서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 장준익 교수 연구팀(제1저자: 물리학과 류홍선 석박통합과정)의 연구성과가 지난 2월 10일 화학 분야 최고의 전통과 권위를 가진 세계적인 학술지인 미국화학회지 ’Journal of the American Chemical Society (JACS)’에 연이어 게재됐다. 장준익 교수팀은 작년 12월 16일 같은 학회지에 표지논문을 게재한 바 있다.
장 교수팀은 ‘광 발광 분광학(photoluminescence spectroscopy)’ 및 ‘비선형 분광학(nonlinear optical spectroscopy)’ 기법을 이용하여 할로겐 페로브스카이트(halide perovskites) 단결정의 광 특성을 온도의 함수로 정밀 측정·분석하였고, 페로브스카이트 구조를 이루는 A-site 양이온의 종류에 따라 이 물질의 극저온(영하 263 도) 광 특성이 상이하게 달라지는 원인을 규명하였다.
할로겐 페로브스카이트는 차세대 태양전지 및 LED 발광소자로, 전 세계적으로 주목받고 있는 반도체이다. 이와 같은 소자의 효율을 더욱 증진하기 위해서는 페로브스카이트를 구성하는 원자간 상호작용을 명확히 이해하고 제어해야 한다. 특히A-site 양이온은 격자 구조를 형성하는데 주요한 역할을 하지만, 직접적으로 광 특성에 영향을 주지 않는 것으로 현재까지 학계에 널리 알려져 왔다. 그러나 연구팀은 A-site 양이온의 종류에 따라 라쉬바 효과(Rashba effect) 및 폴라론 효과(polaron effect)가 매우 상이하게 발현되고, 이는 페로브스카이트의 색깔 및 저온 위상에 큰 영향을 줄 수 있음을 처음으로 증명하였다.
장 교수는 “본 연구는 기존 학계의 정설을 뒤집는 새로운 기초과학적 지식을 정립하였고, 금속 양이온 조절을 통해 페로브스카이트 기반 광소자의 효율 향상 가능성을 제시했다는데 의의가 있다”고 전했다.
한편 이 연구는 성균관대학교, 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀과 국제공동연구로 이루어졌으며, 한국 연구재단의 기초연구와 미국 에너지부의 지원으로 수행되었다.
* 논문 제목: Role of the A-site Cation in Low-Temperature Optical Behaviors of APbBr3 (A = Cs, CH3NH3)
* 논문 링크 바로가기: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11980
