Synthesis, Structure, and Optical properties of Hafnium-based Chiral-Polar 2D Organic-Inorganic Hybrid Metal Halides
- 주제어 (키워드) Chiral 2D Organic-Inorganic Hybrid Metal Halides , Hafnium-based 2D Metal Halides , Polarity , Band Gap Tunability , 카이랄 2차원 유-무기 하이브리드 금속 할라이드 , 하프늄 기반 2차원 금속 할라이드 , 극성 조절 , 밴드 갭 조절
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 옥강민
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079464
- UCI I804:11029-000000079464
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Chiral-polar two-dimensional (2D) organic-inorganic hybrid metal halides (OIMHs) represent a unique platform for multifunctional applications, as the interplay between chirality and polarity enables unique properties, including nonlinear optical (NLO) effects, circular dichroism (CD), and ferroelectricity. In this work, we report the first synthesis of hafnium (Hf)-based chiral 2D OIMHs, accomplished by strategically introducing para-substituents on the benzene ring of chiral organic components. Through precise modification of these substituents, we achieved effective modulation of crystal structure polarity, resulting in both chiral-nonpolar and chiral-polar systems. Detailed structural and optical characterizations, supported by density functional theory calculations, demonstrate that the polarity of these materials can be systematically controlled, enabling tunable band gaps and CD in the UV range (200–280 nm). Notably, halogen substitution at the para-position of the benzene ring in the organic layer produces tunable optical band gaps ranging from 4.33 to 4.48 eV, the widest reported to date for chiral-polar 2D OIMHs. Additionally, these materials exhibit enhanced NLO properties, including a remarkable 3.3-fold increase in second-harmonic generation intensity in chiral-polar compounds compared to their chiral-nonpolar counterparts. These results highlight Hf-based chiral 2D OIMHs as promising candidates for UV-region applications, such as UV NLO devices and self-driven circularly polarized light detectors, opening new avenues for the design of multifunctional optoelectronic materials by harnessing the interplay between chirality and polarity.
more초록 (요약문)
2차원 유-무기 하이브리드 금속 할라이드는 유기층에 다양한 종류의 카이랄 유기물을 도입함으로써 구조내 대칭 중심이 결여된 비중심대칭 구조를 유도할 수 있다. 특히, 카이랄성과 극성이 공존하는 2차원 카이랄-극성 유-무기 하이브리드 금속 할라이드의 경우, 카이랄성과 극성 간의 시너지 효과로 인해 비선형 광학 특성, 원형 이색성, 강유전성 등 독특한 물성을 가져 다기능적 응용을 위한 플랫품을 제공한다. 본 연구에서는 벤젠 고리의 파라 치환기를 변화시킨 카이랄 유기 양이온들을 층상 구조내 도입함으로써 극성을 체계적으로 제어하여, 카이랄-비극성 및 카이랄-극성 시스템의 하프늄 기반 2차원 유-무기 하이브리드 물질들을 최초로 합성하였다. 구조적 및 광학적 특성 분석과 밀도 범함수 이론 계산을 통해 파라 치환기의 종류에 따라 구조 내 카이랄 유기 양이온의 배열이 달라져 극성을 체계적으로 조절할 수 있음을 확인하였으며, 이에 따라 자외선 영역에서 조절 가능한 밴드 갭, 원형 이색성을 구현하였다. 특히, 극성 물질은 비선형 광학 특성이 향상되어, 비극성 물질에 비해 더 강력한 제2고조파 반응을 보였다. 이러한 연구 결과는 카이랄성과 극성을 동시에 유도할 수 있는 효과적인 구조 설계 전략을 제시하였고, 합성된 하프늄 기반 2차원 유-무기 하이브리드 물질이 자외선 영역에서 광전자 응용 분야에서 활용될 가능성을 보여주었다.
more목차
1. Introduction 13
2. Experimental Section 17
2.1. Materials 17
2.2. Synthesis 17
2.3. Measurements 18
3. Results and discussions 45
3.1. Para-Substituent Effect on Crystal Structure 45
3.2. Para-Substituent Effect on Optical Properties 51
3.2.1. Optical Band Gap Tunability 51
3.2.2. Circular Dichroism (CD) Tunability 57
3.2.3. Enhancement of Second-Order Nonlinear Optical (NLO) Properties 59
4. Conclusions 63
5. References 64
