SERS 활성 기판의 제작을 위한 플라즈모닉 금속 나노입자의 유전영동적 흐름 제어

Abstract

국문요지 유전 영동(dielectrophoresis)은 입자에 유도된 쌍극자를 이용해 입자의 움직임을 일으키는 것을 말한다. 극성화가 될 수 있는 입자가 전기장에 놓이면 입자에는 쌍극자가 유도되는데, 만약 이 때 입자가 놓인 전기장이 불 균일한 전기장이라면 쌍극자의 양 끝단에 힘의 불균형이 발생하게 된다. 이 불균형으로 인해 알짜 힘이 형성되어 입자는 특정한 방향으로 움직일 수 있는 것이다. 유전 영동 에서는 불 균일한 전기장을 형성시키는 것이 가장 중요하고, 주로 사용되는 방법은 특이한 형태의 전극을 제작하는 것이다. 우리는 원형의 패턴이 일정하게 배열되어 있는 기판을 이용해 불 균일한 전기장을 형성하고, 유전 영동을 통해 플라즈모닉 금속 입자를 배열하여 SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) 활성 기판을 제작할 것이다. 플라즈모닉 금속 나노 입자들은 빛이 조사되었을 때, LSPR이라고 불리는 독특한 현상을 나타내는데, 이 현상으로 인해 SERS 현상이 일어나 최종적으로 Raman Spectroscopy의 신호를 증폭시킬 수 있다. LSPR은 입자와 금속 구조체 사이의 “핫스팟” 이라고 불리는 나노 갭에서 더 강력하게 발생하기 때문에, SERS 효과를 극대화 시키기 위해서는 많은 숫자의 균일한 “핫스팟”을 형성하는 것이 중요하다. 따라서, 우리는 유전 영동을 이용하여 입자의 움직임을 유도하고, 일정한 나노 갭(핫스팟)을 형성하도록 배열하여 분자 검출을 위한 SERS 활성 기판을 제작할 것이다. 이 연구에서는 금으로 코팅된 실리카 나노 입자와 패턴화된 실리콘 기판을 사용한다. 실리콘 기판은 규칙적으로 배열된 원형 패턴을 가지고 있으며, 실리콘의 낮은 전도도를 고려하여 얇은 금 박막으로 코팅이 되어있다. 그리고, 실험을 진행하기 전 COMSOL 시뮬레이션을 통해 주파수에 따라 입자의 움직임이 어떻게 달라지는지 확인 하였다.|ABSTRACT Dielelctrophoretic Control of Plasmonic Metal Nanoparticle onto the Patterned Substrate for SERS-Active Substrate Yun Su Yeo Dept. of Applied Chemistry Graduate School of Hanyang University Dielectrophoresis refers to the manipulation of particle using induced dipole on the particle. When polarizable particle are placed in an electric field, dipole is induced in the particle. If the electric field in which the particle is placed is non-uniform, there will be a force imbalance at the ends of the induced dipole of particle. This imbalance creates a net force, and the particle can moves in a specific direction. In dielectrophoresis, the key factor is to create a non-uniform electric field, and a common method is to design electrodes with a unique shape. In our case, we will use a substrate with regularly arranged circular patterns to create a non-uniform electric field. Through dielectrophoresis, we will arrange plasmonic metal particles to fabricate a Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) active substrate. Plasmonic metal nanoparticles exhibit a unique phenomenon called Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) when irradiated with light. This LSPR phenomenon leads to the enhancement of the SERS effect, ultimately amplifying the signal of Raman spectroscopy. LSPR is more pronounced at nano gap called "hotspot" between particles and metal structures. It is crucial to create a large number of uniform hotspots. Therefore, we will utilize dielectrophoresis to induce particle movement and arrange them to form consistent hotspots for the fabrication of a SERS-active substrate for molecular detection. In this study, we employ gold coated silica nanoparticle and patterned silicon substrate. The substrate has regularly arranged circular patterns with different size and gold thin film due to low electrical conductivity of silicon. Before conducting experiments, COMSOL simulations were performed to investigate how the particle movement changes with frequency.