나노를 통해 키랄 2차원 페로브스카이트의 카이로프틱 활성 기원 규명

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3259(2022) 이 기사 인용

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키랄 페로브스카이트는 흥미로운 스핀 분극 특성으로 인해 스핀트로닉 및 분극 기반 광전자 장치의 유망한 후보로 광범위하게 연구되고 있습니다. 그러나 키랄성 전달 메커니즘이 거의 연구되지 않았기 때문에 키랄 페로브스카이트의 카이로프틱 활동의 기원은 아직 알려져 있지 않습니다. 여기서는 키랄 페로브스카이트(MBA2PbI4(1-x)Br4x)의 나노 제한 성장을 통해 키랄 분자 스페이서와 무기 골격 사이의 비대칭 수소 결합 상호 작용이 키랄 페로브스카이트의 카이로프틱 활성을 촉진하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 확인했습니다. . 이러한 이해를 바탕으로 우리는 실온에서도 나노제한 키랄 페로브스카이트의 놀라운 비대칭 거동(좌측 및 우측 원편광에 대해 2.0 × 10-3의 흡수 불균형 및 광발광의 이방성 계수 6.4 × 10-2)을 관찰했습니다. 우리의 연구 결과는 키랄성 전달 현상을 해석하고 미래의 스핀트로닉 및 분극 기반 장치를 위한 하이브리드 재료를 설계할 때 빌딩 블록 간의 전자 상호 작용을 고려해야 함을 시사합니다.

카이롭티컬 현상을 기반으로 한 키랄 포토닉스는 광스핀트로닉스1,2, 광학 정보 처리3, 생물학4, 키랄 바이오센싱5,6, 양자 컴퓨팅7,8 등 다양한 분야에서 엄청난 과학적 관심을 불러일으켰습니다. 천연 유기 화합물에서 흔히 발견되는 키랄 물질은 본질적으로 중심대칭이 아닌 특성으로 인해 원편광(CPL)의 편광 상태에 따라 비선형 광학 반응을 나타냅니다. 특히 키랄 유기물질은 분극현상을 이용한 광전자소자에 널리 활용되어 왔다. 다양한 물리적 형태를 유지하는 유기 키랄 물질은 어디에나 존재하지만, 카이롭티컬 현상이 나타나는 파장 범위는 근자외선(UV) 영역으로 제한됩니다9,10. 또한, 유기 물질의 열악한 전하 이동 능력은 광전자 장치에 대한 실제 적용을 방해합니다.

2017년에 우리 그룹은 저차원 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP)를 새로운 유형의 키랄 반도체로 재발견했으며, 이는 광전지 및 발광 다이오드(LED)를 위한 새로운 플랫폼으로도 인식되었습니다. 우리는 먼저 키랄 유기 암모늄 양이온을 함유한 OIHP가 왼손 원형 편광(LCP, σ+)과 오른손 원형 편광(RCP, σ−)의 다양한 흡수에 따라 원형 이색성(CD)을 나타낸다고 보고했습니다. 그 이후로 나노결정, 코겔, 나노혈소판 및 박막 형태의 다양한 키랄 OIHP가 강한 스핀-궤도 결합, 큰 Rashba 분할과 같은 특이한 스핀 관련 광전자 특성으로 인해 많이 보고되었습니다. , 1ns를 초과하는 긴 스핀 수명 및 85nm를 초과하는 긴 스핀 확산 길이. 예를 들어, Long et al. 무기 층의 평균 수를 변화시킴으로써 외부 자기장이 없는 경우에도 2K의 온도에서 3%의 원형 편광 광발광(CPPL)이 달성되었음을 입증했습니다21. 키랄 OIHP에서 관찰된 뛰어난 키롭 성능에도 불구하고 키랄 부피가 큰 유기 양이온에서 키랄 무기 골격으로의 키랄성 전달 메커니즘은 여전히 모호합니다. 스핀 관련 양자 광학 및 스핀트로닉스에 대한 키랄 OHIP의 큰 잠재력을 완전히 활용하려면 카이로프티컬 활동 기원에 대한 명확한 이해가 매우 요구됩니다.

키랄 OIHP에서 카이로프틱 활성의 기원을 밝히기 위해 유기-무기 하이브리드 시스템에서 키랄성 전달 현상과 관련된 네 가지 다른 메커니즘이 제안되었습니다. (i) 키랄 유기 분자에 의해 유도된 키랄 결정 구조로의 결정화22,23, (ii) ) 무기 반도체 표면의 키랄 왜곡, (iii) 키랄 전위 및 (iv) 키랄 유기 분자와 무기 반도체 사이의 전자 상호 작용. P212121의 Sohncke 키랄 공간 그룹을 갖는 키랄 OIHP가 2003년에 보고된 이후28,29, 그들의 카이롭 현상은 결정 구조-특성 관계를 기반으로 해석되었습니다. 키랄 부피가 큰 유기 분자와 비키랄 무기 골격(즉, 앞서 언급한 메커니즘 (i), (ii) 및 (iii)) 사이의 공간 상호 작용이 키랄성 전달에 대한 간단한 설명을 제공하지만, 키랄 유기 분자와 비키랄 사이의 전자 상호 작용 무기 프레임워크(즉, 덜 연구된 메커니즘(iv))도 자세히 조사해야 합니다. 아주 최근에는 유기 스페이서의 비편재화된 전자를 갖는 큰 π 결합\(({\varPi }_{6}^{6})\)이 준2차원(2D)의 전자 구성을 효과적으로 수정할 수 있음이 입증되었습니다. ) 무기 골격에서 요오드화물의 π-전자와 p-궤도 사이의 결합 효과를 통한 OIHP. 따라서 키랄 유기 분자와 비키랄 무기 골격 사이의 전자적 상호 작용의 섬세한 제어를 통해 키랄 OIHP에서 키랄성 전달의 기원이 명확하게 밝혀질 수 있을 것으로 기대됩니다.

98%; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) and 1.3 mmol of hydroiodic acid in the form of an aqueous solution (57 wt% stabilized with 1.5% hypophosphorous acid; Alfa Aesar, Ward Hill, MA) were mixed with 0.5 mL of absolute ethanol (Merk, Darmstadt, Germany). After vigorous stirring for 12 h, the solution was fully evaporated at 80 °C in a vacuum to synthesize the chiral organic ammonium halide salts./p> 99.5%; Sigma-Aldrich) was added to the solutions to obtain a compact and dense morphology. Then, DMF was added to the solutions to make the total concentration in the solutions 20 wt%. The resulting solutions were spin coated onto a glass substrate at 3000 rpm for 30 s for planar chiral 2D OIHPs films. The solution-coated substrate was then annealed on a hot plate at 65 °C for 30 min. To fabricate the AAO-templated chiral 2D OIHPs thin films, the same precursor solution was used. The precursor solution was deposited on the AAO substrate with different pore sizes followed by evacuation at 125 Torr for 3 min under a vacuum to promote the infiltration of the precursor solution into the AAO pores. The samples were further spun at 6000 rpm for 60 s and then annealed at 65 °C for 30 min in a glove box./p>

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