A localized electromagnetic field enhanced by nanophotonic structures can significantly amplify some optical phenomena. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is one of the most famous examples using the light-matter interaction and this has gained a lot of attention due to its potential applications such as single-molecular label-free detection. Although the Brownian diffusion-based molecular delivery was frequently used in early researches, it has a fundamental detection limit in a nanoscale. To overcome the diffusion-limit, hydrophobicity-based molecular enrichment has been utilized. However, electromagnetic hotspots are blocked in realistic fluid since the volume of aggregation is much larger due to water-soluble pollutants and salt. Herein, the self-enriched SERS process was analyzed in realistic fluid with nanophotonic structures based on vertically-aligned carbon nanotube. Also, the limitation of the conventional self-enrichment method and a model explaining the hydrophobic deposition were suggested. Analytes in the realistic fluid were successfully detected by the controlled deposition based on the model. Finally, three-dimensional hydrophobic SERS nanostructures were explored by analyzing the infiltration of molecules into the nanocavities.
나노광학 구조체에 의해 집중된 전기장은 다양한 광학적 현상을 증폭시킨다. 그중 가장 대표적인 현상인 표면증강라만산란 (SERS)은 단분자 수준의 정밀도를 갖는 비표지 센서로 응용이 가능해 많은 관심을 받아왔다. 초기의 연구에서 자주 사용되던 확산 중심의 피분석체 전달은 나노 스케일에서는 유의미하게 작동하지 못하므로 이를 극복하고자 다양한 초소수성 표면 기반 자가농축 기법이 응용되었다. 하지만, 실제 유체에서는 불순물과 염으로 인해 응집체의 부피가 훨씬 커지게 된다. 이는 센서 영역을 막아 분석을 어렵게 만드는 문제점을 유발하였다. 본 연구에서는 수직정렬 탄소나노튜브 기반 나노광학 구조체를 제작하여 실제 유체 내에서의 자가농축 SERS 현상을 분석하였다. 또한, 본 기판을 사용하여 기존 농축 방식의 한계를 확인하고 초소수성을 제어하여 응집체 형성을 적절하게 설계할 수 있는 모델을 제공하였다. 모델에 따라 제어된 자가농축 조건에서는 실제 유체 기반 분석도 가능하였다. 마지막으로, 나노공동 형상 내의 유체 및 피분석체 침투를 분석하여 초소수성 기판에서의 삼차원 형상 활용 가능성을 조사하였다.
