초록 ▼

○ 최근 20여년의 나노과학의 시대의 도래에 따라, 연구자들은 실험실에서 금 또는 은 나노입자를 직경이 수 백 micro-meter의 거시적인 스케일에서 1 nm이하의 분자 수준까지 만들 수 있게 되었음. 이에 이러한 새로운 종류의 나노구조 광학 성질은 센서 응용에 여러 방법으로 응용되고 있음.
○ 본 연구 과제의 목표는 가능한 한 많은 원자 수의 나노 입자에 대한 “DFT-기반 순이론의 빠른 광학성질 계산 방법”을 개발하는 것임. 본 연구팀은 이에 부합하는 ADA(Atomic dipole approximation) 방법을 개

○ 최근 20여년의 나노과학의 시대의 도래에 따라, 연구자들은 실험실에서 금 또는 은 나노입자를 직경이 수 백 micro-meter의 거시적인 스케일에서 1 nm이하의 분자 수준까지 만들 수 있게 되었음. 이에 이러한 새로운 종류의 나노구조 광학 성질은 센서 응용에 여러 방법으로 응용되고 있음.
○ 본 연구 과제의 목표는 가능한 한 많은 원자 수의 나노 입자에 대한 “DFT-기반 순이론의 빠른 광학성질 계산 방법”을 개발하는 것임. 본 연구팀은 이에 부합하는 ADA(Atomic dipole approximation) 방법을 개발하였음. 일반적으로 불연속성 물질의 편극도는 그것의 부피에 비례하므로, N개의 원자로 구성된 나노입자에 존재하는 I번째 원자의 편극도(αI)는 자유 원자의 편극도(αI^free)에 일정한 부피 비를 곱하여 얻을 수 있음. 이 비율은 자유원자 부피(V^free)에 대한 I번째 원자의 유효 부피(V I^eff)의 비로 쓸 수 있음.

[수식]
○ 이 방법으로 얻은 원자 편극도를 나노 입자의 각 위치에 부여한 다음, 통상적인 수치방법인 DDA에서와 마찬가지로 다음 식을 이용해 유도쌍극자 간 전체 상호작용 에너지를 최적화함. 마지막으로 나노 입자의 광 흡광도(σ_abs)는 나노 입자 전제 흡광도로부터 얻을 수 있음.
○ DDA에 대비한 ADA의 편극값은 나노 입자 내부 영역에서는 상대적으로 작았으나 표면에 접근함에 따라 커짐을 알 수 있음. 또한, 특히 표면에서 DDA의 편극 값 크기는 ADA보다 더 크게 나타남을 알 수 있음. 이러한 결과는 두 가지 원인으로 판단되며, 한 가지는 원자 편극의 공명 에너지가 bulk값보다 크고 이 값은 Quantum 표면 플라즈몬의 값에 가깝기 때문임. 다른 한 가지는 작은 나노 입자는 큰 surface-to-volume ratio를 보이며 이 때문에 표면 원자가 전체 입자의 플라즈몬 성질을 결정한다고 해석할 수 있음. 결국 DDA 대비 ADA 결과의 향상은 상당부분 TDDFT로부터 얻은 원자 편극도의 사용에 기인한다고 할 수 있음.
○ ADA는 plasmon 계산을 위해 특별히 개발된 모델이기 때문에 앞선 그림의 스펙트럼(h)에서 보는 바와 같이 Ag⁺₅,의 스펙트럼에 대한 ADA 계산은 TDDFT와 큰 차이를 보임. 이는 ADA가 매우 작은 분자크기의 작은 계의 개별 전자 전이를 표현함에 적합하지 않은 단점을 의미함. 따라서 이 경우는 TDDFT를 직접 사용함이 옳다고 볼 수 있으나, 수천 개 이상의 원자로 구성된 계에는 지나친 계산 비용 때문에 사실상 사용 불가능하고 ADA를 사용해야 함을 알 수 있음.
○ 보다 큰 나노 입자에 대한 ADA의 유용성을 확인하기 위해, 지름이 3 nm에서 10 nm인 은 입자의 스펙트럼을 추가로 계산하였음. 아래 그림은 약 1 nm (55 atoms)으로부터 약 10 nm (12,431 atoms)입자에 대한 스펙트럼으로 입자가 작아짐에 따라 플라즈몬 공명 띠는 실험에서 관찰되는 것과 동일하게 blue-shift하는 것을 볼 수 있음. 반면, DDA는 크기에 관계없이 동일한 위치에 피크가 위치함을 볼 수 있음.

( 출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 3p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
• Ⅲ. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 9