김동호 교수팀, 나노 크리스탈 양자점의 3차원 모양 제어에 따른 다중 발광 메커니즘 규명

종합화학 분야 세계 최고 권위지 ‘Advanced Materials (IF=30.849)’ 표지 논문 선정

[사진. 김동호 교수(왼쪽), 김태희 석박사 통합과정 학생]

이과대학 화학과 김동호 교수 연구팀(제1저자 김태희 통합과정 학생)은 시간 분해 단일 입자 분광법(time-resolved single-particle spectroscopy)과 편광 조절 시간 분해 흡수 및 형광 분광법(polarization-controlled transient absorption & fluorescence spectroscopy)을 이용해 인화인듐 테트라포드(InP tetrapod) 나노 크리스탈의 모양 제어에 따른 엑시톤 구속 차원 변화와 다중 광자 발광체로의 전환 메커니즘을 규명했다.

본 연구 결과는 그 우수성과 독창성을 인정받아 종합화학 분야 상위 1% (Rank by Journal Citation Indicator, 2020) 세계 최고 권위 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF=30.849)’에 5월 13일 온라인 게재됐으며, 해당 이슈의 표지 논문(Frontispiece cover paper)으로 선정됐다.

나노미터(㎚) 수준의 작은 크기로 존재하는 나노 크리스탈 양자점은 강한 공간적 구속력으로 발생하는 양자 구속 효과로 인해 흥미로운 광학 성질을 나타낸다. 발광 다이오드 기반 디스플레이를 비롯해 다양하게 응용되는 반도체 나노 크리스탈은 엑시톤(exciton, 전자-정공 쌍)의 거동에 따라 그 특성이 좌우되기에, 광전소자의 효율을 극대화하기 위해서는 나노 입자의 다양한 형태에 따른 엑시톤 거동의 변화에 대한 연구가 필수적이다.

세 개의 공간 차원에서 모두 구속 효과가 발생하는 구형의 양자점의 경우, 강하게 결속된 다중 엑시톤 상태는 오제 재결합 등을 통해 빠르게 소멸하며, 구속 효과가 하나 혹은 그 이상의 차원에 대해 이완될 경우 다중 전하가 상호작용하는 방식이 변화한다. 본 연구에서는 성균관대 정소희 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 모양이 정교하게 제어된 단결정 테트라포드 그리고 정사면체(tetrahedron) 나노 크리스탈을 합성하고, 입자의 모양에 따른 엑시톤 거동 변화를 단일 입자 수준에서 관찰해 다중 발광체로의 전환 메커니즘을 최초로 규명했다.

김동호 교수 연구팀은 피코초(10⁻¹²초, 1조 분의 1초) 레이저와 광학 현미경을 접목시켜 시간과 공간 분해능을 동시에 갖춘 시간 분해 공초점 형광 현미경 장비를 이용해 나노 크리스탈 단일 입자의 형광 신호를 관측했다. 수직 구조의 두 검출기로 동시에 측정을 진행하는 시간-관계 단일 광자 계수 분광법(time-correlated single photon counting spectroscopy)을 이용하면 단일 입자의 이차 세기 상관(second order intensity correlation, g⁽²⁾) 광자 통계 특성을 관찰할 수 있다. 이차 세기 상관 통계로 관찰되는 비다발성(antibunching, g⁽²⁾(0) < 1)은 단일 입자 양자 발광체의 대표적인 특성으로, 이에 대한 정량적인 분석은 단일 입자 내 존재하는 발광 단위체의 개수에 대한 정보를 알 수 있게 한다.

팔 두께를 고정한 채 팔 길이를 다양하게 조절한 테트라포드 나노 크리스탈에 대해 단일 입자 형광 신호를 분석한 결과, 팔 길이가 짧은 테트라포드 입자는 정사면체 입자와 동일하게 단일 광자 발광체의 특성(g⁽²⁾(0) ≈ 0)을 보인 반면, 테트라포드의 팔 길이가 인화인듐(InP)의 엑시톤 보어 반지름(aB = 10 ㎚)을 넘어섬에 따라 다중 광자 발광체(0.5 < g⁽²⁾(0) < 1)로 전환되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 편광을 조절한 시간 분해 분광 측정으로 입자의 모양에 따른 들뜬 상태의 비등방성 동역학(anisotropy dynamics) 분석을 통해, 테트라포드의 팔이 충분히 길 때(>aB) 엑시톤이 각 팔에 편재화돼 생성되며, 이를 통해 엑시톤 구속 차원이 3차원에서 준 2차원으로 전환됨과 동시에 테트라포드의 네 개의 팔이 각각의 발광 단위체로 작용할 수 있게 됨을 밝혔다.

나아가 단일 테트라포드 입자에 생성된 다중 엑시톤은 각 팔에 구속된 사면체형 기하 구조를 이루며 독특한 방식으로 상호작용했다. 엑시톤 간 상호작용은 입자 내 국부 전기장에 교란을 일으켜 양자 구속 스타크 효과(quantum-confined Stark effect)를 증폭시킬 뿐 아니라 단일 나노 크리스탈의 양자 메모리 효과를 향상시키는 역할을 했다. 

김동호 교수는 “기하학적으로 제어된 다중 양자 상태 간 상호작용에 대한 이해는 나노 광학 및 양자 정보 분야로 신소재의 활용 범위를 확장시킬 수 있는 중요한 기반이 될 연구 결과”라고 연구의 의의를 밝혔다.

논문정보

● 논문제목: Shape-Tuned Multiphoton-Emitting InP Nanotetrapods

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202110665