MIT 연구진이 반도체와 발광다이오드에 활용될 수 있는 엔(ene) 분자의 안정성을 향상시켰다. 이 획기적인 발전을 통해 ene은 다양한 색상의 빛을 방출할 수 있으며 고효율 태양 전지 및 더 밝고 에너지 효율적인 스크린에서의 사용을 발전시킬 수 있습니다. 엔(ene)이라고 불리는 이 분자는 유기발광다이오드나 태양전지 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다.
용융된 탄소 함유 고리 사슬은 독특한 광전자 특성을 가지며 반도체로 사용될 수 있습니다. 알켄이라고 불리는 이러한 사슬은 다양한 색상의 빛을 방출하도록 조정될 수 있으므로 유기 발광 다이오드에 이상적인 후보가 됩니다.
알켄이 방출하는 빛의 색은 길이에 따라 결정되지만, 분자가 길어질수록 안정성이 저하되어 발광 응용 분야에 널리 사용되는 데 방해가 되었습니다.
이제 MIT 화학자들은 이러한 분자를 더욱 안정적으로 만들어 다양한 길이의 알켄을 합성할 수 있는 방법을 알아냈습니다. 이 새로운 방법을 사용하여 빨간색, 주황색, 노란색, 녹색 또는 파란색 빛을 방출하는 분자를 만들 수 있어 다양한 분야에 엔을 적용하기가 더 쉬워졌습니다.
MIT 노바티스 화학과 부교수이자 이번 연구의 수석 저자인 로버트 길리아드(Robert Gilliard)는 “이러한 종류의 분자는 유용하지만 반응성 측면에서 문제를 제기한다”고 말했다. "이 연구에서 우리는 먼저 안정성 문제를 해결하고 싶었고, 두 번째로 범위에 걸쳐 빛 방출을 조절할 수 있는 화합물을 만들고 싶었습니다."
MIT 연구 과학자 Chunlin Deng은 12월 5일 Nature Chemistry 저널에 게재된 논문의 첫 번째 저자입니다.
알켄은 선형 방식으로 융합된 벤젠 분자(탄소와 수소로 이루어진 고리)로 구성됩니다. 공유 가능한 전자가 풍부하고 전하를 효율적으로 전달할 수 있기 때문에 반도체 및 전계 효과 트랜지스터(전기장을 사용하여 반도체의 전류 흐름을 제어하는 트랜지스터)로 사용되어 왔습니다.
최근 연구에 따르면 일부 탄소 원자를 붕소와 질소로 대체하거나 "도핑"하는 알켄이 더 유용한 전자 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 전통적인 알켄과 마찬가지로 이러한 분자는 공기나 빛에 노출되면 안정적이지 않습니다. 일반적으로 알켄은 공기에 노출되었을 때 분해되는 것을 방지하기 위해 글로브 박스라고 불리는 밀봉된 용기에서 합성되어야 합니다. 시간이 오래 걸릴수록 산소, 물 또는 빛에 더 취약해 원치 않는 반응을 일으킬 수 있습니다.
알켄을 보다 안정적으로 만들기 위해 Gilliard는 이전에 실험실에서 사용했던 리간드인 카바디인을 사용하기로 결정했습니다. 작년에 발표된 연구에서 그들은 이 리간드를 사용하여 온도 변화에 따라 다양한 색상의 빛을 방출하는 유기 화합물인 붕소 플루오렌 이온을 안정화했습니다.
이번 연구에서 Gilliard와 그의 공동 저자들은 붕소와 질소가 모두 도핑된 알켄에 카보나디엔을 추가할 수 있는 새로운 합성 방법을 개발했습니다. 새로운 리간드를 추가하면 엔이 양전하를 띠게 되어 안정성이 향상되고 독특한 전자 특성이 부여됩니다.
연구진은 이 방법을 사용하여 길이와 카보디인에 부착된 화학 그룹의 유형에 따라 다양한 색상을 생성하는 알켄을 만들었습니다. 지금까지 합성된 대부분의 붕소 도핑 및 질소 도핑 엔젤은 청색광만 방출할 수 있습니다.
"적색 방출은 이미징과 같은 생물학적 응용을 포함하여 광범위한 응용 분야에 중요합니다"라고 Gilliard는 말했습니다. "많은 인간 조직이 청색광을 방출하므로 청색 형광 프로브로 영상화하기가 어렵습니다. 이는 사람들이 적색 방출기를 찾는 많은 이유 중 하나입니다."
응용분야 및 향후 방향
이 알켄의 또 다른 중요한 특징은 공기와 물 모두에서 안정적이라는 것입니다. 더 낮은 배위수(즉, 중심 붕소 원자에 대한 더 적은 오르토 사이트)를 갖는 붕소 함유 전하 분자는 일반적으로 물에서 극도로 불안정하므로 물에서 올레핀 화합물의 안정성이 주목할 만하므로 이미징 및 기타 의료 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
"여기에 보고된 화합물 종류에 대해 우리가 흥분하는 이유 중 하나는 물에 현탁될 수 있다는 것입니다. 이는 광범위한 가능성을 열어줍니다"라고 Gilliard는 말했습니다.
연구진은 이제 다양한 유형의 카르바디엔 화합물을 추가하여 더 나은 안정성과 양자 효율(물질이 방출하는 빛의 양을 측정하는 척도)을 갖춘 다른 화합물을 만들 수 있는지 알아볼 계획입니다.
"우리는 아직 합성하지 않은 다양한 파생 상품을 만드는 것이 가능하다고 생각합니다"라고 Gilliard는 말했습니다. "우리가 아직 탐구하지 않은 광전자공학적 특성이 많이 있으며 이에 대해 매우 기대하고 있습니다."
Gilliard는 또한 MIT 전기 공학 교수인 Marc Baldo와 협력하여 새로운 알켄을 단일 핵분열 태양 전지라고 불리는 태양 전지 유형에 통합하려고 시도할 계획입니다. 이 태양전지는 하나의 광자에서 두 개의 전자를 생성할 수 있어 전지를 훨씬 더 효율적으로 만듭니다. 이러한 화합물은 텔레비전과 컴퓨터 화면용 발광 다이오드에 사용하기 위해 개발될 수도 있습니다. 유기발광다이오드는 기존 발광다이오드에 비해 가볍고 유연하며, 더 밝은 이미지를 구현하고, 전력 소모도 적다.
"유기 반도체, 발광 장치, 단일 핵분열 기반 태양 전지 등 우리는 아직 특정 응용 분야를 개발하는 초기 단계에 있지만 안정성으로 인해 장치 제조는 이러한 유형의 일반적인 화합물보다 훨씬 원활해야 합니다"라고 Gilliard는 말했습니다.
활성 0가 탄소와 양이온성 붕소 종을 결합함으로써, 틀에 얽매이지 않는 패러다임을 갖춘 이 창의적인 작업은 의심할 여지 없이 대기 및 빛에 대한 안정성이 높은 발광 재료 및 소규모 에너지 수확 장치 개발을 위한 유망한 길을 열었습니다.
Deng Chunlin, Akachukwu D. Obi, BiYouan E. Tra, Samir Kumar Sarkar, Diane A. Dickie 및 Robert J. Gilliard Jr.가 공동 저술한 "공기 및 빛에 안정한 발광 카르보디카벤-아자보라비소 이온", 2023년 12월 5일, "자연-화학"을 참조하세요.
DOI:10.1038/s41557-023-01381-03
컴파일된 소스: ScitechDaily