My main research interest for my graduate studies was to fabricate nanostructures and characterize its optical response. For my Ph. D thesis work, I have fabricated hot spot structures and void chain structures which is the complimentary to the linear nanodisk chain structures. To investigate plasmonic optical response, I have investigated two-photon photo luminescence and found the confined optical fields for void chain structures. For hot spot structures, I have found great sensitivity for the surface enhanced Raman signal from absorbed molecules. The thesis consists of three chapters. Summaries of each chapter are as follow.
Large Area and Low Cost Fabrications of the 2D Highly Ordered Hot Spot Sites for SERS Applications
Several types of hot spot structures were fabricated in the hole sites by simple fabrication steps. In hole sites, different kinds of hot spot structures are formed. Unlike hexagonal close-packed structures, these hot spot structures are individually arranged and orderly exist. For these structures, we observed highly sensitive electromagnetic field enhancements in surface enhanced Raman scattering signals. For the study of electromagnetic field enhancements from linear line chain of nanospheres, we simulated surface electromagnetic field distributions by using finite difference time domain (FDTD) method. For different chain length, we found that field enhancements show different values. By this study, we expect linear chain structure will give more enhanced fields.
Confined Optical Fields in Nanovoid Chain Structures Directly Visualized by Near-Field Optical Imaging
Linearly aligned Au nanovoid chain structures were fabricated individually on the glass substrates. These individual structures form linear chains from single void till decameric void chains. Two-photon photoluminescence imaging techniques reveal the localized surface plasmon distributions from the individual structures
by using apertured-type home-built near-field scanning optical microscope. Especially for the dimeric nanovoids, the confined optical fields were shown between voids with the parallel polarization to the chain axis. The FDTD simulations also show qualitatively well matched results with experiments. For the longer nanovoids, similar optical field confinements occur as the form of sequential void-plasmon coupling at the every interstitial gap. Polarization dependences of two-photon images were also measured according to the different orientations from void-chain axis.
Nanosphere Self-Assembly for the SERS-applications by Using Water/Oil Interface
We made mm-range closely packed single domain monolayer by using the water/oil interface with Au nanoparticles whose nominal sizes are about 32 nm. We transfer this monolayer to the hydrophilic Si substrates by pulling up the sample softly and we measure the surface enhanced Raman scattering of Rhodamine 6G dye molecules. For this structure, we simulate the electromagnetic field enhancement when the laser light shines the sample whose unit cell is hexagonal structures ideally. We suggest that the strong field enhancement comes from the every interstitial gap among nanoparticles.
Keywords: Fabrications, Characterization, nanostructures, hot spot, highly ordered, single domain, SERS, self-assembly, confined optical fields, nanovoid chains, near-field optical imaging, water/oil interface, FDTD
표면 라만 증강 산란을 위한 표면 나노 구조 제작 및 특성 연구
학위 연구 동안의 내 주요 연구 관심사는 나노 구조를 제작하고 그 나노 구조의 광학 특성을 살펴보는 데 있었다. 학위 연구를 위해서, 나노 입자의 ‘hot spot` 구조와 nanovoid 선형 배열 구조를 제작 하였다. 또한, 광대역 hexagonal 2차원 구조를 제작하였다. 선형으로 배열된 nanovoid 구조는 nanodisk 선형 배열 구조의 역구조이다. 플라즈몬 광학 응답을 관찰하기 위해, 2광자 광 형광 현상을 통해, nanovoid간 coupling 현상을 관측하였다. 이를 통해 나노 홀의 모든 갭 사이에서 전자기장 증강이 일어나고, 그 구조에 묶여 있는 광 전자기장이 형성됨을 관찰하였다. 나노 입자의 `hot spot`구조에서는 흡착 분자의 라만 증강이 강하게 일어남을 알 수 있었다. 이 연구는 크게 3개의 chapter로 구성되어 있고, 각 chapter의 요약은 다음과 같다.
단일 분자 민감도를 갖는 대면적 저비용의 2차원 균일 `hot spot` 구조의 제작
나노 입자의 단일 ‘hot spot’ 구조체의 조합 배열을 Top-down과 Bottom-up 방식의 Hybrid 방식을 토대로 SiO2 홀 영역에 매우 간단하게 만들어 냈다. 홀 크기와 모양 (타원형, 원형)에 따라 여러 형태의 단일 `hot spot`구조가 형성되었다. 육각의 밀집구조와는 달리, 이러한 구조는 개별적으로 형성되어, 일정한 규칙에 따라 정렬되었다. 이러한 구조체에서, 우리는 매우 민감한 전자기 증강을 표면 증강 라만 산란 현상에서 관측하였다. 또한, FDTD 시뮬레이션 모델링은 이러한 구조에 전자기 특성과 증강 현상을 확인하고 증강 정도를 가늠하는 중요한 척도가 되었다.
근접장 광 이미징 기법을 통해서 본 `nanovoid` chain 구조의 국지 광 전자기장의 구현
선형으로 배열된 금 nanovoid 체인 구조를 유리 기판 표면에 구현하였다. 이 구조는 개별적 으로 분리된 구조를 띄고, 선형적 배열을 이루어 monomeric 금 nanovoid에서 decameric 금 nanovoid를 형성하였다. Aperture-type 근접장 현미경이 연결된 이 광자 광 발광 이미징 기법을 이용하여 각각의 nanovoid 구조에서 국지 표면 플라즈몬의 분포를 확인하였다. 특히, dimeric nanovoid의 경우, 입사광이 nanovoid와 평행하게 편광되어 들어올 때 강한 국지 광 전자기장이 void 사이에 나타났다. FDTD 시뮬레이션 결과도 이러한 실험과 잘 맞는 결과를 보여주었다. 긴 체인 형태의 nanovoid 구조체에서도 이와 유사한 현상이 나타났고, 각각의 모든 voids 사이에 광 전자기장의 구속 및 증강이 일어남을 확인할 수 있었다. 입사광의 편광의 변화에 따라 이 광자 발광 현상의 이미지 또한 얻어낼 수 있었다.
SERS에의 응용을 위한 물/오일 계면 사이에서의 나노 입자의 자기 조립 연구
물/오일 계면에서 30 nm 크기의 Au 입자가 수 밀리미터 영역에서 조밀한 구조를 형성하도록 하였다. 이 단일 조밀 층을 Langmuir Shaffer 방식으로 친수성의 SiO2 층이 형성된 Si 기판에 옮기고, R6G 분자의 표면 증강 라만 산란 현상을 관측하였다. 이 조밀 구조에 대해 FDTD 시뮬레이션은 나노 입자의 각각의 모든 갭 사이에서 강한 전자기 증강을 보임을 확인하였다.
핵심어: 제작, 특성, 나노구조, “Hot spot", 정렬이 잘된, SERS, 자기조립, 구속 광 전자기장, Nanovoid 체인, 근접장 광 이미징, 물/오일 계면, FDTD
