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표면 증강 라만 산란 증폭을 위한 은 나노 구조 제작 연구

Fabrication of Ag Nanostructures for Surface-enhanced Raman Scattering Enhancement

초록/요약

표면 증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman Spectroscopy, SERS)은 낮은 라만 신호를 증폭시켜 저농도 물질의 분석까지 가능케 하는 기술로, 이미 잘 알려져 있듯이, 이는 금속 나노 구조체에서 일어나는 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 현상에 기인한다. LSPR은 금속 구조체와 만난 입사광의 세기가 대폭 증강하는 현상을 의미하는데, 이 현상은 금속 나노 구조체의 형태에 따라 달라진다. 따라서 금속 재료의 구조적인 제어 기술은 SERS 연구 분야에서 매우 중요한 요인이라 할 수 있다. 일반적으로, 높은 성능의 SERS 기판을 제작하기 위해서는 그만큼 정밀하게 금속 재료를 다루는 장비가 필요하며, 공정 자체도 복잡하므로 상용화가 어렵다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구의 목적은 복잡하지 않은 공정으로 제조 및 활용 가능한 SERS 기판 제작법에 대한 다양한 가능성을 제시하는 데 있다. 먼저, NaCl층을 이용해 Ag의 응집(Agglomeration)을 유도하여 SERS 기판을 제작하였다. NaCl층과 접촉한 Ag층은 시간에 따라 응집 현상이 일어나 표면에 nano-gap을 형성하였다. 이는 추가 공정이 필요 없는 Ag층의 자발적인 움직임이며, 수많은 hotspot을 형성해 SERS 증폭을 유발한다. 이 결과는 저농도의 로다민 6G 용액으로 SERS 테스트를 거쳐 입증하였다. 최적 조건으로 응집된 Ag층은 기계적 안정성을 높이기 위하여 PDMS 기판으로 전사되었다. 다음으로, ITO를 이용한 초 소수성 기판을 제작하였다. Nano-branch 형태의 ITO는 틀(template)로써 작용하여, 그 위에 증착된 Ag는 틀의 모양과 같은 형태를 유지하는 것을 확인하였다. 또한, 추가 열처리 과정을 통해 계층적 구조가 생성되어 초 소수성 표면을 얻었으며, 이는 결과적으로, 라만 측정 시 분석 물질의 농도를 증가시키는 효과를 일으킨다. 제작된 SERS 기판은 세적 후 재활용 과정을 반복함으로써 재사용성과 재현성 역시 안정적임을 보여주었다.

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목차

1. 서론 1
2. 이론적 배경 4
A. 표면 증강 라만 분석 (Surface-enhanced Raman Spectroscopy) 4
가) 라만 분광법의 원리 4
나) 표면 증강 라만 분광법의 원리 6
B. 초 소수성 (Super-hydrophobicity) 10
가) Wenzel state 및 Cassie-Baxter state 10
나) 초 소수성 SERS 기판 13
3. 실험 방법 15
A. NaCl을 이용한 Ag 나노 구조체 SERS 기판 15
가) NaCl/Ag deposition 15
나) PDMS transfer 15
B. ITO/Ag 초 소수성 SERS 기판 17
가) ITO/Ag deposition 17
나) Post-annealing process 17
C. 특성 분석 및 SERS 테스트 19
가) 구조적 특성 분석 19
나) 표면 특성 분석 22
다) 로다민을 이용한 SERS 증폭 테스트 24
4. 결과 및 고찰 26
A. NaCl을 이용한 Ag 나노 구조체 SERS 기판 26
가) NaCl에 의한 Ag 형태 변화 26
나) Ag 형태 변화 분석 30
다) SERS 테스트 35
B. ITO 기반의 초 소수성 SERS 기판 37
가) 가열 온도 조건에 따른 Ag 특성 변화 37
나) 표면 특성 분석 42
다) SERS 테스트 44
5. 결론 47
참고 문헌 48

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