Metal nanoparticles (NPs) can play an important role in the field of nanotechnology and environmental technology due to its unique physical and chemical characteristics. In particular, NPs of noble metal such as gold (Au), silver, copper are applicable to optics, detection of biochemical materials, catalysts, surface-enhanced Raman scattering (SERS) since they have excellent optical, electronic, and catalytic properties. In addition, noble metal NPs with Platonic shapes such as tetrahedron, cube, octahedron, decahedron, icosahedrons have sharp corners and edges, thereby strong enhancement of local electromagnetic field is possible. Thus they can have a significant impact on the surface-enhanced spectroscopy, chemical and biological sensors, and nano-device development. Furthermore, patterning or controlled assembly of noble metal NPs is highly important for biological sensors, micro/nano-electrical devices, optical and photovoltaic devices, and SERS-active substrates. Among the wide variety of applications, SERS is a powerful tool for the detection of minute amount of biochemical or radioactive materials adsorbed on noble metal NPs. The Raman scattering intensity of biochemical or radioactive materials tends to be maximized on the nanostructured metal surfaces, which is due to the enhanced elec-tromagnetic field by localized surface plasmon resonance (LSPR).
In this study, Au NP films were fabricated by electron irradiation and thermal treatment of Au precur-sor materials. The shape and size of Au NPs were controlled by adjusting the composition, thickness, and con-centration of the precursor materials, and through which spherical and octahedral Au NP films could be suc-cessfully fabricated. The Au NP films with pure surfaces could also be fabricated by post-cleaning process and showed unique optical properties in accordance with particle shape and sizes. In addition, patterned spherical and octahedral Au NP films were fabricated. Due to the cross-linking behavior of precursor polymers under electron irradiation, the precursor films could be patterned by selectively irradiating an electron beam onto the films using a metallic shadow mask and post-developing process. Subsequent thermal treatment resulted in the growth of Au NPs and post-cleaning process leading to the formation of a patterned film comprising high-purity Au NPs. Furthermore, highly sensitive detection of minute amount of hazardous materials, ie. thiophenol and uranyl ion, was performed based on SERS using the fabricated Au NP films. According to this study, the fabricated Au NP films are expected to be applied to the highly-sensitive sensors for a variety of minute hazardous materials.
금속 나노입자는 독특한 물리적, 화학적 특성으로 인해 나노기술과 환경기술 분야에서 중요한 역할을 수행할 수 있다. 특히, 금, 은, 구리 등과 같은 귀금속의 나노입자들은 크기와 모양에 따른 뛰어난 광학적, 전기적, 촉매 특성으로 인해, 광학, 생화학물질 탐지, 촉매, 표면증강 라만 산란 (SERS) 등에 응용할 수 있다. 또한, 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체 등의 플라토닉 모양의 귀금속 나노입자들은 날카로운 꼭지점과 모서리를 가지고 있으며, 이로 인해 강한 국부 전기장 강화가 가능해 진다. 따라서 표면증강 분광법, 생화학 센서, 나노장치 개발 등에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 더불어, 귀금속 나노입자의 패터닝이나 제어된 집합은 생물학적 센서, 마이크로/나노 전기소자, 광학 및 광기전성(photovoltaic) 장치, SERS 활성 기판 등에 매우 중요하다. 상기 다양한 응용 분야 중, SERS는 귀금속 표면에 부착된 미소량의 생화학물질 및 방사성 물질을 탐지할 수 있는 강력한 도구이다. 생화학 및 방사성 물질의 라만 산란 강도는 나노구조화된 금속 표면에서 극대화되는데, 이러한 라만 산란 강도의 증가는 국부화된 표면 플라스몬 공명 (LSPR)으로 인해 증대된 전기장 효과에 의해 가능하다.
본 연구에서는 금 전구체 물질에 전자선 조사와 열처리를 가하여 금 나노입자 필름을 제조하였다. 전구체 물질로는 HAuCl4 와 PDDA 또는 PS-b-P2VP 등의 폴리머를 이용하였다. 전구체 물질의 조성, 두께 및 농도를 조절하여 금 나노입자의 모양과 크기를 조절하였으며, 이를 통해 구형 및 정팔면체 금 나노입자 필름을 성공적으로 제조할 수 있었다. 세척 과정을 통해 순수한 표면의 금 나노입자 필름을 제조할 수 있었으며, 제조된 금 나노입자 필름은 입자 모양과 크기에 따른 독특한 광학적 특성을 보였다. 더불어, 패턴화된 구형 및 정팔면체 금 나노입자 필름을 제조하였다. 전자선 조사에 의한 전구체 폴리머의 가교(cross-linking) 현상을 이용하여, 금속 마스크를 통해 전자선을 전구체 필름에 선택적으로 조사한 후 현상(develop)하여 패턴화된 전구체 필름을 형성할 수 있었다. 이후 열처리를 통해 금 나노입자를 형성하였으며, 세척을 통해 고순도의 패턴화된 구형 및 정팔면체 금 나노입자 필름을 제조할 수 있었다. 또한, 제조된 금 나노입자 필름을 이용하여 미소량의 유해 물질 탐지를 수행하였다. 최근 환경 오염 문제에 대한 관심이 커지면서, 유해 물질을 조기에 탐지하는 기술들이 주목을 받고 있다. 특히, 유해 생화학물질이나 방사성 물질들은 미량으로도 치명적일 수 있으므로 실시간으로 미량의 유해 물질을 탐지하는 기술이 매우 중요하다. 본 연구에서는 금 나노입자의 SERS 특성을 이용하여, thiophenol 및 우라늄 이온을 고감도로 측정하는 기술을 개발하였다. 제조된 금 나노입자 필름을 통해 thiophenol은 약 $10^{6}$ 배의 라만 강도 증가를 보였고, 우라늄 이온은 $10^{-9}$ M 까지 측정이 가능하였다.
본 연구에 따르면 선택적 전자선 조사를 통하여 대면적 패턴화된 금 전구체 필름을 효율적으로 생산할 수 있고, 열처리를 통하여 패턴화된 금 나노입자-유기 폴리머 복합 필름을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 세척을 통해 고순도의 패턴화된 금 나노입자 필름을 대면적 및 고속 생산할 수 있다. 또한, 본 연구에 따른 금 나노입자 필름은 전기적, 광학적 특성이 매우 우수하므로, 미소량의 다양한 유해 물질을 감지할 수 있는 고감도 센서에 응용될 수 있을 것이라 기대된다.