외부 자기장의 자기-시간 분해 분광학 분광법 활용
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왼쪽부터 연세대 김동호 명예특임교수, 코넬대 김준오 박사 |
유기 반도체 물질에서 발현되는 엑시톤은 전자와 정공의 스핀 상태에 따라 단일항(Singlet) 엑시톤과 삼중항(Triplet) 엑시톤으로 구분한다. 단일항 분열 현상은 물질이 빛을 흡수해 형성한 초기의 단일항 엑시톤이 두 개의 삼중항 엑시톤으로 분열하는 것을 말하며, 이는 제한된 유기 반도체 물질에서만 관측된다.
단일항 분열 현상은 물질에 주입된 한 개의 광자를 이용해 에너지 손실 없이 두 개의 엑시톤을 형성한다는 측면에서 태양 전지의 효율 증진에 응용될 수 있을 것으로 큰 기대를 받고 있다. 최근에는 양자 얽힘 상태에 있는 두 삼중항 엑시톤이 스핀 오중항(Quintet)과 같은 높은 스핀 준위를 가진다는 것이 밝혀지면서 양자 정보 과학 분야에서의 응용 가능성을 시사했다.
그동안 단일항 분열 과정의 중간체로 양자 얽힘 상태에 있는 두 개의 삼중항 엑시톤, 즉 ‘삼중항 쌍 다중 엑시톤(Multiexcitonic Triplet Pair)’의 존재는 알려져 왔지만, 이것의 스핀 상태가 소멸, 발광 및 분열에 핵심적인 역할을 하는지에 대해 실험적으로 밝히진 못했다.
이에 본 연구팀은 TIPS-테트라센(TIPS-Tetracene) 다량체의 구조를 변화시킴으로써 다중 엑시톤의 동역학을 제어하고, 외부 자기장을 도입해 스핀 상태와 다중 엑시톤 동역학 간의 상관관계를 규명했다.
이를 위해 발색단(Choromophore)의 개수, 발색단 간 연결체의 종류와 길이, 그리고 구조의 경직 정도 등 구조적인 요소를 제어했다. 다양한 선형과 덴드리머 형태의 TIPS-테트라센 분자체를 합성하고, 자기-시간분해 분광법을 활용해 1테슬라까지의 가변 자기장 하에서의 다중 엑시톤 동역학을 분석했다.
시간 분해 분광법은 극초단 펄스를 이용해 시간에 따른 엑시톤의 변화 및 거동을 추적하는데 사용된다. 본 연구에서는 자기장 세기에 따라 달라지는 ‘시간 분해 형광 분광’과 ‘시간 분해 순간 흡수 분광’ 특성을 분석해 수백 펨토초(1000조분의 1초)부터 수백 마이크로초(100만분의 1초)까지의 시간 동안 다중 엑시톤 동역학을 관측했다.
연구 결과, 구조의 경직도와 스핀 교환 상호작용이 다중 엑시톤의 최종 분열에 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인했다. 또한, 다중 엑시톤의 스핀 오중항 상태가 다중 엑시톤의 분열을 유도하고, 스핀 삼중항 상태가 다중 엑시톤의 소멸을 유도한다는 것을 밝혀냈다.
이러한 자기-분광 특성 실험 결과는 동역학 모델을 이용한 시뮬레이션 결과로 뒷받침됐으며, 이는 삼중항 쌍 다중 엑시톤의 동역학을 설명하는 새로운 모델을 제시한 것이다.
연세대 김동호 명예특임교수는 “분자 간 상호 작용과 다중 엑시톤의 특성을 체계적으로 밝혀 스핀과 관련한 단일항 분열 과정의 메커니즘을 이해하는데 크게 기여했다.”며 연구 의의를 밝혔다.
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