Fabrication of structures at nanometer scale is a key factor for the investigation of nanoscience and nanotechnology that requires delicate and sophisticated techniques to build nanostructures, especially 2-dimensional (2D) thin film systems. Photolithography is a conventional, but powerful tool in the area; it is, however, limited owing to its high-cost and complication. As a result, there is an evolution of lithography technique, with the appearance of new lithography methods used for typical purposes. Colloidal lithography is recently employed thanks to its facility in producing 2D functional nanostructures on large scale substrates. In this work, we apply the colloidal lithography to fabricate and study two types of nanostructures: noble metal triangle array and titania nanocone array. Self-assembled silica nanosphere monolayer built by Langmuir-Blodgett trough is combined with electron beam evaporation to produce the noble metal triangle arrays, or with dry etching to shape the TiO2 nanocone structures. The system of platinum triangles on SrTiO3 or TiO2 layer was characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), indicating a potential model in study of metal-oxide interfaces at nanoscale, whereas the UV-VIS-NIR spectra of gold triangles show surface plasmon resonance phenomenon. Meanwhile, the TiO2 nanocone arrays were investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM) and AFM to observe the morphology variation of the nanopatterned samples, or by X-ray Diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to study the change in crystal structure and chemical composition of the samples after the dry etching process. In addition, static contact angle measurements on the modified TiO2 layers exhibit a tunability of hydrophilicity or hydrophobicity, which results from the change in roughness and geometry of the samples. Self-assembled nanopatterning may bring the advanced scheme of multifunctional transparent layers with photocatalytic and self-cleaning properties.
나노 미터 크기 구조물의 제작 기술은 매우 정교함을 요구하며, 나노과학과 나노기술 연구에 매우 중요한 요소이다. 특히 이차원적인(2D) 박막 시스템과 같이 특정한 구조를 개발하기 위해서 더욱 중요하다. 기존에 개발된 사진 식각 공정은 여전히 많은 장점을 가지고 있으나, 비용과 공정의 복잡성의 단점이 있다. 이에 따라, 새로운 식각 공정의 도래와 함께 많은 진보가 있었다. 콜로이드 식각 공정은 최근에 큰 규모의 기판 위에 2D 기능성 나노 구조물을 제작할 수 있는 용이성 때문에 사용되고 있다. 여기서, 우리는 콜로이드 식각 공정으로 삼각 구조의 noble 금속과 타이타늄 산화물 나노 뿔 구조물을 제작하고 연구했다. 삼각 구조의 noble 금속 패턴을 형성하기 위해서 랭뮤어-브로드젯법으로 나노 크기의 실리카 산화 입자를 한 층으로 자가 조립 한 후, 전자선 증착 방법으로 noble 금속을 박막으로 증착하였다. 그 후 실리카 산화 입자를 제거하기 위해 초음파 분산기를 사용하였다. 나노뿔 구조의 타이타늄 산화물 제작을 위해서는 마찬가지로 랭뮤어-브로드젯법으로 나노 크기의 실리카 산화 입자를 한 층으로 자가 조립 한 후, 건식 식각을 통해 실리카 산화 입자와 기판의 타이타늄 산화물을 동시에 식각하였다. 이 때, 실리카 산화 입자는 타이타늄 산화물의 식각을 방지함으로써, 최종적으로 나노 뿔 구조물을 형성한다. 분광광도계를 이용하여 삼각 구조로 패턴된 금의 플라즈몬 공진 현상을 관찰하였고, 원자력 현미경을 통해 스트론튬 타이타늄 산화물과 타이타늄 산화물층 위의 백금으로 만들어진 삼각 구조의 금속-산화물 계면 포텐셜 특성을 측정하였다. 동시에 나노 패턴이 형성된 타이타늄 산화물 층의 표면 구조 관찰을 위해 주사전자현미경과 원자력 현미경을 사용하였고, 건식 식각 공정 후 시료의 결정 구조와 화학 조성 변화는 엑스선 회절기와 엑스선 광전자 분광기로 확인하였다. 타이타늄 산화물 층의 나노 뿔 구조물의 크기와 형태를 조절하는 표면 개질을 통해 친수성과 소수성의 표면 특성을 얻을 수 있었고, 이는 정적 접촉각 측정을 통해 관찰하였다. 이와 같은 자기 조립된 나노 패턴 구조물은 광촉매나 자가 세척분야와 같이 다기능성의 투명 층 개발에 획기적인 발전을 가져 올 것이다.
