문주호 교수팀, 수소 결합이 페로브스카이트 내 카이랄 전이 현상에 미치는 핵심 메커니즘 규명

카이랄 구조 이성 질체 양이온을 통한 카이랄-전이 현상 규명

국제적 최고 권위 저널 ‘Nature Communications (IF 17.694)’에 게재

사진 1 (왼쪽부터) 문주호 교수, 손재현 석박통합과정생 (제 1 공동 저자), 마선일 박사 (제 1 공동 저자)

• 공과대학 신소재공학과 문주호 교수 연구팀은 카이랄 구조 이성질체 (structural isomer) 유기 양이온을 포함한 이차원 카이랄 페로브스카이트를 성장시켜, 유기층과 무기층 사이의 수소결합 변화가 카이랄-광학 현상에 미치는 순차적 메커니즘을 세계 최초로 규명하였다.
• 
  
• 카이랄 페로브스카이트는 우수한 스핀 편광 특성으로 인해 차세대 광학 소자 및 스핀트로닉스 소자의 유망한 물질로 주목받고 있다. 그러나, 유기물의 카이랄성이 어떻게 페로브스카이트에 전이 되는지에 대한 실험적인 탐구가 부족하여, 카이랄 광학 특성이 증폭된 실용적 어플리케이션 제작에 걸림돌이 되고있다.  
• 
  
• 연구팀은 조성은 동일하지만 작용기 위치가 다른 구조 이성질체 양이온를 도입함으로써 유기층의 조성 변화 혹은 분자 크기 변화가 스핀-관련 특성에 줄 수 있는 잠재적 요인을 제거하였다. 또한, 고순도의 카이랄 페로브스카이트 단결정 합성을 통해 순수한 유기층-무기층 간의 수소결합 변화를 도출 해내는데 성공했다.
• 정밀한 결정학적 분석을 통해 수소결합의 비대칭성이 강화될 경우 무기층의 반전 비대칭 (inversion asymmetry) 뒤틀림이 증가하여 페로브스카이트의 카이랄-광학 특성을 증폭 시킬 수 있다는 점을 발견하여 ‘카이랄 전이 현상의 메커니즘’을 증명 했다.

사진 2 . 연구팀이 카이랄-구조 이성질체 양이온을 통해 규명한 페로브스카이트 내 순차적 유기-무기 카이랄   전이 메커니즘 모식도

• 문주호 교수는 “이론적으로만 예측되고 있는 페로브스카이트 내 유기-무기 카이랄 전이 현상을 세계 최초로 실험적으로 증명했다는 점에 의의가 있다”며 “본 연구가 제안한 재료 설계 규칙 (material design rule)은 우수한 스핀-편광 성능을 지닌 차세대 광학 어플리케이션을 제작하는데 크게 기여할 것으로 기대된다” 라고 덧붙였다.
• 
  
• 본 연구는 한국연구재단 리더연구와 연세 시그니처 연구클러스터사업의 지원으로 수행 되었으며, 국제적으로 권위있는 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’에 5월 30일 온라인 게재됐다.

[논문 정보]

논문 제목: Unraveling chirality transfer mechanism by structural isomer-derived hydrogen bonding interaction in 2D chiral perovskite, Nature Communications | (2023) 14:3124