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피코초 수준에서 변화하는 유기결....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-04-22 11:31
조회 703
    ~ 초단레이저를 사용한 소형 전자선 회절장치의 개발 ~

    JST 과제달성형 기초연구의 일환으로서 도쿄공업대학 대학원이공학연구과 연구팀은 유기 광 일렉트로닉스 재료 중에서 발생하는 분자의 이동 및 변형을 2조 분의 1초 시간 분해능(촬영간격은 10억분의 1초)을 갖는 전자선을 이용한 직접적인 결정구조 해석법(분자 동영상)에 의해 밝혀내었다. 지금까지 유연성을 갖는 유기분자에서 초고속으로 발생하는 구조변화의 직접적인 관찰수단은 100억 분의 1초 정도로 새로운 광반응 물질의 개발 및 광생물학적인 현상 해명에 장애가 되었다.

    (EDO-TTF)2PF6은 실온에서는 결정이 있는 특정 방향으로 전기가 잘 흐르는 금속적 성질을 나타낸다. 이 물질을 7도(280K) 이하까지 냉각시키면 전자(정공, 이하에서는 전하로 통일)와 구성분자 사이 및 분자 내에 작용하는 다양한 상호작용에 의해 절연체적 성질을 나타낸다.

    지금까지 본 연구그룹에 의해 저온에서 냉각되어 절연체가 된 이 물질에 10조 분의 1초라는 짧은 간격으로 빛을 조사하면 극적인 색변화가 발생하는 것과 그 후 100억 분의 1초 정도 지난 후 결정을 실온에 방치했을 때 얻어지는 것과 동일한 금속적인 상태로 돌아간다는 것을 알았다. 그러나 그 기원인 전하의 움직임과 결정 및 분자의 구조변화 관련에 관한 정보는 알지 못하였다.

    그래서 본 연구는 전자선 회절법에 도전하였다. 전자는 입자와 파의 이중 성질을 가지며 고속으로 이동하는 전자는 원자수준의 짧은 파장을 가진 파로서 진동한다(이 특성을 이용한 기술 중 하나가 전자현미경이다). 고속의 전자선을 결정에 조사하면 전자의 파는 회절현상을 나타내고 이 회절선의 진행방향과 강도를 조사함으로써 시료의 결정구조를 밝혀낼 수가 있다. 이것이 전자회절에 의한 결정구조 해석의 원리이다.

    이 방법은 X선(초단파장 전자파)을 이용한 구조해석 기술과의 유이성을 가지며, 전자현미경 기술과 상당히 유사한 관계가 있는 원자 수준의 구조를 밝혀내기 위한 관측방법이다. 또한 전자선은 전자선 에너지가 결정하는 분해능의 한계 등 몇 가지 점에서 뒤떨어지지만, 회절선 강도는 상당히 강한 이점을 가지고 있다. 때문에 유기결정의 초고속 구조변화의 관측에 성공하면 X선 기술과의 상보성, 전자현미경과 유사한 장치가 소형화될 수 있어 휴대도 가능하게 되어 다양한 유기재료 개발에 이용될 수 있을 것으로 기대한다. 실제로 제작된 장치는 일반 실험실에서 사용할 수 있는 크기이다(X선의 경우, 자유전자 레이저는 장치 길이가 약 1km 정도).

    시료에 조사하는 전자집단(electron bunch)의 시간폭을 충분히 짧게 할 수 있다면 초고속에서 원자수준의 결정구조 해석이 가능하게 된다. 본 연구에서 개발한 장치에서는 10조분의 1초 이하의 초단펄스 레이저광을 금(Au)의 박막에 조사하고 그 표면에서 방출된 전자집단을 특수한 압축기(RF cavity)에서 압축함으로써 시료에 조사하는 전자집단의 시간폭을 10조 분의 1초 정도로 억제하였다.

    이 전자집단을 100나노미터까지 얇게 자른 (EDO-TTF)2PF6 결정에 조사하여 투과된 전자의 회절패턴을 CCD카메라로 촬영함으로써 회절영상을 얻었다. 한편, 시료를 여기하기 위한 광은 전자집단 생성에 이용한 레이저광의 일부이다. 여기서 전자집단과의 시간차를 임의로 제어함으로써 측정을 실시하였다. 이 측정장치에서 시간 분해능은 0.4피코초이다. 이 장치에 의해 얻어진 회절상과 시뮬레이션 계산의 비교 검토에 의해 결정구조가 어떻게 시시각각 변화하는가를 밝혀내었다.

    그 결과 종래 빛에 의한 측정에서 밝혀진 전하분포 변화와 동일한 시간 스케일로 구조변화가 발생한다는 것을 확인하고 그 상세한 내용도 밝혀내는데 성공하였다. 이와 같이 유기결정에서 전하변화와 구조변화를 동일한 시간 스케일로 관측한 사례는 지금까지 없었다. 이 결과로부터 기능과 관련된 성분의 일부를 변화시킨 재료를 만들기 위한 지침에서 광스위치 속도를 변화시킬 수 있는 가능성이 판명되어 현재 연구그룹은 신재료를 목표로 연구를 추진하고 있다.

    본 연구는 유기결정에 2조 분의 1초라는 시간 분해능에서 초고속으로 진행하는 전하의 움직임과 분자의 형상 및 위치변화의 관련을 밝혀내는 데 처음으로 성공하였다. 이 성과는 초고속 광스위칭 재료의 탐색 및 그 응용을 위한 기초가 될 것이며, 유사한 유기결정으로 이루어진 다양한 유기광전소자의 동작을 이해하고 새로운 재료를 개발하는 지침이 된다. 앞으로는 유기발광소자, 유기태양전지, 유기트랜지스터 등 유기물을 이용한 전자디바이스의 동작원리 및 광촉매, 인공광합성 등 광에너지 변화의 과정 등을 밝혀내는 연구에 응용할 수 있을 것으로 기대한다. 그리고 측정장치는 비교적 소형이기 때문에 실험실에 설치, 측정할 수 있는 이점이 있다. 따라서 앞으로 조작성이 향상된다면 시판되어 대학, 기업 등 많은 연구실에 보급될 것으로 기대한다.

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