복합 분자계의 비선형 광학 성질 연구

Abstract

Metal nanoparticles and highly conjugated organic molecules have been attractive candidates for nonlinear optical( NLO ) applications because they have unique electronic properties which are induced by their molecular structure. The complex molecular systems are to be given to way of modifying the electronic configurations of those. In this study, the third-order nonlinear optical properties of complex molecular systems such as alloy nanoparticles, organometallic polymers, and proteins were investigated by DFWM( Degenerate Four Wave Mixing ) and Z-scan technique. The Au / Cu alloy nanoparticles were prepared by changing their molar ratio of 3:1, 1:1, and 1:3, respectively. The synthesized alloy nanoparticles were characterized by UV-Vis spectrometer, TEM( Transmission Electron Microscope ), and XPS( X-ray Photoelectron Spectrometer ). The nonlinear optical properties were measured by DFWM technique at 532 nm. The measured third-order nonlinear optical susceptibilities were obtained as ( 7.27 - 8.04 ) x 10-13 esu, which were increased with increasing the fraction of gold. As another complex molecular system, organometallic polymer was synthesized through Honer-Emmons reaction. The synthesized ferrocene- containing polymer was prepared in thin film by spin-coating method. The third-order nonlinear optical susceptibilities were measured by DFWM at 532 nm for resonant nonlinearity, and by Z-scan at 740 nm for nonresonant nonlinearity, respectively. The results show that the resonant nonlinearity is about ten times larger. The proteins were used for the last candidates of complex molecular systems, which contain numerous amino acids and binding types. Synthesized protein is the caspase-3, which is a cystein protease. The third-order nonlinear optical susceptibilities of caspase-3 and three amino acids - tryptophan, tyrosine, and phenylalanine - were measured by DFWM technique at 266 nm. The third-order nonlinear optical susceptibility of caspase-3 complex with its inhibitor was measured, too. A comparison of the nonlinear response of these systems was made in order to investigate the influences of change of microenvironments on the third-order nonlinearity.;금속 나노 입자와 큰 콘쥬게이션을 갖는 유기 분자 등은 분자 구조에서 유도되는 독특한 전기적 성질에 의해 큰 비선형 광학 성질을 가지고 있어서 비선형 광학 소자로서의 응용 가치가 높다. 본 연구에서는 합금 나노 입자와 유기 금속 고분자, 단백질과 같이 기존 물질의 고유한 특성을 변형시킬 수 있는 복합 분자계의 삼차 비선형 광학 성질을 축퇴 사광파 혼합법과 Z-scan 방법을 통하여 연구하였다. 분산제가 포함된 유기 용매에서 합성된 금과 구리의 합금 나노 입자는 금과 구리의 몰 비율을 각각 3:1, 1:1, 1:3으로 변화시켰다. 합성된 합금 나노 입자는 자외선-가시광선 영역에서의 흡수 스펙트럼과 투과 현미경, XPS를 이용하여 합금의 생성 여부와 조성 및 입자의 크기를 확인하였다. 532 nm에서 축퇴 사광파 혼합법을 통하여 얻어진 삼차 비선형 광학 계수는 ( 7.27 - 8.04 ) x 10^-13 esu 의 값이 얻어졌으며, 금의 조성이 증가할수록 큰 값을 가졌다. 또 다른 복합 분자계로서 유기 금속 고분자는 Honer-Emmons 방법으로 ferrocene을 포함하는 고분자를 합성한 후, 이를 스핀 코팅 방법을 이용하여 박막으로 제조하였다. 합성된 유기 금속 고분자의 삼차 비선형 광학 계수는 532 nm에서 축퇴 사광파 혼합법을, 740 nm에서 Z-scan 방법을 통하여 측정하여 각각 공명 비선형성과 비공명 비선형성을 보았다. 공명 영역에서 얻어진 삼차 비선형 광학 계수는 1.25 x 10^-8 esu, 비공명 영역에서 얻어진 삼차 비선형 광학 계수는 1.86 x 10^-9 esu로 공명 영역에서 10배 정도 큰 값이 얻어졌다. 마지막으로, 수 개의 아미노산과 여러 가지 결합 형태를 포함하고 있는 복합 분자계로서 시스테인 단백질 분해 효소인 caspase-3를 합성하였다. Caspase-3와 분광학적으로 고유한 성질을 갖는 세 아미노산 - 트립토판, 타이로신, 페닐알라닌 - 의 삼차 비선형 광학 계수를 266 nm에서 축퇴 사광파 혼합법을 통하여 측정하였으며, caspase-3가 저해제와 결합했을 때의 삼차 비선형 광학 계수를 측정함으로써 단백질의 미세 구조 변화에 따른 삼차 비선형 광학 계수의 변화를 살펴보았다.