Nanoparticle monolayer on the substrate has unique properties than individual nanoparticle for collective effect from the highly ordered structure. Up to now, there were many methods proposed, solvent interface deposition or DNA mediated deposition, to form gold nanoparticle monolayer on the substrate. Recently, stability (solvent, pH level, and temperature) have been issued for expanding the scope of nanoparticle monolayer on the substrate. In this thesis, the ester bond was suggested to synthesize a highly stable gold nanoparticle monolayer on the substrate. Monodisperse 8.8nm diameter size spherical gold nanoparticle was functionalized as carboxylic acid and counter functional group (alkyl chloride) ligand attached to the gold-coated wafer. TBAF, a weak base, was used as a catalyst to form ester bond between carboxylic acid-functionalized 8.8 nm gold nanoparticle and alkyl chloride functionalized gold-coated wafer. From the Small-angle X-ray scattering measurement and scanning electron microscope, gold nanoparticle monolayer formed a hexagonally packed structure based on hydrophobic interaction and esterification. To best our knowledge, this is the first report for the gold nanoparticle monolayer deposition using esterification. The covalent bond between molecules could be expected to give high solvent stability on gold nanoparticle monolayer. So that, solvent stability (DMF, Ethanol, THF, Toluene) and high-temperature stability test was operated by SAXS measurement. In summary, a highly ordered gold nanoparticle monolayer was deposited on the functionalized substrate by esterification between functionalized gold nanoparticle and substrate. Cause of highly stable covalent bonds, gold nanoparticle monolayer has high stability and it would have a high potential for catalyst, electrode, and sensor.
기판 위에 규칙적으로 배열된 나노입자 단일층은 입자간의 집합적인 효과로 단일 나노입자 나노입자와는 다른 독특한 물리적 특성으로 인해 촉매적인 활용이나 정밀한 분자 탐침 등의 활용 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 현재까지는 고도로 정렬된 나노입자 단일층을 기판 위에 도포하기 위해 용매 경계층 도포, DNA 자기조립법이 주로 사용되고 있다. 그러나 기존에 사용되는 있는 방법들은 다양한 환경(온도, 산성 및 용매)에서의 구조적 안정성이 낮아 고도로 정렬된 나노입자 단일층의 활용범위가 제한되어 있다. 본 학위논문에서는, 공유 결합의 일종인 에스터 결합을 이용하여 구조적 안정성을 갖는 2차원 나노입자 단일층을 기판 위에 형성하는 연구를 수행하였다. 먼저 균일한 크기를 갖는 8.8nm의 구형 금 나노입자와 이를 고정할 기질 사이에 에스터 결합을 형성하기 위해 기능화 과정을 진행하였다. 8.8nm 금 나노입자의 표면을 카르복실 산 말단을 가진 리간드 분자인 11-mercaptoundecanoic acid로, 기질은 금 기판 위에 염소 말단을 가진 리간드 분자인 3-chloropropane thiol을 활용하여 소수성 표면을 갖는 염소 말단으로 기능화된 기판을 준비하였다. 기능화를 마친 8.8nm 금 나노입자와 기판에 약 염기인 Tetrabutylammonium fluoride(TBAF)를 촉매로 사용하여 기판과 나노입자 사이의 공유결합인 에스터 결합을 형성하였고 이를 통해 금나노입자 단일층을 기질 위에 형성할 수 있었다. 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)과 소각 엑스선 산란 기법(Small Angle X-ray Scattering, SAXS)을 통해 공유결합을 통해 기질 위에 도포된 금나노입자 단일층이 육각밀집 구조임을 확인하였다. 이는 에스터 결합을 이용한 세계 최초로 고도로 정렬된 금 나노입자 단일층 기질 도포 결과이다. 기질 위에 형성된 금 나노입자 단일층을 다양한 극성을 가진 용매(DMF, Ethanol, Toluene, THF) 조건과 고온의 환경에서의 SAXS 측정을 통해 기판 위에 고도로 정렬된 단일층의 구조적 안정성을 검증하는 실험을 진행하였다. 해당 실험을 통해 에스터 결합 반응을 이용하여 기질 위에 고도로 정렬된 나노입자 단일층은 다양한 용매에서 안정하게 구조를 유지하고 있음을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 얻은 에스터 결합을 이용한 기질 위에 고도로 정렬된 금 나노입자 단일층은 기존 기질 위 나노입자 단일층 형성 방법들과 달리 다양한 용매 환경에서의 안정성을 갖고 있어 촉매, 전극 그리고 센서 등으로의 활용 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
