김동호 명예특임교수팀, 외부 자기장하의 시간 분해 분광 분석 활용,
단일항 분열의 메커니즘의 스핀 동역학 모델 제시
태양 전지 및 양자 정보 과학 분야에서 높은 활용 가능성을 보이는 단일항 분열 메커니즘 규명
다중 엑시톤 삼중항 쌍 스핀 동역학의 새로운 모델 제시
이과대학 화학과 김동호 명예특임교수 연구팀 [제1저자 김준오 박사 (현 Cornell University 박사후연구원), 공동 저자 홍용석 박사 (현 Columbia University 박사후연구원), 공동 저자 김우재 박사 (현 연세대학교 화학과 조교수)]이 단일항 분열 (Singlet Fission) 과정에서의 다중 엑시톤 동역학 메커니즘을 시간 분해 자기 광학 분광학(time-resolved magneto-spectroscopy)을 활용하여 체계적으로 밝혔다.
유기 반도체 물질에서 발현되는 엑시톤(exciton)은 엑시톤을 구성하는 전자 및 정공의 스핀 상태에 따라 단일항 (singlet) 엑시톤 그리고 삼중항 (triplet) 엑시톤으로 구분할 수 있다. 단일항 분열 현상은 물질이 빛을 흡수하여 형성한 초기의 단일항 엑시톤이 두 개의 삼중항 엑시톤으로 분열하는 것을 일컽으며, 제한된 유기 반도체 물질에서만 관측된다. 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 (quantum entanglement) 상태에 있는 두 삼중항 엑시톤이 스핀 오중항 (quintet state)과 같은 높은 스핀 준위를 가진다는 것이 밝혀지면서 양자 정보 과학 분야에서의 활용성도 점쳐지고 있다.
현재까지, 단일항 분열 과정의 중간체로 양자 얽힘 상태에 있는 두 삼중항 엑시톤, 즉 삼중항 쌍 다중 엑시톤 (multiexcitonic triplet pair) 존재에 대한 합의가 이루어졌다. 반면, 다중 엑시톤 다수의 스핀 상태가 소멸, 발광 그리고 분열에 중요한 핵심적인 역할을 할 것으로 예측되어 왔으나, 이것을 규명하는 것은 실험 물리/화학자들의 과제로 남아 있었다. 이에 본 연구단은 TIPS-테트라센(TIPS-tetracene) 다량체의 구조를 변화시켜 다중 엑시톤의 동역학을 제어하고, 외부 자기장을 도입하여 스핀 상태와 다중 엑시톤 동역학 간의 상관관계를 명확하게 규명하였다. 발색단(choromophore)의 개수, 발색단 간의 연결체의 종류와 길이, 구조의 경직 정도 등 구조적인 요소를 제어하여 다양한 선형과 덴드리머(demdrimer, 나뭇가지 형태로 얽힌 분자) 형태의 TIPS-테트라센 분자체를 합성하고, 자기-시간분해 분광학 분광법을 활용하여 1테슬라까지의 가변 자기장 하에서의 다중 엑시톤 동역학을 분석하였다.
시간 분해 분광법은 극초단 펄스(pulse)를 이용하여 시간에 따른 엑시톤의 변화 및 거동을 추적한다. 본 연구에서는 시간 분해 형광 (time-resovled photoluminescnce) 분광법과 시간 분해 순간 흡수(transient absorption) 분광법을 이용하여 수백 펨토초에서(10의–13승) 수백 마이크로초까지의(10의–6승) 총체적인 시간 영역에서 일어나는 다중 엑시톤 동역학을 관측하였다. 이를 바탕으로 구조의 경직도 및 스핀 교환 상호작용 (exchange interaction) 이 다중 엑시톤의 최종적인 분열에 핵심적인 역할을 하는 것을 관측하였으며, 다중 엑시톤의 스핀 오중항 상태가 다중 엑시톤의 분열, 그리고 스핀 삼중항 상태가 다중 엑시톤의 소멸을 유도하는 것을 밝혔다. 자기-분광 특성 실험 결과는 동역학 모델을 이용한 시뮬레이션 결과로 뒷받침되었으며, 삼중항 쌍 다중 엑시톤의 동역학을 설명하는 새로운 모델을 제시하였다.
김동호 교수는 “분자 간 상호 작용과 다중 엑시톤의 특성을 체계적으로 이해했으며, 스핀과 관련한 단일항 분열 과정의 메커니즘을 이해하는데 크게 기여했다”라고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 세계적인 종합화학 분야 권위 학술지 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society, IF 15.0 )’ 4 월 호에 게재됐다.
[논문정보]
● 논문제목: Elucidating Singlet-Fission-Born Multiexciton Dynamics via Molecular Engineering: A Dilution Principle Extended to Quintet Triplet Pair
