Efficient optical-to-THz conversion organic crystals with simultaneous electron withdrawing and donating Halogen substituents

<Advanced Optical Materials> *표지논문 선정

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201700930/full

이상민 교수 연구팀은 아주대 권오필 교수 연구팀과 함께 분자설계 기술을 바탕으로 고효율 광대역 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 원천소재 개발에 성공하였다.

테라헤르츠(THz)파 (1 THz = 10¹² Hz = 4.1 meV)는 그 주파수 대역의 고유한 특성을 바탕으로 분광학, 통신, 비파괴 검사 및 이미징 등의 다양한 응용을 위한 흥미로운 광원으로 큰 관심을 받고있다. 최근, 높은 비선형 광특성, 광대역 위상정합 특성, 간단한 성장 기법 등의 많은 장점을 지닌 비선형 유기결정이 효율적인 광대역 THz 파의 발생 및 검출을 위한 유망한 물질로서 주목 받고 있다. 하지만 비선형 유기결정의 경우 결정을 구성하는 분자들의 포논 모드에 의한 THz 자체흡수가 존재하여 발생된 주파수 대역을 살펴보면 결정에 따라 다양한 방출공백이 존재한다. 이러한 자체흡수특성은 발생된 THz 전기장 세기 및 변환효율을 감소시키고 스펙트럼의 원하지 않는 변조를 초래하여 다양한 연구에 적용하는데 걸림돌이 되고 있다.

본 연구에서는 이온성 유기 물질 기반 비선형 광결정의 효율적인 분자 구조 설계를 위해, 전자 끌기와 전자 주기 효과를 동시에 유도할 수 있는 치환기 도입을 통해 구성분자의 공간채움 특성을 제어하였다. 이를 통해 물질이 가진 비선형 특성의 증가 및 1.5 THz 영역에 존재하는 강한 흡수특성 억제시켜, 효율적인 THz 발생을 유도하는데 성공하였다. 새롭게 성장된 OHQ-CBS 결정의 THz 방출 특성은 표준으로 사용되는 THz 방사체인 ZnTe 무기결정에 비해 30배 강한 전기장 세기와 3배 이상의 넓은 스펙트럼 특성을 나타낸다. 또한 분자구조가 제어되기 이전 상태의 유사결정 OHQ-T 결정과 비교하여 방출공백이 다소 줄어들고 현저히 향상된 THz 변환효율을 보여주었다.

분자 구조 설계 방식 중 새로운 특성을 지닌 치환기 도입 기법은 THz 변환 효율을 향상시키는 강력한 설계 방식으로, THz 발생 소재 개발에서 간단한 방식을 통해 실질적인 진동억제 기술을 선보였다는 점에서 의미가 있으며, 향후 THz 광원 개발 연구에 의미있는 기여를 할 수 있을 것이라 예측된다.

그림1. 어드밴스드 옵티칼 머티리얼스 (Advanced Optical Materials) 저널의 1월 18일자 표지논문 그림

그림2. 분자구조 제어를 통해 억제된 THz 흡수특성 (좌) 및 THz 스펙트럼 방출특성 (우)