양자점 내부 망간의 초고속 스핀교환 반응 규명

UNIST·美 LANL 공동연구
새로운 광촉매 매커니즘 입증

UNIST는 화학과 진호 교수가 미국 로스앨러모스국립연구소 빅터 클리모프 박사팀과 함께 양자점 내부의 망간이 핫 전자의 에너지를 받아 분자에 전자가 전달되도록 중개하는 스핀 교환 반응을 규명했다고 27일 밝혔다.

양자점은 수 나노미터 크기의 반도체 입자다. 빛을 흡수하면 내부 전자가 높은 에너지 상태로 올라가며 핫 전자가 되는데, 이 전자를 다른 분자에 넘기면 해당 분자가 전자를 얻어 태양광 수소 생산이나 이산화탄소 전환의 광환원 반응을 일으킬 수 있다.

하지만 핫 전자는 일반적인 양자점 안에서는 빠르게 에너지를 잃는다.

연구팀은 핫 전자가 에너지를 잃기 전에 이를 광환원 반응에 활용하기 위해 셀렌화카드뮴 양자점 내부에 자성을 띠는 망간 이온을 넣었다. 망간 이온은 핫 전자가 포함된 전자·정공 쌍과 초고속 스핀 교환을 일으켜 열로 사라질 에너지를 받아내고, 이 망간 이온이 원래 스핀 상태로 돌아가는 과정에서 전자가 분자로 이동하면서 광환원 반응이 일어나게 된다.

연구팀은 이 같은 사실을 증명하기 위해서 펨토초 과도흡수 분광법을 활용했다.

진호 교수는 "기존에는 반도체와 반응 분자 간의 에너지 준위가 맞지 않으면 전자 전달이 에너지적으로 불리해 광환원 반응을 일으키기 어려웠다"며 "이번 연구는 스핀 교환을 통해 핫 전자의 여분 에너지를 활용하면 이러한 조건에서도 반응을 일으킬 수 있다는 새로운 광촉매 메커니즘을 입증한 연구"라고 설명했다. 이다예기자