생체 모방 나노 구조체 (모르포 나비)

- 국부 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)은 강력한 국부 필드 향상을 유도하고 광학 특성을 향상시킵니다. 개별 금속 나노 구조의 경우 플라즈모닉 공명은 나노 구조의 모양, 크기 및 구성에 크게 의존합니다. 금속 나노 구조의 조립을 위해 구성 플라즈몬 나노 구조 사이의 추가 결합으로 인해 흥미로운 광학 현상이 발생할 수 있습니다. 1D 및 2D 플라즈모닉 나노 구조에 비해 3D 플라즈모닉 나노 구조는 3 차원에서 구조를 추가로 조정할 수 있어 연구적 가치가 더 많으며 다양한 응용 분야에 대해 플라즈몬 특성을 적용할 수 있는 잠재적인 기회를 제공합니다.

 

- 3D 플라즈몬 나노 구조의 제작은 이러한 3D 나노 구조에 대한 광학적 특성과 기본 결합 메커니즘을 연구하는 데 필수적입니다. 풍부한 생물학적 재료 기반 템플릿을 활용하는 생체모방 기술은 현재 엔지니어링 접근 방식으로 접근하기 어려운 복잡한 3D 구조로 구현하기 매우 힘듭니다. 특히 나비 날개를 템플릿으로 사용하는 바이오 템플 레이팅을 통해 3D 플라즈모닉 구조를 생성하는 공정은 굉장히 복잡합니다. 그러나 연구진은 나비 날개를 주형으로 사용하여 또 다른 유형의 3D 나노 구조를 제작했습니다. 물리적 기상 증착 (PVD)을 통해 나비 날개에 Au를 선택적으로 코팅했습니다

 

- 나비의 날개에 의해 템플릿이 3D 플라즈몬 구조 내에서 커플링 효과를 연구하기 위해 나비 날개 표면에 금속성 NP를 무작위로 증착함. 한편, 나비 날개 주위에 얇은 금속 층을 등각 도포하여 플라즈몬을 비편재화 하였으며 커플링 효과에 대한 연구를 하였습니다. 금속 나노 스트립이 날개의 다층 라멜라 구조의 상단 표면에만 증착된 이러한 3D 나노 구조는 나비 날개에 코팅 된 개별 입자 또는 등각 금속 필름보다 더 나은 광학적 특성을 제공하여 이들 사이의 커플링 및 플라즈몬 효과를 연구함.

 

 

Morpho 나비 날개의 형태와 구조는 PVD를 통해 Au 코팅 전후에 비늘이 형성됩니다. (a) 누적된 스케일의 광학 현미경 이미지 (b) 단일 나비 날개 스케일의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지 (c) 스케일의 광자 구조의 상단 SEM보기 (d) 라멜라 구조를 갖는 융기를 보여주는 척도의 횡단면의 TEM 이미지 (e) 라멜라 구조의 상부 표면에 코팅된 Au 나노 스트립 (~ 30nm 두께)을 보여주는 TEM 이미지 (f) 라멜라 구조의 상단 표면에 코팅 된 Au 나노 스트립 (~ 90nm 두께)을 보여주는 TEM 이미지.

 

- 굴절률 (RI) 매칭 방법은 3D-Au 나노 구조체의 플라즈몬 특성 조사에서 원래 나비 날개의 광학적 기여를 최소화하기 위해 적용함. 이러한 접근 방식을 통해 Au 나노 구조 간의 결합 효과와 결합에서 SERS 신호의 향상을 연구함.

 

- 날개 표면은 규칙적으로 배열된 비늘로 덮여 있습니다. 단면 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지는 크리스마스 트리와 같은 구조를 보여줍니다. PVD를 통한 3D Au 나노 구조의 제작에서 나비 날개는 Au 소스 바로 아래에 배치되어 Au 원자가 나비 날개 구조에 수직으로 증착 되었습니다. 증착 후 Au의 나노 스트립이 얻어졌고 준 주기적으로 3D로 배열됨. 증착하는 동안 Au 나노 스트립의 두께는 증착 시간을 제어함. Au의 증착 두께가 30nm에서 90nm로 증가함에 따라 수직 방향을 따라 인접한 나노 스트립 사이의 간격이 그에 따라 감소했습니다 .

 

나비 날개의 SERS 스펙트럼과 공기 및 RI 일치 그리고 유체에서 Au 나노 스트립의 비교. (a) 0.2mW의 출력 전력으로 633nm 레이저 여기 하에서 공기 중에 Au 나노 스트립이있는 나비 날개의 SERS 스펙트럼 (b) 공기 중의 상응하는 3D Au 나노 스트립상의 1620 cm -1 피크에서 평균 라만 강도의 비교 (c) 0.2mW의 출력 전력으로 633nm 레이저를 조사하는 조건 하에서 RI 매칭 및 Au 나노 구조로부터 생성된 SERS 스펙트럼 (d) 해당 3D Au 나노 스트립에서 1620 cm -1 피크에서 평균 라만 강도의 비교.

 

 

- 요약하면, 3D Au 나노 스트립의 준 주기적 배열로 인해 플라즈몬 특성은 편광 조명 아래에서 투과율 스펙트럼을 검사하여 조사할 수 있습니다. 3D Au 나노 구조의 플라즈몬 특성을 개별적으로 분석하기 위해 RI 매칭 접근 방식을 사용하여 나비 템플릿의 광학적 기여를 효과적으로 최소화했습니다. Au 층의 증착 두께를 30nm에서 90nm로 조정함으로써, Au 나노 스트립 사이의 감소된 수직 간격으로 인해 플라즈몬 결합 효과가 점차 향상되었습니다. SERS 성능은 또한 근거리 결합 효과에 의해 유도된 전자기 현상을 보여주었습니다. Au 나노 스트립의 두께를 조정하는 것 외에도, Au 나노 스트립의 배열은 나비 날개 템플릿을 수정하여 조정할 수도 있습니다. 예를 들어 나비 날개의 구조는 일부 추가 공정 (예 : CVD, ALD, 졸-겔 및 전기 화학 반응)과 제어 된 감산 공정 (예 : 플라즈마 에칭)을 통해 수정할 수 있습니다. 이 작업은 3D 플라즈모닉 구조의 이해에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 3D 플라즈모닉 구조의 설계 및 제작을 위한 새로운 접근 방법을 제공합니다.

 

 

< 출 처 >

 

He, Jiaqing, et al. "Coupling effects in 3D plasmonic structures templated by Morpho butterfly wings." Nanoscale 10.2 (2018): 533-537.