl Heptylamine, Octylamine, Nonylamine, Nonylamine, Decylamine, Undecylamine, Dodecylamine, Pentadecylamine, Pentadecylamine, Hexadecylamine Hexadecylamine), oleylamine, tributyl phosphate, trioctyl phosphine oxide, and the like.

상기 콜로이드 양자점은 저비점을 갖는 휘발성 유기 용매에 분산된 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 휘발성 유기 용매는 클로로포름 (Chloroform), 헥세인 (Hexane), 시클로헥세인 (Cyclohexane) 등을 포함할 수 있다. The colloidal quantum dots may be provided in a form dispersed in a volatile organic solvent having a low boiling point. For example, the volatile organic solvent may include chloroform, hexane, cyclohexane, and the like.

상기 양이온성 계면활성제는 반 데르 발스 인력 등에 의해 상기 콜로이드 양자점에 결합할 수 있다. 따라서, 상기 콜로이드 양자점은 상기 양이온성 계면활성제에 의해 캐핑되어 수분산될 수 있으며, 상기 알킬 사슬을 갖는 리간드 및 상기 양이온성 계면활성제의 이중층이 형성될 수 있다.The cationic surfactant may bind to the colloidal quantum dot by van der Waals attraction. Thus, the colloidal quantum dots can be capped and dispersed by the cationic surfactant, and a bilayer of the ligand having the alkyl chain and the cationic surfactant can be formed.

예를 들어, 상기 양이온성 계면활성제는, 세틸피리디늄 클로라이드 (Cetylpyridinium chloride, CTC), 베헨트라이모늄 클로라이드 (Behentrimonium chloride, BTAC-228), 벤잘코니윰 클로라이드 (Benzalkonium chloride, BZK), 벤조도데시늄 브로마이드 (Benzododecinium bromide), 세탈코늄 클로라이드 (Cetalkonium chloride, CKC), 세트리모늄 브로마이드 (Cetrimonium bromide, CTAB), 세트리모늄 클로라이드 (Cetrimonium chloride), 다이데실다이메틸암모늄 클로라이드 (Didecyldimethylammonium chloride, DDAC), 다이메틸다이옥타데실암모늄 브로마이드 (Dimethyldioctadecylammonium bromide, DODAB), 다이메틸다이옥타데실암모늄 클로라이드 (Dimethyldioctadecylammonium chloride, DODAC), 스테아랄코늄 클로라이드 (Stearalkonium chloride) 등을 포함할 수 있다.For example, the cationic surfactant may be selected from cetylpyridinium chloride (CTC), behentrimonium chloride (BTAC-228), benzalkonium chloride (BZK), and benzododecenium. Bromide (Benzododecinium bromide), Cetalkonium chloride (CKC), Cetrimonium bromide (CTAB), Cetrimonium chloride, Didecyldimethylammonium chloride, DDAC Methyldioctadecylammonium bromide (DODAB), dimethyldioctadecylammonium chloride (DODAC), stearalkonium chloride, and the like.

다음으로, 상기 양이온성 계면활성제와 결합된 콜로이드 양자점에 그래핀 플레이크를 제공한다(S20).Next, the graphene flakes are provided to the colloidal quantum dots combined with the cationic surfactant (S20).

일 실시예에 따르면 상기 그래핀 플레이크는 비산화 그래핀 플레이크이다. 예를 들어, 상기 비산화 그래핀 플레이크는 그라파이트 층간 화합물로부터 얻어진 것일 수 있다. 예를 들어, 동 출원인의 출원(특허공개번호 2015-0047326호)에 기재된 것과 같이, 그라파이트와 알카리 금속염 수화물 또는 알카리토금속염의 수화물을 혼합/가열하여 금속 이온이 층간에 삽입된 그라파이트 층간 화합물을 형성한 후, 삽입된 금속 이온을 제거하여 상기 비산화 그래핀 플레이크가 얻어질 수 있다. 상기 비산화 그래핀 플레이크는 바람직하게 모노층 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 1 내지 3nm의 두께를 가질 수 있다.According to one embodiment, the graphene flakes are non-oxidized graphene flakes. For example, the non-oxidized graphene flakes may be obtained from a graphite interlayer compound. For example, as described in the applicant's application (Patent No. 2015-0047326), the graphite and alkali metal salt hydrates or hydrates of alkali metal salts are mixed / heated to form a graphite intercalation compound in which metal ions are intercalated. Then, the non-graphene oxide flakes can be obtained by removing the inserted metal ions. The non-oxidized graphene flakes may preferably have a monolayer structure, for example, may have a thickness of 1 to 3nm.

예를 들어, 상기 비산화 그래핀 플레이크는 산소 함량이 7% 미만일 수 있으며, 상기 비산화 그래핀 플레이크의 직경은 수nm(양자점 사이즈) 내지 수백 nm일 수 있다.For example, the non-oxidized graphene flakes may have an oxygen content of less than 7%, and the diameter of the non-oxidized graphene flakes may be several nm (quantum dot size) to several hundred nm.

상기 비산화 그래핀 플레이크는, 상기 콜로이드 양자점과 결합하여, 외부의 수분 등으로부터 양자점을 보호하고, 광안정성을 개선할 수 있다. 그러나, 산소 함량이 높은 산화 그래핀 플레이크를 사용하는 경우, 산화 그래핀 플레이크의 Basal plane에 존재하는 결함과 다양한 산소기능기(에폭사이드 등)로 인하여 보호 효과가 나타나지 않고, 오히려 수분 친화도가 증가하여 발광 특성이 저하될 수 있다.The non-oxidized graphene flakes may be combined with the colloidal quantum dots to protect the quantum dots from external moisture and the like, and may improve light stability. However, when using graphene oxide flakes having a high oxygen content, there are no protective effects due to defects in the basal plane of the graphene oxide flakes and various oxygen functional groups (epoxides, etc.), but rather increase water affinity. The luminous properties may be lowered.

상기 콜로이드 양자점과 상기 그래핀 플레이크의 혼합 비율은, 콜로이드 양자점의 안정성에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 콜로이드 양자점과 상기 그래핀 플레이크의 혼합 중량비는 20:1 내지 1:1 사이의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 20:1 내지 5:1일 수 있으며, 보다 바람직하게는 20:1 내지 10:1일 수 있다. 상기 그래핀 플레이크의 농도가 과도할 경우, 충돌성 발광 억제 현상에 의해 양자점 복합체의 발광 세기가 저하될 수 있다.The mixing ratio of the colloidal quantum dots and the graphene flakes may affect the stability of the colloidal quantum dots. For example, the mixed weight ratio of the colloidal quantum dots and the graphene flakes may be in the range of 20: 1 to 1: 1, preferably 20: 1 to 5: 1, more preferably 20: 1 to 10: 1. When the concentration of the graphene flake is excessive, the emission intensity of the quantum dot composite may be lowered by the collision emission suppression phenomenon.

상기 그래핀 플레이크는 상기 콜로이드 양자점과 결합하여 패시베이션막을 형성할 수 있다. 상기 수분산된 그래핀 플레이크는 음의 제타 전위를 가질 수 있으며, 콜로이드 양자점은, 상기 양이온성 계면활성제에 의해 캐핑됨으로써 양의 제타 전위를 가질 수 있다. 따라서, 상기 그래핀 플레이크는 상기 콜로이드 양자점의 표면에 정전기적 인력에 의해 결합될 수 있다. The graphene flakes may be combined with the colloidal quantum dots to form a passivation film. The dispersed graphene flakes may have a negative zeta potential and the colloidal quantum dots may have a positive zeta potential by being capped by the cationic surfactant. Thus, the graphene flakes may be coupled to the surface of the colloidal quantum dots by electrostatic attraction.

따라서, 상기 콜로이드 양자점 복합체(100)는, 반도체 물질, 양이온성 계면활성제 및 그래핀 플레이크를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 도 2에 도시된 것과 같이, 반도체 물질을 포함하는 양자점 코어(110) 및 상기 양자점 코어(110)를 둘러싸며, 양이온성 할로겐화물(양이온성 계면활성제)과 그래핀 플레이크를 포함하는 패시베이션층(120)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 양이온성 할로겐화물과 그래핀 플레이크는 서로 분리되어 계면을 형성하거나, 서로 혼합되어 분산될 수 있다.Accordingly, the colloidal quantum dot composite 100 may include a semiconductor material, a cationic surfactant, and graphene flakes, and for example, as illustrated in FIG. 2, the quantum dot core 110 including a semiconductor material. And a passivation layer 120 surrounding the quantum dot core 110 and including a cationic halide (cationic surfactant) and graphene flakes. For example, the cationic halide and the graphene flakes may be separated from each other to form an interface or mixed with each other to be dispersed.

본 발명에 따라 얻어진 콜로이드 양자점 복합체는, 그래핀 플레이크로 페시베이션 되어 안정성이 크게 향상될 수 있다. 상기 콜로이드 양자점 복합체는, 양이온성 계면활성제를 이용하여 수용액 상에서 비교적 간단하고 저비용의 공정에 의해 얻어질 수 있다.The colloidal quantum dot composite obtained in accordance with the present invention may be passivated with graphene flakes, thereby greatly improving stability. The colloidal quantum dot composite can be obtained by a relatively simple and low cost process in aqueous solution using cationic surfactants.

또한, 본 발명에 따르면, 자외선/가시광선 영역에서 우수한 흡광 특성을 가지는 비산화 그래핀 플레이크를 콜로이드 양자점에 결합시킴으로써, 콜로이드 양자점의 광부식 또는 광산화 반응을 억제할 수 있다.In addition, according to the present invention, by binding the non-oxidized graphene flakes having excellent light absorption characteristics in the ultraviolet / visible light region to the colloidal quantum dots, it is possible to suppress the photocorrosion or photo-oxidation reaction of the colloidal quantum dots.

따라서, 상기 콜로이드 양자점 복합체는, 양자점을 이용한 각종 전자 소자, 광학 소자 등에 이용될 수 있으며, 특히, 높은 광 안정성을 필요로 하는, 바이오이미징을 위한 청색 형광염료, 형광공명에너지전이 현상을 이용한 광센서, 발광다이오드 등에 효과적으로 응용될 수 있다. Accordingly, the colloidal quantum dot composite may be used in various electronic devices, optical devices, and the like using quantum dots, and in particular, a blue fluorescent dye for bioimaging, an optical sensor using a fluorescence resonance energy transfer phenomenon, which requires high optical stability. It can be effectively applied to light emitting diodes and the like.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여, 본 발명에 따른 콜로이드 양자점 복합체의 효과 및 그 제조 방법에 대하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, the effect of the colloidal quantum dot complex and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described.

합성예Synthesis Example  1­ CTAB로With CTAB 캐핑된Capped 수분산Water dispersion 양자점의Quantum dots 제조 Produce

클로로포름에 분산된 직경 10 나노미터 이하, 15 mg/mL의 농도를 가지는 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 분산액 0.5 mL를, 양이온성 계면활성제인 세트리모늄 브로마이드 (Cetrimonium bromide, CTAB) 0.1g이 용해된 5 mL의 물에 떨어트리고, 교반하였다. 다음으로 상기 혼합 용액을 저어가며 65ㅀC에서 가열하여 클로로포름을 증발시킴으로써, CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점을 포함하는 수용액을 얻었다.0.1 g of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dot dispersion having a concentration of 15 mg / mL or less dispersed in chloroform and a concentration of 15 mg / mL is 0.1 g of tritrimonium bromide (CTAB), a cationic surfactant. Dropped into 5 mL of this dissolved water and stirred. Next, the mixed solution was stirred and heated at 65 ° C. to evaporate chloroform, thereby obtaining an aqueous solution including cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots capped with CTAB.

합성예Synthesis Example  2­ 비산화Deoxidation 그래핀Graphene 플레이크의Flake 제조 Produce

타르타르산 나트륨 칼륨(sodium potassium tartrate) 4수화물 1g과 천연 그라파이트 파우더 0.1g을 혼합하고, 온도를 30℃로 가열하여 그라파이트 층간 화합물을 제조하였다(검은 색의 천연 그라파이트가 팽창된 그라파이트 층간 화합물이 되면서 황갈색으로 바뀌는 것을 확인하였다.) 제조된 그라파이트 층간 화합물 1 g을 물 25 ml에서 박리화시켜 그래핀 양자점을 제조하고, 사용된 수화물염의 제거를 위해 dialysis를 진행하였다. 얻어진 그래핀 플레이크의 산소 농도는 4.7 at%로 측정되었다.1 g of sodium potassium tartrate tetrahydrate and 0.1 g of natural graphite powder were mixed, and the temperature was heated to 30 ° C. to prepare a graphite interlayer compound (black natural graphite was expanded graphite interlayer compound to yellowish brown color). 1 g of the prepared graphite interlayer compound was exfoliated in 25 ml of water to prepare graphene quantum dots, and dialysis was performed to remove the used hydrate salt. The oxygen concentration of the obtained graphene flakes was measured at 4.7 at%.

합성예Synthesis Example 3­산화  3 oxidation 그래핀Graphene 플레이크의Flake 제조 Produce

그라파이트 파우더 (직경 4 nm 이하) 1g와 황산 60 mL, 질산 20 mL를 250 mL 둥근 플라스크에 넣고 ice bath 조건 하에 3시간 동안 초음파 공정을 진행한다. 이후 100℃에서 환류를 12시간 거친 후 식히고, 탈이온수 170 mL를 첨가하였다. 이 혼합물을 20000 rpm 에서 20분 동안 원심분리를 시킨 후 상층액을 취하여 membrane filter를 사용하여 dialysis를 통해 산 이온을 일차적으로 제거하였다. 용액의 색이 노랑색으로 변한 것을 확인한 후 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 7~8 정도로 맞춘 후 잔여물 제거를 위해 3일동안 추가적인 dialysis를 진행하였다. 얻어진 그래핀 플레이크의 산소 농도는 27 at%로 측정되었다.1 g of graphite powder (4 nm or less in diameter), 60 mL of sulfuric acid, and 20 mL of nitric acid are placed in a 250 mL round flask and subjected to an ultrasonic process for 3 hours under ice bath conditions. After refluxing at 100 ° C. for 12 hours, the mixture was cooled, and 170 mL of deionized water was added thereto. The mixture was centrifuged at 20000 rpm for 20 minutes, and the supernatant was collected to remove acid ions primarily through dialysis using a membrane filter. After confirming that the solution turned yellow, the pH was adjusted to 7-8 by adding sodium hydroxide and further dialysis was performed for 3 days to remove the residue. The oxygen concentration of the obtained graphene flakes was measured at 27 at%.

실시예 1Example 1

합성예 2에서 얻어진 직경 5 나노미터 이하의 그래핀 플레이크(그래핀 양자점) 수용액 0.1 mg/mL와 CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 수용액을 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 질량 대비 그래핀 양자점 질량 비율 (RGQD = 0, 0.0625, 0.25, 1.0)에 따라 혼합하고 24시간 동안 일정한 속도로 교반하여 황화카드뮴아연/황화아연-그래핀 양자점 복합체를 포함하는 수용액을 얻었다.Cadmium sulfide / zinc sulfide core-shell capped with 0.1 mg / mL of an aqueous solution of graphene flakes (graphene quantum dots) having a diameter of 5 nanometers or less obtained in Synthesis Example 2 and CTAB, and a cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell Graphene quantum dot mass ratio to quantum dot mass (R GQD = 0, 0.0625, 0.25, 1.0) was mixed and stirred at a constant rate for 24 hours to obtain an aqueous solution containing cadmium zinc sulfide / zinc sulfide-graphene quantum dot composite.

비교예 1Comparative Example 1

합성예 3에서 얻어진 직경 5 나노미터 이하의 그래핀 플레이크(그래핀 양자점) 수용액 0.1 mg/mL와 CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 수용액을 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 질량 대비 그래핀 양자점 질량 비율 (RGOQD = 0, 0.0625, 0.25, 1.0)에 따라 혼합하고 24시간 동안 일정한 속도로 교반하여 황화카드뮴아연/황화아연-그래핀 양자점 복합체를 포함하는 수용액을 얻었다.Cadmium sulfide / zinc sulfide core-shell capped with 0.1 mg / mL of an aqueous solution of graphene flakes (graphene quantum dots) having a diameter of 5 nanometers or less obtained in Synthesis Example 3 and CTAB, and cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shells Graphene quantum dot mass ratio to quantum dot mass (R GOQD = 0, 0.0625, 0.25, 1.0) was mixed and stirred at a constant rate for 24 hours to obtain an aqueous solution containing cadmium zinc sulfide / zinc sulfide-graphene quantum dot composite.

도 3은 합성예 1에서 얻어진 CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점의 투과전자현미경 이미지, 원자력간 현미경 이미지, 및 X선 광전자 분광 스펙트럼을 나타낸다. (a) 및 (b)를 참조하면, CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점의 크기는 약 7~9 나노미터 정도임을 알 수 있으며, (c), (d) 및 (e)를 참조하면, 상기 양자점은 카드뮴, 아연, 그리고 황 원자를 포함함을 알 수 있다.FIG. 3 shows transmission electron microscope images, interatomic microscope images, and X-ray photoelectron spectroscopy spectra of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots capped with CTAB obtained in Synthesis Example 1. FIG. Referring to (a) and (b), it can be seen that the size of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots capped with CTAB is about 7 to 9 nanometers, and (c), (d) and (e). Referring to), it can be seen that the quantum dots include cadmium, zinc, and sulfur atoms.

도 4는 합성예 1에서 얻어진 CTAB로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점 수용액의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다. 점선으로 나타낸 UV-vis 흡광 스펙트럼으로부터, 300 nm 부근에서 흡수가 강하게 일어나는 것을 알 수 있고, 발광여기 및 발광 스펙트럼으로부터 430 nm 에서의 발광 특성과 여기 파장에 따른 발광세기의 변화를 알 수 있다. Figure 4 is a graph showing the optical properties of the aqueous solution of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots capped with CTAB obtained in Synthesis Example 1. From the UV-vis absorption spectrum indicated by the dotted line, it can be seen that the absorption occurs strongly around 300 nm, and from the emission excitation and the emission spectrum, the emission characteristics at 430 nm and the change in emission intensity according to the excitation wavelength can be seen.

도 5는 실시예 1에서 사용된 그래핀 플레이크 수용액의 UV-vis 흡수 스펙트럼과 수용액의 사진을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 상기 그래핀 플레이크로 패시베이션된 양자점은, 상기 그래핀 플레이크의 높은 자외선 흡광성으로 인하여 광 안정성이 증가될 수 있음을 알 수 있다.Figure 5 shows the UV-vis absorption spectrum and the photograph of the aqueous solution of the graphene flake aqueous solution used in Example 1. Referring to FIG. 5, it can be seen that the quantum dots passivated with the graphene flakes may increase light stability due to the high ultraviolet absorbance of the graphene flakes.

도 6은 합성예 1에서 얻어진 양자점(CTAB-QD), 실시예 1에서 사용된 그래핀 플레이크(GQD) 및 실시예 1에서 얻어진 그래핀-양자점 복합체(0.0625, 0.25, 1.0)에 대한 제타 전위 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 양이온 계면활성제인 CTAB으로 캐핑된 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점(CTAB-QD)은 약 +45 mV의 값을 가지며, 그래핀 플레이크 수용액(GQD)은 약 ­17.5 mV의 값을 가지므로, 표면 전하의 차이를 이용하여 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점과 그래핀 양자점의 결합이 가능하다는 것을 알 수 있다.FIG. 6 shows zeta potential measurements for quantum dots (CTAB-QD) obtained in Synthesis Example 1, graphene flakes (GQD) used in Example 1, and graphene-quantum dot composites (0.0625, 0.25, 1.0) obtained in Example 1. FIG. A graph showing the results. 6, cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots (CTAB-QD) capped with CTAB, a cationic surfactant, have a value of about +45 mV, and an aqueous graphene flake solution (GQD) is about 17.5 mV. Because of the value of, it can be seen that the combination of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots and graphene quantum dots by using the difference in the surface charge.

도 7은 합성예 1에서 얻어진 양자점(CTAB-QD, RGQD = 0) 및 실시예 1에서 얻어진 양자점 복합체(RGQD = 0.0625, RGQD = 0.25, RGQD = 1.0)에 대한 430 nm 에서의 최대 발광 세기 값을 시간에 따라 플로팅한 그래프이다. 7 shows the maximum at 430 nm for the quantum dots obtained in Synthesis Example 1 (CTAB-QD, R GQD = 0) and the quantum dot complex obtained in Example 1 (R GQD = 0.0625, R GQD = 0.25, R GQD = 1.0) A graph of light emission intensity values plotted with time.

(a)는 여기 파장을 275 nm 로 설정하여 측정했을 때의 결과이다. (a)를 참조하면, 그래핀 플레이크가 결합되지 않은 양자점(CTAB-QD, RGQD = 0)은 시간이 지날수록 발광 세기가 급격하게 떨어졌으나, 그래핀-양자점 복합체의 경우 RGQD = 0.0625 및 0.25 일 때, 발광 특성 저하가 감소되었음을 확인할 수 있다. 또한, RGQD = 1.0일 때는 초기 발광 세기가 감소한 것을 확인할 수 있다.(a) is a result when measuring by setting an excitation wavelength to 275 nm. Referring to (a), the luminescence intensity of the quantum dot (CTAB-QD, R GQD = 0) to which the graphene flakes are not coupled decreases rapidly with time, but for the graphene-quantum dot complex, R GQD = 0.0625 and When 0.25, it can be seen that the decrease in the emission characteristics is reduced. In addition, when R GQD = 1.0, it can be seen that the initial emission intensity decreased.

이는 그래핀 플레이크가 황화카드뮴아연/황화아연 코어-쉘 양자점의 표면 결함이 생긴 곳에 부착되어 수분에 의한 산화를 방지한 결과일 수 있으며, RGQD = 1.0 인 경우, 그래핀 플레이크 농도가 과도하여 수용액 내에서의 충돌성 발광 억제 현상에 의해 발광 세기가 감소한 것일 수 있다.This may be a result of the graphene flakes attached to the surface defects of cadmium zinc sulfide / zinc sulfide core-shell quantum dots to prevent oxidation by moisture, when R GQD = 1.0, the graphene flake concentration is excessive, The emission intensity may be reduced by the collision suppression phenomenon in the interior.

(b)는 여기 파장을 365 nm 로 설정하여 측정했을 때의 결과이며, (a) 유사한 경향을 가지지만, RGQD = 1.0 일 때도 그래핀 플레이크에 의한 패시베이션 효과가 나타났다. 이는 황화카드뮴아연/황화아연-그래핀 양자점 나노복합체의 전자 에너지 밴드 구조에 따른 것으로 생각된다.(b) is a result obtained by measuring the excitation wavelength at 365 nm, and (a) similar trend, but the passivation effect by graphene flake also appeared when R GQD = 1.0. This is believed to be due to the electron energy band structure of the cadmium zinc sulfide / zinc sulfide-graphene quantum dot nanocomposite.

도 8은 여기 파장을 275 nm 로 설정하여 형광 수명을 측정했을 때 294 시간 뒤의 430 nm 에서의 형광 수명을 그래핀 플레이크와의 혼합비율(RGQD = 0.0625, 0.25, 1.0)에 따라 측정한 그래프이다. 8 is a graph measuring the fluorescence lifetime at 430 nm after 294 hours when the fluorescence lifetime is measured by setting the excitation wavelength to 275 nm according to the mixing ratio with the graphene flakes (R GQD = 0.0625, 0.25, 1.0). to be.

도 8을 참조하면, 그래핀-양자점 복합체 (RGQD = 0.0625, 0.25)에서 294시간이 지난 뒤에도, 그래핀 플레이크가 결합되지 않은 양자점(RGQD = 0)에 비해 형광 수명이 길게 측정되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, after 294 hours in the graphene-quantum dot complex (R GQD = 0.0625, 0.25), it is confirmed that the fluorescence lifetime is measured longer than the quantum dots (R GQD = 0) to which the graphene flakes are not bound. Can be.

도 9는 여기 파장을 275 nm 로 설정하여 측정했을 때 초기 상태, 74 시간 뒤, 165 시간 뒤, 294 시간 뒤의 발광 스펙트럼을 그래핀 플레이크와의 혼합비율에 따라 도시한 그래프이고, 도 10은 여기 파장을 365 nm 로 설정하여 측정했을 때 초기 상태, 74 시간 뒤, 165 시간 뒤, 294 시간 뒤의 발광 스펙트럼을 그래핀 플레이크와의 혼합비율에 따라 도시한 그래프이다.9 is a graph showing the emission spectra of the initial state, 74 hours, 165 hours, and 294 hours after mixing with the graphene flakes when measured with the excitation wavelength set to 275 nm, and FIG. It is a graph which shows the emission spectrum of the initial state after 74 hours, after 165 hours, and after 294 hours when measured by setting wavelength to 365 nm according to the mixing ratio with graphene flake.

도 9 및 도 10의 (a)를 참조하면, 그래핀 플레이크가 결합되지 않은 양자점(RGQD = 0)은 시간이 지날수록 발광 세기가 급격하게 감소함과 동시에, 발광 파장의 위치 또한 레드 시프트함을 알 수 있다. 이는 CTAB 캐핑 과정에서 알킬사슬 리간드 탈착으로 생긴 표면 결함으로 인해 나타나는 현상일 수 있다.9 and 10 (a), the quantum dot (R GQD = 0) to which the graphene flakes are not bonded rapidly decreases with time, and the position of the emission wavelength is also red shifted. It can be seen. This may be a phenomenon due to surface defects caused by alkyl chain ligand desorption during CTAB capping.

반면에, 도 9 및 도 10의 (b), (c) 및 (d)를 참조하면, 그래핀-양자점 복합체(RGQD = 0.0625, 0.25, 1.0)의 경우, 발광 세기 감소가 지연되고(RGQD = 1.0의 경우 여기 파장 365nm일 때), 발광 파장의 위치가 변하지 않는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to Figures 9 and 10 (b), (c) and (d), in the case of the graphene-quantum dot complex (R GQD = 0.0625, 0.25, 1.0), the decrease in luminescence intensity is delayed (R In the case of GQD = 1.0 when the excitation wavelength is 365nm), it can be seen that the position of the emission wavelength does not change.

도 11은, 합성예 1에서 얻어진 양자점(CTAB-QD, RGOQD = 0) 및 비교예 1에서 얻어진 양자점 복합체(RGOQD = 0.0625, RGOQD = 0.25, RGOQD = 1.0)에 대한 430 nm 에서의 최대 발광 세기 값을 시간에 따라 플로팅한 그래프이다. 11 is the quantum dot obtained in Synthesis Example 1 (CTAB-QD, R GOQD = 0) and the quantum dot complex obtained in Comparative Example 1 (R GOQD = 0.0625, R GOQD = 0.25, R GOQD = 1.0) at 430 nm It is a graph plotting the maximum light emission intensity value over time.

도 11을 참조하면, 산소 농도가 높은 그래핀 플레이크를 이용하여 양자점을 패시베이션할 경우, 발광 세기 감소 지연 효과가 없을 뿐만 아니라, 발광 세기가 오히려 저하됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 11, when the quantum dot is passivated using the graphene flakes having a high oxygen concentration, the luminescence intensity may not be delayed and the emission intensity may be lowered.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.

본 발명에 따른 콜로이드 양자점 복합체 및 그 제조 방법은, 양자점을 이용한 각종 전자 소자, 광학 소자 등에 이용될 수 있으며, 특히, 높은 광 안정성을 필요로 하는, 바이오이미징을 위한 청색 형광염료, 형광공명에너지전이 현상을 이용한 광센서, 발광다이오드 등에 효과적으로 응용될 수 있다. The colloidal quantum dot composite according to the present invention and a method for manufacturing the same can be used in various electronic devices, optical devices, etc. using quantum dots, in particular, blue fluorescent dye for bioimaging, fluorescence resonance energy transfer that requires high light stability It can be effectively applied to light sensors, light emitting diodes and the like using the phenomenon.

Claims (11)

콜로이드 양자점에 물 및 양이온성 계면활성제를 제공하여, 상기 양이온성 계면활성제와 결합되고 수분산된 콜로이드 양자점을 형성하는 단계; 및
상기 양이온성 계면활성제와 결합된 콜로이드 양자점에 산소 함량이 7% 미만이고 직경이 5 나노미터 이하인 비산화 그래핀 플레이크를 제공하여, 상기 양자점을 둘러싸고, 양이온성 계면활성제 및 상기 비산화 그래핀 플레이크를 포함하는 패시베이션층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 콜로이드 양자점과 상기 비산화 그래핀 플레이크의 혼합 질량비는 20:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법.
Providing water and cationic surfactant to the colloidal quantum dots to form colloidal quantum dots dispersed with the cationic surfactant; And
A non-oxidized graphene flake having an oxygen content of less than 7% and a diameter of 5 nanometers or less is provided to the colloidal quantum dots combined with the cationic surfactant, and surrounds the quantum dots, and the cationic surfactant and the non-oxidized graphene flakes are Forming a passivation layer comprising;
The mixed mass ratio of the colloidal quantum dot and the non-oxidized graphene flakes is 20: 1 to 5: 1 manufacturing method of the colloidal quantum dot composite.
제1항에 있어서, 상기 콜로이드 양자점은, 셀렌화카드뮴 (Cadmium Selenide, CdSe), 황화카드뮴 (Cadmium Sulfide, CdS), 텔루르화카드뮴 (Cadmium Telluride, CdTe), 셀렌화아연 (Zinc Selenide, ZnSe), 황화아연 (Zinc Sulfide, ZnS), 텔루르화아연 (Zinc Telluride, ZnTe), 셀렌화수은 (Mercury Selenide, HgSe), 황화수은 (Mercury Sulfide, HgS), 텔루르화수은 (Mercury Telluride, HgTe), 셀렌화구리인듐 (Copper Indium Selenide, CuInSe2), 황화구리인듐 (Copper Indium Sulfide, CuInS2), 인화인듐 (Indium Phosphide, InP), 알센화인듐 (Indium Arsenide, InAs), 알센화갈륨 (Gallium Arsenide, GaAs), 질화갈륨 (Gallium Nitride, GaN), 인화갈륨 (Gallium Phosphide, GaP), 알센화갈륨알루미늄 (Gallium Aluminum Arsenide, GaAlAs), 알센화갈륨인듐 (Gallium Indium Arsenide, GaInAs), 황화납 (Lead Sulfide, PbS), 셀렌화납 (Lead Selenide, PbSe) 및 텔루르화납 (Lead Telluride, PbTe)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the colloidal quantum dot, Cadmium Selenide (CdSe), Cadmium Sulfide (Cadmium Sulfide, CdS), Cadmium Telluride (CdTe), Zinc Selenide (Zinc Selenide, ZnSe), Zinc Sulfide (ZnS), Zinc Telluride (ZnTe), Mercury Selenide (HgSe), Mercury Sulfide (HgS), Mercury Telluride (HgTe), Selenide (Copper Indium Selenide, CuInSe2), Copper Indium Sulfide (CuInS 2 ), Indium Phosphide (InP), Indium Arsenide (InAs), Gallium Arsenide (GaAs), Nitriding Gallium Nitride (GaN), Gallium Phosphide (GaP), Gallium Aluminum Arsenide (GaAlAs), Gallium Indium Arsenide (GaInAs), Lead Sulfide (PbS), In the group consisting of lead selenide (PbSe) and lead telluride (PbTe) Process for producing a colloidal quantum dot conjugate characterized in that it comprises at least one selected. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 세틸피리디늄 클로라이드 (Cetylpyridinium chloride, CTC), 베헨트라이모늄 클로라이드 (Behentrimonium chloride, BTAC-228), 벤잘코니윰 클로라이드 (Benzalkonium chloride, BZK), 벤조도데시늄 브로마이드 (Benzododecinium bromide), 세탈코늄 클로라이드 (Cetalkonium chloride, CKC), 세트리모늄 브로마이드 (Cetrimonium bromide, CTAB), 세트리모늄 클로라이드 (Cetrimonium chloride), 다이데실다이메틸암모늄 클로라이드 (Didecyldimethylammonium chloride, DDAC), 다이메틸다이옥타데실암모늄 브로마이드 (Dimethyldioctadecylammonium bromide, DODAB), 다이메틸다이옥타데실암모늄 클로라이드 (Dimethyldioctadecylammonium chloride, DODAC) 및 스테아랄코늄 클로라이드 (Stearalkonium chloride)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the cationic surfactant is Cetylpyridinium chloride (CTC), Behentrimonium chloride (BTAC-228), Benzalkonium chloride (BZK), Benzododec Benzododecinium bromide, Cetalkonium chloride (CKC), Cetrimonium bromide (CTAB), Cetrimonium chloride, Didecyldimethylammonium chloride (DDAC), At least one selected from the group consisting of dimethyldioctadecylammonium bromide (DODAB), dimethyldioctadecylammonium chloride (DODAC) and stearalkonium chloride. Of colloidal quantum dot complex Article methods. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 콜로이드 양자점은 소수성 알킬사슬을 포함하는 리간드와 배위 결합된 것을 특징으로 하는 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the colloidal quantum dot is coordinated with a ligand including a hydrophobic alkyl chain. 제10항에 있어서, 상기 콜로이드 양자점은, 클로로포름 (Chloroform), 헥세인 (Hexane), 및 시클로헥세인 (Cyclohexane)으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나를 포함하는 휘발성 유기 용매에 분산된 것이며,
상기 수분산된 콜로이드 양자점을 형성하는 단계는, 가열하여 상기 휘발성 유기 용매를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 양자점 복합체의 제조 방법.


The method of claim 10, wherein the colloidal quantum dot is dispersed in a volatile organic solvent containing at least one of the group consisting of chloroform (Chloroform), hexane (Hexane), and cyclohexane (Cyclohexane),
Forming the dispersed colloidal quantum dots, the method of producing a colloidal quantum dot composite comprising the step of heating to remove the volatile organic solvent.


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