Surface Photovoltage Characterizations of Hybrid Nanostructures for Optoelectronic Applications

Abstract

In this thesis, we fabricated hybrid nanostructures and investigated their physical properties. Chapter II of the thesis shows the characteristics of organic-inorganic hybrid nanostructures. In chapter II.A, the surface photovoltage (SPV) mappings of the Si nanopillar arrays coated with poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) layers revealed the spatial distributions of photogenerated carriers. In part II.B, large SPV values, measured in the P3HT layers near the nanorods under illumination of near-infrared light, directly visualized local photon upconversion process. The SPV characterizations with nanoscopic spatial resolution were obtained by Kelvin probe force microscopy. These results suggest that the hybrid nanostructures are useful for both efficient exciton dissociation and enhanced optical absorption. Chapter III of the thesis presents research works of hybrid nanostructures consisting of two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) materials. In chapter III.A, the 2D MoS2 monolayers on sub-100-nm-thick SiO2/Si substrates exhibited broadband omnidirectional absorption in the visible range. In chapter III.B, we investigated the influences of the refractive indices of Si-based nanocone arrays on the optical properties of MoS2 monolayers. In chapter III.C, SPV and photoluminescence mapping studies of MoS2 monolayers on metal and dielectric nanostructures helped us to understand the roles of strain, electric dipole formation, and plasmon excitation on the physical properties of the MoS2 layers. The experimental and calculation data showed that the 3D nanostructures modulate the physical properties of 2D materials on them. All the research works in this thesis present electrical and optical characterizations of nanostructures, which will be useful for optoelectric applications. SPV mappings reveal spatial distribution of photo-carriers in nanostructures, which directly visualize the behaviors of photo-carriers in nanostructures. Optical calculations, based on both numerical and analytic methods, allow us to explain the experimental results. This thesis can provide insights into understanding of the interplay among photons, charges, and surface plasmons in nanostructures. ;본 논문에서는 하이브리드 나노구조체를 제작하고 물리적 특성을 조사하였다. II절에서는 Surface photovoltage (SPV) 특성 연구를 통해 유기-무기 하이브리드 나노구조의 물리적 특성을 조사하였다. 수십 나노미터 수준의 공간분해능을 갖는 Kelvin probe force microscopy (KPFM)을 이용한 SPV 특성 연구는 실제공간에서 나노구조의 광전하의 분포를 조사 할 수 있다. II.A절에서는 P3HT/Si 나노원기둥 배열에서의 광전하 생성 거동을 조사하였다. II.B절에서는 근적외선 조사 시 업컨버젼(upconversion) 나노구조 주변의 P3HT층에서 큰 SPV 값을 측정함으로써 업컨버젼 현상에 의한 광전하 생성을 실제 공간에서 시각화 하였다. 이러한 연구 결과들을 통해 하이브리드 나노구조가 효율적 전하 포획의 경로를 제공하고 광흡수를 증진 시킬 수 있어 유기 태양전지의 소자 성능 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다. III절에서는 2차원 물질과 3차원 물질로 이루어진 하이브리드 나노구조에서 2차원 물질의 증진된 광흡수 및 물리적 특성을 조사하였다. III.A절에서는 40~100 nm 두께의 SiO2 층을 갖는 SiO2/Si 기판 위에 놓인 MoS2 단일층의 광흡수가 가시광 전 파장 영역에서 입사각에 무관하게 증진되는 것을 확인하였다. III.B절에서는 Si 기반의 나노콘 구조의 굴절률이 MoS2 단일층의 광특성에 미치는 영향을 조사하였다. III.C절에서는 SPV 및 PL 측정을 통해 변형(strain), 전기 쌍극자 (electric dipole) 형성 및 표면 플라즈몬(surface plasmon)현상이 금속 및 유전체 나노구조 위에 놓인 MoS2 단일층의 물리적 특성에 미치는 영향을 조사해보았다. 이러한 실험 및 계산 연구 결과들을 통해 3차원 나노구조가 2차원 물질의 물리적 특성을 조절할 수 있음을 확인하였다. 본 논문의 모든 연구는 나노구조의 전기적 및 광학적 특성을 조사함으로써 광전자소자로의 응용가능성을 제시한 결과이다. KPFM을 이용한 SPV 맵핑 (mapping)을 통해 나노구조에서 광전하의 공간적 분포를 조사함으로써 광전하의 거동을 직접 시각화하였다. 또한 수치 (numerical) 및 분석 (analytic) 방법을 기반으로 한 광학 계산을 통해 실험 결과를 뒷받침하였다. 이를 통해 나노구조에서의 광자, 전하, 그리고 표면 플라즈몬 사이의 상호작용을 이해할 수 있었다.