나노기술 및 정책 정보

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  물질·재료연구기구(NIMS) 국제 나노아키텍토닉스거점(MANA)의 우오자키 코헤이(魚崎浩平) 코디네이터와 홋카이도대학(北海道大學)대학원 이학연구원의 이케다 카츠요시(池田勝佳) 준교수는 분자 일렉트로닉스에서의 이용이 기대되는 유기초박막형 광전변환 분자소자의 빛 이용 효율을 비약적으로 향상시키는 방법을 개발했다.
  본 연구에서는 광흡수·전자전달등의 필요한 기능을 갖는 부품을 연결한 분자로 이루어지는 단분자 초박막을, 원자 수준에서 표면제어한 평활한 금 전극면과 금 나노 입자에 끼워넣음으로써‘나노갭(nano-gap)형’광안테나를 도입하는 데 성공했다. 그 결과, 광안테나 1개당 광유기 전자이동 반응이 약 50배의 효율로 향상되는 것을 실증했다.
  단분자 초박막을 이용한 기능설계에서는 분자 수준의 정밀한 구조제어와 기능 발현 부위의 자유로운 연결에 의해 고도의 기능성을 실현할 가능성이 있다. 그러나, 광감응성의 유기 초박막을 설계할 경우, 단분자층에서의 광흡수율을 높이는 데에는 한계가 있어 시스템 전체의 고효율화에는 문제가 있다. 그러나 다층막화하여 광흡수율을 높이게 되면 분자 수준에서의 정밀한 구조제어가 어려워진다.
  나노 구조를 갖는 금이나 은 등의 금속 구조체에서는 그 자유전자가 빛의 전장과 결합하여 집단운동하는 ‘플라즈몬 공명’이 나타난다고 알려져 있다. 빛이 플라즈몬과 결합함으로써 금속 구조체 근방에 전장을 형성하기 때문에 색소분자와 입사광의 상호작용 효율이 향상하는 것으로 생각되었다. 그러나 이 현상을 이용하여 광안테나를 실현하기 위해서는 여러 문제점이 있었으며, 특히 광기능성 초박막에 적용하기 위해서는 분자기능 발현에 필요한 원자 수준에서의 금속표면 제어와 플라즈몬 공명을 나타내는 금속 나노 구조체의 구축을 양립시키는 것이 어려웠다.
  본 연구에서는 전극표면에 고배향 기능성분자 초박막을 형성한 후, 금나노 입자를 분자층 위에 흡착시켜 전극과 나노 입자 사이에 끼운‘나노갭’구조를 구축하는, 종래와 반대되는 공정을 통해 계면구조 제어와 안테나 특성 제어를 모두 달성했다. 다시 말해, 분자층의 기능을 최대한 활용하면서 광안테나의 특성도 엄밀하게 설계·제어할 수 있게 되었다.
  본 연구 결과는 화학계 학술지인 Angewandte Chemie에 게재되었다. 본 연구는 문부과학성 과학연구 비보조금 특정영역연구「광-분자강 결합반응장의 창성」의 일환으로 이루어졌다.