Extraordinary Photostability and Davydov Splitting in BN-Sandwiched Single-Layer Tetracene Molecular Crystals

Seonghyun Koo, Ina Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ji Hoon Shim, and Sunmin Ryu*

 

이차원 분자 결정에 관한 연구는 높은 결정성을 가진 시료 제작의 어려움 및 자체의 불안정성으로 인해 탐사에 어려움을 겪어 왔다. 2021년 7월 20일 Nano Letters에 발표된 본 연구에서는 이차원 테트라센 결정을 육방정 질화 붕소 혹은 그래핀 사이에 가둠으로써 물질의 구조를 보존하고 광안정성을 크게 향상시켰다. 편광 분리된 광역 광발광 이미징 기법과 광학 이차 조화파를 이용하여 수십 마이크로 크기의 단일층 테트라센 필름이 단결정화되어 있고, 질화 붕소 기판 위에 성장할 때 특별한 배향을 선호한다는 사실을 밝혀내었다. 이런 구조적 정보들은 제일 원리 계산을 통해 뒷받침되었다. 또한, 이차원 테트라센 결정의 전자 구조가 유전 차폐 감쇠 효과로 인해 크게 변화하는 것을 흡수 및 방출 스펙트럼의 변화로부터 유추할 수 있었다. 광안정화된 이차원 분자 결정과 이들이 보이는 특이한 차원 효과는 광물리적 기초 연구와 광자 변환 공학의 자유도 증가에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

Two-dimensional molecular crystals have been beyond the reach of systematic investigation because of the lack or instability of their well-defined forms. Here, we demonstrate drastically enhanced photostability and Davydov splitting in single and few-layer tetracene (Tc) crystals sandwiched between inorganic 2D crystals of graphene or hexagonal BN. Molecular orientation and long-range order mapped with polarized wide-field photoluminescence imaging and optical second-harmonic generation revealed high crystallinity of the 2D Tc and its distinctive orientational registry with the 2D inorganic crystals, which were also verified with first-principles calculations. The reduced dielectric screening in 2D space was manifested by enlarged Davydov splitting and attenuated vibronic sidebands in the excitonic absorption and emission of monolayer Tc crystals. Photostable 2D molecular crystals and their size effects will lead to novel photophysical principles and photonic applications.

 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02009