Polarized Photoluminescence Study on Dye Molecule-Containing Nanoporous Zeolite Crystals
- 주제(키워드) polarized photoluminescence , zeolite
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정현식
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046622
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
제올라이트는 나노미터 크기의 세공이 균일하게 정렬되어 있는 삼차원 구조의aluminosilicate 물질이다. 이러한 구조적 특성으로 인하여 기존에는 흡착제나 촉매 등으로 사용되어 왔다. 그러나 최근 나노미터 크기의 물질들의 여러 가지 유용성이 부각됨에 따라 제올라이트의 유리한 구조적 특성을 이용하여 1차원적 물질이나 양자점등을 만드는 것에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 실험실에서 합성하는 제올라이트는 그 세공의 크기, 구조, 균일성 등에 따라 150여 가지의 종류로 나눌 수 있다. 제올라이트를 host 물질로 사용하고 유기분자, 무기분자, 반도체 물질 등을 guest 물질로 사용하면 다양한 분야로의 응용이 가능하다. 특히 채널형 나노 세공을 가지고 있는 제올라이트는 편광 발광, 높은 에너지 전달성, 안정성 등의 성질을 가지고 있어 주목받고 있다. 이에 따라 채널형 제올라이트에 염료 분자(dye molecule)를 삽입하여 그 발광 특성을 측정함으로써 제올라이트 합성물에 대한 기본적인 이해와 응용 가능성에 대해 연구하였다. 본 연구에서 사용한 염료 분자는 적색 염료 분자인 pyronin B와 Y이며, 제올라이트는 채널형인 L, AlPO4, Y, A, and ZSM-5등이다. 편광 발광 분광법과 미세 발광 측정을 통해 시료의 발광 파장과 편광 특성에 대해 분석하였다. 염료 분자에 대한 기초적인 연구로 여러 가지 용매에 염료 분자를 용해시켜 분자가 정렬되어 있지 않은 계에서의 편광을 측정하였다. 용액의 농도가 짙어질수록 발광 에너지가 낮아지고 편광 되는 정도 또한 점점 낮아졌다. 이 결과로부터 분자 주위의 환경, 즉 용매의 점도나 극성도에 따라 분자 사이의 상호작용이 달라짐을 확인하였다. 하지만, 염료 분자를 제올라이트에 삽입한 경우는 농도에 관계없이 그 편광 되는 정도가 일정하였으며 이는 제올라이트가 분자간의 상호작용을 막는 보호막 역할을 할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 발광 에너지가 분자의 경우보다 높은 것으로 미루어 보아 제올라이트 세공 안에 분자들이 갇혀있을 때, 양자제한 효과가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 염료 분자를 삽입한 채널형 제올라이트 결정을 유리 기판위에 분산시켜 미세 발광 측정을 이용하여 결정 하나에 대한 발광 세기 이미지를 얻었다. 결정축과 평행한 방향과 수직한 방향으로 편광된 빛을 조사시켜 각각의 이미지를 얻었는데, 낱개의 결정을 스캐닝 하기 때문에 삽입되어 있는 염료 분자들에 대한 분포도를 한눈에 관찰할 수 있다. 이는 염료 분자들이 삽입되는 과정이나 세공 안에서의 분자들의 특성을 연구하는데 도움을 준다. Pyronin B는 대부분의 결정에서 높은 편광을 보였으며, pyronin Y는 제올라이트 L의 경우, 입사된 편광 방향과 수직한 방향에서도 발광하는 결과를 얻었다. 이는 세공의 구조와 분자의 종류에 따라 편광성을 조절 할 수 있다는 것을 의미한다. 이 결과는 앞으로의 편광 발광 소자에 대한 연구에 큰 이익을 가져다 줄 것이라 생각한다. 염료 분자를 삽입한 제올라이트 결정을 단일층으로 합성하여 필름형태로 만들어, 보다 응용성이 있는 시료를 합성하였다. 원통형 모양의 결정이 틈이 없이 빽빽하게 커버글라스 기판 위에 수직으로 정렬되어 있는 시료의 경우, 기존에 발표된 제올라이트 합성물보다 매우 높은 정렬도를 보였으며, 높은 편광 발광을 보였다. 또한, 결정축과 같은 편광 방향으로 레이저를 조사시켰을 때, 그 방향과 평행한 방향으로 발광하는 빛보다 수직한 편광 방향으로 발광하는 빛의 파장이 긴 것으로 보아, 분자가 에너지를 흡수하고 방출하는 과정에서 분자간의 상호작용에 의해 에너지 전달이 일어난다는 것을 알 수 있었다. 특히 pyronin Y 분자의 경우, 위에서 언급한 정렬되지 않은 분자의 경우보다 편광 되는 정도가 더 낮은 것을 관찰하였다. 이는 보다 효과적인 에너지 전달이 일어나 분자가 처음에 흡수한 편광 방향을 거의 잃어버린다는 것을 의미한다. 이렇게 편광된 빛을 방출하는 특성을 이용하여 에너지 전달 현상을 관찰함에 따라 에너지 전달 물질로서의 응용가능성이 있다는 것을 알게 되었다. 본 연구에서는 분자, 분자를 삽입한 제올라이트 결정, 분자를 삽입한 결정의 단일층 집합체에 대해 각각 비교 분석하였다. 제올라이트에 대한 기본적인 특성 연구 및 염료 분자를 사용한 편광 특성 연구를 통해 제올라이트 합성물이 태양에너지 변환 기기 등의 에너지 기능성 전달 물질이나 마이크로 레이저, 광학 센서등의 광전자 기기에 응용될 수 있음을 보였다.
more초록/요약
Nanoporous materials have been studied due to their interesting properties and various applications. One of the most studied nanoporous materials is zeolite. Zeolite is a 3-dimensional nanoporous material that has been used as a catalyst, an ion exchanger, and even detergent. Today, zeolite is synthesized in the laboratory with various structures, and organic or inorganic molecules can be inserted into the pores. In this thesis, dye molecule-containing zeolite crystals are studied. Taking advantage of the zeolite structure, we synthesized polarized luminescent materials using dye molecules inserted into the pores of zeolite crystals. Polarized luminescent materials have a lot of potential uses in flat panel displays and other optoelectronic devices. Zeolite L, Y, A; AlPO4-5; and ZSM-5 were used as host materials and pyronine B and Y dye molecules were used as guest materials. We studied polarized photoluminescence from dye molecules in solvent, dye molecule-containing zeolite crystals, and oriented monolayers of dye molecule-containing zeolite crystals. When the dye molecules were randomly dispersed in solvents (randomly oriented system), it was found that the photoluminescence and energy states of dye molecules were affected by their surroundings, such as the electron dipole moment and viscosity of solvents. However, the anisotropy of fluorescence from the dye molecule-containing zeolite crystals was not sensitive to such external factors because the zeolite crystal acted like a cage. Using micro-photoluminescence spectroscopy system, the distribution of dye molecules in the zeolite crystal and the anisotropy of luminescence from scanning images were studied. In addition, we observed that the fluorescence anisotropy dependent on the shape of the zeolite pores and the type of dye molecule. In oriented monolayers, on the other hand, we could observe highly anisotropic luminescence and intra- or inter-channel energy transfers based on polarized luminescence spectra. This study provides an insight into molecular dynamics and alignment that can be used for the future design of optoelectronic devices in nanometer sizes. Also, it provides us with a unique opportunity to explore the photophysics of an isolated, oriented dye molecule.
more