기초과학

중국과기대, 단일분자 전기적 상향변환 발광의 실험적 관찰 및 메커니즘 연구 성과

발행일 : 2019 / 05 / 16

최근 중국과기대 단일분자과학팀 둥전차오(董振超) 연구팀은 주사터널현미경(STM)으로 유도한 단일분자 전기장발광기술을 사용해 최초로 전기적 여기 조건에서 단일분자 상향변환 발광 거동을 또렷이 구현했다. 그리고 선전(深圳)대학 리샤오광(李曉光) 연구팀 등과 공동으로 그 미시적 메커니즘을 이론적으로 규명했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 온라인으로 게재되었다.

상향변환 발광이란 일반적으로 재료가 저에너지 광자를 흡수해 고에너지 광자를 방출하는 안티스토크스(anti-Stokes) 과정을 가리키는데 해당 현상은 레이저정보기술, 적외선 탐측, 생명의학 등 분야에 응용전망이 밝다. 전기적 여기 상향변환 발광 과정에서 유기분자는 STM으로 주입한 저에너지 전자를 흡수하는 한편 릴렉세이션(relaxation) 과정에서 고에너지 광자를 방출한다. 해당 과정은 분자의 전자상태, 분자 간 및 분자와 주변환경 간 상호작용과 연관이 있다. 이 같은 상호작용 및 규제와 관련한 미시적 과정에 대한 심층적 이해는 유기광전변환소자, 광촉매 및 광합성 등에서의 응용에 있어 매우 중요한 의미가 있다.

중국과기대 단일분자과학팀은 STM 고공간해상도 특성화 및 광학기술적 고민감 탐측을 결합시키는 기술을 장기적으로 연구했다. 특히 터널접합 나노캐비티 플라스몬의 브로드밴드, 국지적 및 증강특성에 대한 교묘한 조절을 통해 측정 한계를 확장시킴으로써 단일분자 수준의 관측 및 분자 광전거동 조절에 유력한 수단을 제공했다. 연구팀은 고도 국지화된 터널링 전자를 여기원으로 사용해 염화나트륨 디커플링층 표면의 단일 프탈로시아닌 분자의 전기장발광 연구를 통해 비정상 전기적 상향변환 발광 현상을 발견함과 아울러 분자발광 강도의 3개 서로 다른 바이어스 영역을 또렷이 구현했다. 더욱이 중요한 점은 단일분자 수준에서 전기적 상향변환 발광 현상을 관측함으로써 동일 유형 시스템 상향변환 메커니즘과 관련한 일부 추측을 잠재웠다. 이외, 서로 다른 바이어스 영역 관측은 상향변환 메커니즘을 분석·이해하는데 풍부한 데이터를 제공했다. 이에 기반한 이론적 분석으로부터, 두 가지 서로 다른 분자 여기 메커니즘(비탄성 전자산란 및 캐리어 주입) 간 미묘한 경쟁은 서로 다른 바이어스 영역에서 다양한 발광 현상을 유발함을 알 수 있다. 연구팀은 상기 두 가지 여기 메커니즘 및 시스템의 기타 잠재적 여기상태에 대한 정량적 분석을 기반으로 스핀 삼중항상태(triplet state)를 중간 과도상태로 함과 동시에 두 가지 여기(비탄성 전자산란 및 캐리어 주입) 과정을 결합시킨 단일분자 상향변환 발광 메커니즘을 최초로 제안했다.

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