We report a colloidal synthesis of gallium oxide (Ga₂O₃) nanocrystals having metastable cubic crystal structure (γ phase) and uniform size distribution. Using the synthesized nanocrystal size series we demonstrate for the first time a size-tunable photoluminescence in Ga₂O₃ from ultraviolet to blue, with the emission shifting to lower energies with increasing nanocrystal size. The observed photoluminescence is dominated by defect-based donor−acceptor pair recombination and has a lifetime of several milliseconds. Importantly, the decay of this phosphorescence is also size dependent. The phosphorescence energy and the decay rate increase with decreasing nanocrystal size, owing to a reduced donor−acceptor separation. These results allow for a rational and predictable tuning of the optical properties of this technologically important material and demonstrate the possibility of manipulating the localized defect interactions via nanocrystal size. Furthermore, the same defect states, particularly donors, are also implicated in electrical conductivity rendering monodispersed Ga₂O₃ nanocrystals a promising material for multifunctional optoelectronic structures and devices.

(a) 300 K PL spectra of γ-Ga₂O₃ NCs ranging from 3.3 to 6.0 nm excited with λ = 250 nm.
(b) Photograph of colloidal 3.3 and 6.0 nm γ-Ga₂O₃ NCs illuminated with 250 nm UV light.

투명전도성 산화물(TCO) 중에서 Ga2O3는 가장 넓은 밴드갭을 갖는 반도체이고 높은 전도도와 가시선 발광을 나타내는 것으로 알려져 있는데, 이 연구에서는 배위성 용매로 oleylamine을 이용한 용액법으로 크기 조절이 가능한 콜로이드상 γ-Ga2O3 나노결정을 처음으로 합성하였음. 평균 입자크기는 반응온도에 따라 3.3±0.5 nm(200℃)로부터 6.0±1.1(310℃)까지 제어될 수 있음.

합성된 γ-Ga2O3 나노결정들은 근자외선으로부터 청색 영역까지의 발광을 나타내고, 평균 양자효율은 23%임. 이 PL은 연합된 주게-받게 쌍의 재결합에 의해 유래하며, 발광파장은 나노결정의 크기에 의존하는데 결정크기 증가와 함께 장파장쪽으로 이동하며, PL의 감쇠속도도 크기 의존하여 결정크기 감소에 따라 감쇠속도가 증가함. 상기 방법으로 다른 반도체 나노결정들에서 얻기 쉽지 않은 청색 이하의 단파장 발광이 가능함을 보여 주었으며, 이를 이용하는 광전재료 및 소자에 적용할 수 있을 것임.

한국화학연구원 소자재료연구센터 정하균 박사 제공