연구 주제

하이브리드 페로브스카이트

잘 정의된 MAPbBr₃ 표면에서 열화가 시작되는 위치와 제어된 환경에서의 진행 과정을 규명합니다.

페로브스카이트 박막의 표면은 측정을 시작하기 전에 이미 공기, 용매 또는 수송층과 접촉한 경우가 많습니다. 소자 관점에서는 중요한 표면이지만, 반응 기작을 분리해 보기에는 출발점이 복잡합니다. 새로 절단한 단결정은 넓은 테라스와 단일층 스텝을 가지며 표면의 이력을 알 수 있어, 보다 명확한 기준면을 제공합니다.

접촉식 AFM과 마찰 측정, 광전자분광, 밀도범함수 계산을 함께 사용합니다. 서로 다른 시료의 노출 전후를 비교하기보다, 하나의 표면에 실험 변수를 순차적으로 가하면서 같은 위치의 변화를 추적하는 데 중점을 둡니다.

새로 절단한 표면도 균일하지 않습니다.

절단한 MAPbBr₃에는 두 종류의 테라스가 공존합니다. 높이와 마찰 대비는 각각 MABr-flat 표면과 PbBr₂-vacant 표면으로 해석할 수 있습니다. 특히 측면힘 현미경은 표면 형상만으로는 뚜렷하지 않은 종단면의 차이를 직접 보여줍니다.

절단한 MAPbBr3의 MABr-flat 및 PbBr2-vacant 영역 측면힘 이미지 — 절단한 MAPbBr₃에서 관찰한 두 표면 구조의 측면힘 이미지. Choi et al., J. Phys. Chem. C (2020)에서 발췌·편집.

열화는 국소적인 지점에서 시작됩니다.

암조건의 초고진공에서 장시간 보관한 표면에는 PbBr₂가 풍부한 클러스터와 얕은 피트가 함께 나타납니다. 두 구조의 상관관계는 외부 오염물이 단순히 쌓인 것이 아니라 표면 물질이 재배열되었음을 보여줍니다. 이 느린 변화는 미량의 물 또는 수산기와의 반응, 그리고 휘발성 메틸암모늄 생성물의 손실로 설명할 수 있습니다.

MAPbBr3 표면의 열화 클러스터와 인접한 피트 AFM 이미지 — 시간이 지난 MAPbBr₃에서 관찰한 PbBr₂-rich 클러스터와 인접한 결손 영역. Choi et al., J. Mater. Chem. A (2019)에서 발췌·편집.

표면을 관찰하면서 물을 도입합니다.

상압 AFM을 이용하면 물의 압력을 높이는 동안 동일한 위치를 계속 관찰할 수 있습니다. 약 10⁻⁵ mbar에서 원자 한 층 깊이의 패치가 생성되어 성장하며, 그 경계는 주변과 다른 마찰을 보입니다. 노출량이 증가하면 패치가 합쳐지고, 근상압 XPS에서는 표면 메틸암모늄의 손실이 확인됩니다. 이를 통해 국소 형상 변화와 표면 화학을 하나의 시간 순서로 연결할 수 있습니다.

MAPbBr3 표면에서 물에 의해 생성된 패치의 AFM 형상 이미지 — 상압 AFM으로 실시간 관찰한 물 유도 패치의 초기 형성. Choi et al., ACS Nano (2023)에서 발췌·편집.

현재 연구

제어된 표면에서 작동 계면으로

현재는 단결정과 박막을 대상으로 혼합 기체, 습도, 빛, 전기적 바이어스, 온도를 함께 제어하는 방향으로 측정을 확장하고 있습니다. 광전지 성능 저하가 측정되기 전에 어떤 표면 상태가 먼저 나타나는지, 그리고 조성·패시베이션·계면 설계로 그 상태를 억제할 수 있는지가 핵심 과제입니다.