Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a finger-print of molecules, then it has been used in label-free molecular recognition of chemicals and biomaterials. Several metal nanostructures have been suggested to maximize tunability of optical properties and sensitivity. However, optical features of previously reported plasmonic structures were fixed during preparation steps and did not approve further changes. In this study, I developed a simple and versatile method for fabricating the tunable plasmonic cap arrays by transferring hexagonally ordered silica nanospheres on elastomeric substrate and by assembling electrostatically gold nanoparticles on tops of the amine-modified silica surfaces. Plasmonic properties could be controlled by changing the gap distance between gold caps using elastic deformation under mechanical manipulation. Finally, SERS intensities could be optimized at the stretched state due to strong local electromagnetic field enhancement arose from decreased spacing between gold caps as hot-spots. Therefore, plasmonic cap arrays formed on the elastomeric substrate have great potential for real-time tunable SERS-active devices.
본 학위 논문에서는 탄성력을 지닌 고분자를 기반으로 정렬된 플라즈몬 캡 구조를 제작하여 실시간 조정 가능한 표면 증강 라만 산란 분석 소자를 제조하였다. 제 1장에서는 라만 산란, 표면 증강 라만 산란의 원리와 표면증강라만산란을 위한 다양한 금속 나노 구조에 대해서 다루고 있다. 라만 산란은 물질의 고유한 신호로써 정성분석의 한 방법으로 제시되었으나 그 세기가 약하여 현재는 금속 나노 구조를 도입한 표면증강라만산란의 형태로 응용되고 있다. 그러나 현재 라만 산란 신호의 증폭을 위해 제시되고 있는 많은 금속 나노 구조는 제조 과정 중에 광학적 특성이 결정되므로 라만 산란 신호를 최적화하기 어렵다는 단점을 지닌다. 이러한 점을 극복하기 위하여 제 2장에서는 콜로이드 리소그래피, 리프트-업 소프트 리소그래피 그리고 금속 나노 입자의 전자기적 자기조립 방법을 이용하여 실시간 광학적 특성이 조정 가능한 정렬된 플라즈몬 캡 제조 방법에 대해 제안하였다. 마지막으로 제 3 장은 앞서 제시한 방법을 이용하여 제조된 플라즈몬 구조의 실시간 조정이 가능한 구조적, 광학적 그리고 표면증강라만산란 특성에 대한 결과를 다루고 있다. 먼저 구형 실리카 입자는 콜로이드 식각공정을 이용하여 크기를 쉽게 조절할 수 있었으며 이는 곧 나노 미터 수준의 거리를 가지고 정렬된 플라즈몬 캡의 주형이 되었다. 다음으로는 리프트-업 소프트 리소그래피 방법으로 구형 실리카 입자를 탄성력을 지닌 고분자 필름 위에 정렬시킬 수 있었다. 고분자 필름으로부터 부분적으로 드러난 실리카 표면에 금 나노 입자를 전자기적 자기 조립 방법으로 도입하여 최종적인 플라즈몬 캡 구조를 제조할 수 있었으며, 기존의 금속 나노 구조와 달리 이 시스템은 고분자 필름에 외부의 힘을 가하는 방식으로 플라즈몬 캡 배열의 변형을 유도할 수 있었다. 금속 나노 구조의 광학적 특성은 구조적 특성에 기인하므로, 외부의 힘에 의해 실시간으로 변형되는 플라즈몬 캡의 배열에 따라 광학적 특성의 제어가 가능함을 금속 구조 의 산란 스펙트럼 변화를 통해 확인하였다. 마지막으로 Benzenethiol 물질을 흡착시켜 표면증강라만산란 분석을 한 결과, 외부의 힘에 의해 유도되는 플라즈몬 캡의 배열에 따라 표면증강라만산란 신호의 세기 또한 증폭되는 것을 알 수 있었다. 이는 라만 신호를 강화시킬 수 있는 영역이 실시간으로 변경됨으로써 배열된 플라즈몬 캡의 민감성이 조절되는 것으로 생각된다. 이와 같은 결과로 볼 때, 본 논문에서 제조된 플라즈몬 캡 구조를 이용하면 검출 민감도를 높일 수 있으며 인체에 무해한 고분자 필름의 유연성을 바탕으로 생체물질 분석 효율을 높일 수 있을 것으로 예상된다.
