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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 표면 플라즈몬 공명 센서의 감도를 향상시키기 위해서 이중 금속 나노 구조체를제안하였고, 제안된 이중 금속 나노 구조체의 플라즈모닉 반사광은 FDTD 방법을 통해 분석하였다. 계산된 이중 금속 나노 구조체는 초기 금속 박막의 두께는 30 nm이고 두 번째 금속 나노 홀의 두께는 20 nm이었다.
제안 방법
- 계산된 반사광은 홀의 반지름이 160 nm인 구조보다 전체적으로 반치폭이 작아서 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. FDTD 계산을 통해서 최적의 금속 박막의 두께는 30 nm이고, 나노 홀의 두께는 20 nm임을 알 수 있었고, 이를 기반으로 이중 금속 나노 구조체를 제작하여 측정하였다.
- 나노 비드의 단일층 아래에 계면활성제를 주입하고, 30 nm 두께의 Au 박막이 증착된 유리 기판으로 비드를 뜬 후에 건조기에 약간 기울여서 하루 동안 건조시킨다. 건조된 유기 기판을 O2 플라즈마 처리를 통해서 폴리스티렌 나노 비드의 크기를 조절하였다. 플라즈마 처리를 한 후에, 나노 홀을 만들기 위해서 E-beam 증착장비를 이용하여 20 nm 두께의 Au를 증착하였다.
- 본 논문에서는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서보다 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조로, 기존의 벌크 구조위에 나노 홀 구조를 형성시켜 미세 굴절률 변화를 검지할 수 있는 이중 금속 나노 구조체를 유한 차분 시간영역 (finite difference time domain, FDTD) 방법을 통해 모의 실험하였다. 또한 제안된 이중 금속 나노 구조체를 제작하였고, 에탄올을 이용해서 벌크 구조와 비교해서 센서의 감도를 측정하였다.
- 본 논문에서는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서보다 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조로, 기존의 벌크 구조위에 나노 홀 구조를 형성시켜 미세 굴절률 변화를 검지할 수 있는 이중 금속 나노 구조체를 유한 차분 시간영역 (finite difference time domain, FDTD) 방법을 통해 모의 실험하였다. 또한 제안된 이중 금속 나노 구조체를 제작하였고, 에탄올을 이용해서 벌크 구조와 비교해서 센서의 감도를 측정하였다.
- 계산된 이중 금속 나노 구조체는 초기 금속 박막의 두께는 30 nm이고 두 번째 금속 나노 홀의 두께는 20 nm이었다. 실험 공정에서 이중 금속 나노 구조체의 제작은 폴리스티렌 나노 비드를 이용해서 단일층으로 된 나노 패턴을 형성하고, 두 번째 증착 공정을 통해서 증착된 금속을 lift-off 공정으로 나노 홀을 제작하였다. 측정을 통해서 얻어진 벌크 표면 플라즈몬 공명 센서의 감도는 42.
- 이때 사용된 유리기판은 초기에 금속 박막을 30 nm 두께로 증착된 기판을 이용하였다. 홀 크기를 좀 더 작게 하기 위해서 O2플라즈마 식각 시간을 60초 하였다. 최종적으로 제작된 나노 구조체의 홀 크기는 214 nm이다.
대상 데이터
- 또한, 나노 구조로만 했을 때는 분광형태로 측정을 해야 하는데, 제안된 이중 금속 나노 구조체는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서와 같은 방법으로 반사광의 변화를 통해서 센서의 감도를 측정할 수 있다. 계산에 사용된 광원의 파장은 780 nm이고, 유리 기판의 굴절률은 1.515이다. 금(Au) 박막의 유전율은 Ɛm=-22.
- 그림 1은 본 연구에서 제안하는 이중 금속 나노 구조인데, 기본적으로 유리기판 위에 얇은 금속 박막을 코팅하고, 그 위에 금속 나노 홀이 주기적으로 배열되어 있는 구조이다. 금속 박막의 두께는 10, 20, 30 nm이고, 금속 나노 홀의 두께는 20 nm와 30 nm이다. 이때 홀의 크기는 반지름이 160 nm와 107 nm가 계산에 고려되었다.
- 일반적으로 벌크 표면 플라즈몬 공명은 Au의 두께가 30에서 50 nm 부근에서 공명 현상이 유도되는데, 본 연구에서는 여러 번의 측정을 통해서 40 nm 두께에서 가장 큰 반사광을 얻을 수 있었다. 따라서 나노 구조와 비교하기 위해서 Au가 40 nm 증착된 유리 기판을 이용하였다. 실험에서 사용한 용액은 물과 에탄올 7.
- 따라서 나노 구조와 비교하기 위해서 Au가 40 nm 증착된 유리 기판을 이용하였다. 실험에서 사용한 용액은 물과 에탄올 7.89%를 이용하였고, 물의 굴절률은 1.330이고, 물과 에탄올을 1:10으로 희석한 용액의 굴절률은 1.338이다. 측정에 사용된 광원은 780 nm의 LED를 이용하였다.
- 실험에서 사용한 폴리스티렌 나노 비드는 chloromethyl latex 4% w/v 0.42 μm를 이용하였고, 계면활성제는 SDS (sodium dodecyl sulfate)가 0.01%포함된 용액을 사용하였다.
- 그림 5(b)는 폴리스티렌 나노 비드 패턴을 플라즈마 처리를 한 후에, 금속 증착장비를 이용해서 Au를 20 nm 증착한 후에 lift-off 공정으로 제작된 나노 구조체를 보여준다. 이때 사용된 유리기판은 초기에 금속 박막을 30 nm 두께로 증착된 기판을 이용하였다. 홀 크기를 좀 더 작게 하기 위해서 O2플라즈마 식각 시간을 60초 하였다.
- O2 플라즈마 식각 조건에서 O2는 30 sccm이고, RF 파워는 80 W, 챔버 압력은 60 mtorr이며 식각 시간은 80초로 하였다. 이때 제작된 패턴의 크기는 291 nm이다. 그림 5(b)는 폴리스티렌 나노 비드 패턴을 플라즈마 처리를 한 후에, 금속 증착장비를 이용해서 Au를 20 nm 증착한 후에 lift-off 공정으로 제작된 나노 구조체를 보여준다.
- 338이다. 측정에 사용된 광원은 780 nm의 LED를 이용하였다. 물만 측정했을 때의 공명각은 15270 RU 이었고, 희석된 에탄올 용액은 18649 RU이었다.
- 그림 7은 이중 금속 나노 구조체의 센서 감도를 측정한 그래프이다. 측정에 사용된 이중 금속 나노 구조체의 기본 구조는 유리 기판에 금속 박막을 30 nm 두께로 증착을 하고, 두 번째 공정에서 폴리스티렌 나노비드의 lift-off 공정을 통해서 20 nm 두께의 Au가 증착되었다. 측정 실험은 그림 6과 동일한 조건에서 진행하였고, 물만 측정했을 때의 공명각은 23340 RU 이었고, 희석된 에탄올 용액은 27510 RU이었다.
이론/모형
- 제안된 구조를 제작하기 위해서는 이중 금속 나노 구조에서 플라즈몬 파의 형성 및 손실에 대한 구조적인 최적화가 선행되어야 하는데, 금속과 유전체의 경계면에서의 표면 플라즈몬 파를 유도하기 위해서 FDTD 방법을 이용해서 계산하였다. 금속과 유전체의 경계면에서의 표면 플라즈몬 파라 불리는 표면 전자기파는 1950년대 처음 관측되었다 [7].
성능/효과
- 이때 홀의 크기는 반지름이 160 nm이다. 계산된 공명각은 금속 박막의 두께가 증가할수록 작은 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있었고, 나노 홀의 두께가 20 nm 일 때와 30 nm의 구조에서 박막의 두께가 30 nm에서 43도의 공명각을 보여준다. 이때 박막의 두께가 얇아질수록 플라즈몬 파가 나노 구조에 집중되지 않고 반사광의 반치폭이 커지는 것을 알 수 있다.
- 계산된 공명각은 금속 박막의 두께가 증가할수록 작은 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있었고, 나노 홀의 두께가 20 nm일 때와 30 nm의 구조에서 박막의 두께가 30 nm에서 42.5°의 공명각을 보여준다.
- 물만 측정했을 때의 공명각은 15270 RU 이었고, 희석된 에탄올 용액은 18649 RU이었다. 따라서 측정된 벌크 표면 플라즈몬 공명 센서의 감도는 42.2 degree/RIU를 얻을 수 있었다.
- 측정 실험은 그림 6과 동일한 조건에서 진행하였고, 물만 측정했을 때의 공명각은 23340 RU 이었고, 희석된 에탄올 용액은 27510 RU이었다. 따라서 측정된 이중 금속 나노 구조체의 센서 감도는 52.1 degree/RIU를 얻을 수 있었다.
- 그리고 나노 홀 구조에서는 반사광의 크기가 줄고, 반치폭이 크지만 반응하는 면적이 넓어서 반사광의 이동량을 크게 만들어 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 나노 구조로만 했을 때는 분광형태로 측정을 해야 하는데, 제안된 이중 금속 나노 구조체는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서와 같은 방법으로 반사광의 변화를 통해서 센서의 감도를 측정할 수 있다. 계산에 사용된 광원의 파장은 780 nm이고, 유리 기판의 굴절률은 1.
- 그림 6은 이중 금속 나노 구조체의 센서 감도와 비교하기 위해서 유리 기판에 Au가 40 nm 증착된 벌크 형태의 표면 플라즈몬 공명 구조의 센서 감도를 측정한 그래프이다. 일반적으로 벌크 표면 플라즈몬 공명은 Au의 두께가 30에서 50 nm 부근에서 공명 현상이 유도되는데, 본 연구에서는 여러 번의 측정을 통해서 40 nm 두께에서 가장 큰 반사광을 얻을 수 있었다. 따라서 나노 구조와 비교하기 위해서 Au가 40 nm 증착된 유리 기판을 이용하였다.
- 실험 공정에서 이중 금속 나노 구조체의 제작은 폴리스티렌 나노 비드를 이용해서 단일층으로 된 나노 패턴을 형성하고, 두 번째 증착 공정을 통해서 증착된 금속을 lift-off 공정으로 나노 홀을 제작하였다. 측정을 통해서 얻어진 벌크 표면 플라즈몬 공명 센서의 감도는 42.2 degree/RIU이었고, 이중 금속 나노 구조체의 센서 감도는 52.1 degree/RIU를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 얻어진 이중 금속 나노 구조체를 이용한 센서는 정밀하고 정확한 실험을 요구하는 고감도 바이오 또는 생화학 센서에 활용될 수 있다.
후속연구
- 1 degree/RIU를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 얻어진 이중 금속 나노 구조체를 이용한 센서는 정밀하고 정확한 실험을 요구하는 고감도 바이오 또는 생화학 센서에 활용될 수 있다.
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