Fabrication of Plasmonic Nanostructures Using Stimuli-Responsive Hydrogel Nanocolloids

Abstract

Plasmonic nanostructures can exhibit unique optical properties by virtue of their surface plasmon resonances. They have been actively studied in various research fields such as optics, optoelectronics, optical metamaterials and solar energy harvesting. In the meantime, stimuli-responsive hydrogel nanocolloids can switch their swelling-deswelling state in response to the external stimuli. Combining plasmonic nanostructures and stimuli responsive hydrogels can afford novel plasmonic nanostructures with remarkable optical characteristics. In this article, plasmonic nanostructures are fabricated using stimuli-responsive hydrogel nanocolloids. Hydrogel colloids that respond to both temperature and ionic species are served as templates for fabricating plasmonic nanostructures. We fabricated stained glass windows and optically left-handed nanopearl beads by utilizing the thermo-responsiveness of hydrogel colloids. In addition, using the ion-responsiveness of hydrogel colloids, colloidal bilayer sheets can be transformed into colloidal nanomazes. Our method allowed the fabrication of stained glass windows of different colors according to preparation temperatures. The iridescent color of stained glass windows could be also achieved by introducing photonic crystal monolayer. The color and transmittance of the windows could be modulated according to humidity conditions of their environment. Furthermore, these windows were capable of removing formaldehyde by photocatalytic activities. The multi-functionality of the stained glass windows implies their utility for smart windows applications. Furthermore, we synthesized optically left-handed nanopearl beads with fairly uniform size distribution and interior structures. Their inductance-capacitance circuit structures were thoroughly investigated. The resonance frequencies of nanopearl beads were tuned by adapting different size of gold nanocolloids comprising the nanopearl beads. Additionally, we demonstrated the negative refraction of incident wave by the nanopearl beads and elucidated their optical left-handedness. The effect of interior structures on the circuit structures and optical handedness of the nanopearl beads were also investigated. Moreover, their synthesis could be scaled up; up to 1.25 L solution was manageable. Colloidal nanomazes can be fabricated by simply immersing colloidal bilayer sheet in an aqueous salt solution. The method can generate complex structures without surface treatment or additional procedures. The structure of colloidal nanomazes was differed by immersion time. The mechanism of transformation of the colloidal bilayer sheets into colloidal nanomazes was elucidated from the experimental results. The colloidal nanomazes could be even converted into inorganic (Si and plasmonic) nanomazes. These nanomazes could effectively manipulate the reflectance of substrates. Theoretical studies further suggested that by controlling the geometric parameters of nanomazes, it could be possible to extensively modulate the optical properties over the visible-near-infrared wavelengths, regardless of polarization modes of the incident waves.|플라즈모닉 나노구조체는 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 독특한 광특성을 나타낸다. 플라즈모닉 나노구조체는 광학, 광전자소자, 광메타물질 및 태양에너지 하베스팅 등 다양한 분야에서 활발하게 연구되어 왔다. 한편, 자극응답성 수화젤 나노콜로이드는 외부 자극에 따라 팽윤-탈수 상태를 전환할 수 있다. 플라즈모닉 나노구조체와 자극응답성 수화젤을 함께 이용하면, 놀라운 광학적 특성을 지닌 새로운 플라즈모닉 나노구조체를 제조할 수 있다. 본 연구에서는 자극응답성 수화젤 나노콜로이드를 이용해 새로운 플라즈모닉 나노구조체를 제조하였다. 온도와 이온 모두에 반응하는 수화젤을 플라즈모닉 나노구조체의 템플릿으로 이용하였다. 수화젤의 온도감응성을 활용해 스테인드 글래스 윈도우와 왼손잡이 광특성 나노펄 비드를 제조하였고, 수화젤의 이온감응성을 통해 콜로이드 이중층을 콜로이드 나노미로로 전환할 수 있었다. 본 연구에서 제시된 방법을 통해 제조한 스테인드 글래스 윈도우는 처리 온도에 따라 다양한 색상을 나타내었다. 또한, 광결정 단층막을 도입해 반짝이는 색상을 나타내는 스테인드 글래스 역시 제조 가능하였다. 스테인드 글래스 윈도우의 색상과 투광량은 주위 환경의 습도 조건에 따라 변화하였다. 더욱이, 스테인드 글래스 윈도우의 광촉매 작용을 통해 포름알데히드의 제거가 가능하였다. 이러한 스테인드 글래스 윈도우의 다기능성은 스마트 윈도우로서의 유용성을 시사한다. 한편, 거의 일정한 크기와 내부구조를 갖는 왼손잡이 광특성 나노펄 피드를 합성하였고, 나노펄 피드의 인덕터-커패시터 회로 구조를 철저히 분석하였다. 나노펄 비드를 구성하는 금 나노입자의 크기를 다르게 하여 나노펄 비드의 공명주파수 조절이 가능하였다. 또한 나노펄 비드의 음굴절 현상과 왼손잡이 광특성이 설명되었고, 나노펄 비드의 내부 구조가 나노펄 비드의 회로 특성 및 왼손잡이 특성에 미치는 영향이 조사되었다. 마지막으로, 1.25 L에 이르는 스케일업 생산이 가능하였다. 콜로이드 나노미로는 콜로이드 이중층을 염 수용액에 담금으로서 제조된다. 이를 통해 기판의 표면 처리나 추가적인 공정 없이 복잡한 구조체의 제조가 가능하다. 나노미로의 구조는 염 수용액에 콜로이드 이중층을 담그는 시간에 따라 달라졌다. 콜로이드 이중층의 콜로이드 미로로의 전환 메커니즘은 실험 결과로부터 밝혀졌다. 또한, 콜로이드 나노미로는 실리콘과 플라즈모닉으로 대변되는 무기 나노미로로 전환되었다. 제시된 나노미로는 기판의 반사율을 효과적으로 제어할 수 있었다. 이론적 연구를 통해, 나노미로를 기하학적 구조를 조절하여 편광 방향에 관계없이 가시광-근적외선 영역에서의 광특성을 광범위하게 조절 가능함을 확인하였다.