KR102202491B1 - METHOD FOR CONFIGURATING PLATINUM NANOPARTICLES VIA DEWETTING EHANCED SOLID STATE OF In-Pt BILAYERS - Google Patents

METHOD FOR CONFIGURATING PLATINUM NANOPARTICLES VIA DEWETTING EHANCED SOLID STATE OF In-Pt BILAYERS Download PDF

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푸란
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Abstract

The present invention is to provide a method for constructing platinum nanoparticles (Pt NPs) capable of generating localized surface plasmons with improved composition, arrangement, and uniformity of Pt NPs. According to an embodiment of the present invention, a method for constructing Pt NPs through dewetting of a solid-state indium-platinum (In-Pt) double layer comprises the steps of: dicing and degassing a substrate in a pulsed laser deposition (PLD) chamber; depositing the degassed substrate as a double layer of In-Pt in a sputter chamber; relocating a substrate on which the In-Pt double layer is deposited to the PLD chamber so that the substrate on which the In-Pt double layer is deposited is annealed; and dewetting the substrate on which the In-Pt double layer is deposited in the PLD chamber.

Description

고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법{METHOD FOR CONFIGURATING PLATINUM NANOPARTICLES VIA DEWETTING EHANCED SOLID STATE OF In-Pt BILAYERS}Method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on solid indium-platinum (In-Pt) double layers{METHOD FOR CONFIGURATING PLATINUM NANOPARTICLES VIA DEWETTING EHANCED SOLID STATE OF In-Pt BILAYERS}

본 발명은 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 기판 상에 증착되는 인듐(In) 및 백금(Pt) 박막 층의 두께를 각각 조절하여, 다양한 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming platinum nanoparticles through dewetting on a solid indium-platinum (In-Pt) double layer, and more specifically, indium (In) and platinum ( It relates to a method of configuring various platinum nanoparticles by controlling the thickness of the Pt) thin film layer, respectively.

최근, 귀금속 나노 구조체(noble metallic nanostructure)에 대한 연구를 기반으로 하여, 플라즈몬(plasmon) 및 광전자(photoelectron) 기술 분야를 산업적으로 응용 가능함이 입증되었다.Recently, based on research on a noble metallic nanostructure, it has been proven that the field of plasmon and photoelectron technology can be applied industrially.

의료, 생물 및 전기 에너지 저장 기술 분야에서는 귀금속 나노 구조를 구성하는 나노 입자(NanoParticles, NP)의 치수, 구성, 배열 및 균일성을 기술 분야별로 고려하여, 각 분야에 필요한 광학적, 촉매적, 자기적 및 전자적 성질을 가지는 귀금속 나노 구조를 상용화 하고 있는 추세이다.In the field of medical, biological, and electrical energy storage technology, the dimensions, composition, arrangement and uniformity of nanoparticles (NP) constituting the precious metal nanostructure are considered for each technical field, and the optical, catalytic, and magnetic fields required for each field are considered. And noble metal nanostructures having electronic properties are being commercialized.

금속과 전자기파의 상호작용은 주로 금속 내부의 자유전자의 거동에 의해 기술되는데, 플라즈몬(plasmon)은 금속의 광학적 성질에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. The interaction between the metal and the electromagnetic wave is mainly described by the behavior of free electrons inside the metal, and plasmon plays a very important role in the optical properties of the metal.

표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속 표면에서의 자유전자의 집단적인 진동을 의미하는데, 국소 표면 플라즈몬(localized surface plasmon)은 나노 입자(NanoParticles, NP)와 같은 금속 나노 구조의 표면에 국한되어 존재하는 표면 플라즈몬을 의미한다. Surface plasmon refers to the collective vibration of free electrons on a metal surface, and localized surface plasmon is a surface that exists on the surface of a metal nanostructure such as NanoParticles (NP). Means plasmon.

국소 표면 플라즈몬은 입사하는 빛에 의해 쉽게 여기(excitation, 전자의 에너지 준위가 높아진 상태)될 수 있는데, 이를 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)이라 한다. Localized surface plasmon can be easily excited (excitation, a state in which the energy level of electrons is increased) by incident light, which is called localized surface plasmon resonance (LSPR).

국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이 발생하면, 입사하는 빛의 전기장은 나노 구조 표면 부근에서 강하게 증폭되며, 빛의 흡수와 산란이 매우 증대된다.When local surface plasmon resonance (LSPR) occurs, the electric field of incident light is strongly amplified near the nanostructure surface, and light absorption and scattering are greatly increased.

국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 발생시키는 빛의 파장, 대역폭 및 피크(peak) 위치는 나노 입자(NP)의 물질, 크기, 모양, 배열, 기하학 및 주변 환경을 모두 고려한 함수에 의해 결정되며, 이러한 함수는 플라즈몬 나노 입자의 구조적 요인을 제어함으로써 조정할 수 있다.The wavelength, bandwidth, and peak position of light that generates local surface plasmon resonance (LSPR) are determined by a function that considers all of the material, size, shape, arrangement, geometry, and surrounding environment of the nanoparticle (NP). The function can be tuned by controlling the structural factors of the plasmon nanoparticles.

금(Au)과 은(Ag)은 우수한 플라즈몬 특성을 나타내는 대표적 물질인데, 이들 물질의 나노 입자(NP)나 나노 구조를 사용하여 태양 전지의 효율을 향상시키고자 하는 연구가 많이 이루어져 왔다. Gold (Au) and silver (Ag) are representative materials that exhibit excellent plasmon properties, and many studies have been made to improve the efficiency of solar cells by using nanoparticles (NP) or nanostructures of these materials.

금(Au)의 나노 입자(NanoParticles, NP)는 넓은 표면 대 부피 비율의 플라즈몬 특성을 가지고 있다.Nanoparticles (NPs) of gold (Au) have a large surface-to-volume ratio of plasmon properties.

예를 들어, 금(Au)의 플라즈몬 특성을 이용하여 태양 전지의 전력 변환 효율을 높이는 경우는, 금 나노 입자(Au NP)의 입자 크기를 조절하여 흡수 파장을 조정함으로써, 크게 향상될 수 있다.For example, when the power conversion efficiency of a solar cell is increased by using the plasmon characteristics of gold (Au), it can be greatly improved by adjusting the absorption wavelength by adjusting the particle size of gold nanoparticles (Au NP).

이러한 효율 변환은 크게 두 가지 현상에 기인한다.This efficiency conversion is largely due to two phenomena.

하나는 금 나노 입자(Au NP) 주변에서의 전기장 증폭으로 인해 광 흡수가 증대될 수 있기 때문이고, 다른 하나는 금 나노 입자(Au NP)에 의한 산란으로 빛의 광경로(optical path)가 증가하여 광 흡수층의 광학적 두께가 증대되는 효과가 있기 때문이다.One is because light absorption can be increased due to the amplification of the electric field around gold nanoparticles (Au NP), and the other is that the optical path of light is increased due to scattering by gold nanoparticles (Au NP). This is because there is an effect of increasing the optical thickness of the light absorbing layer.

두 가지 현상 모두 궁극적으로 태양전지의 광 수확을 증대시키는 효과를 가지며, 광 수확의 증대로 흡수층에서 보다 많은 전하가 생성되면 이는 태양전지의 전류밀도와 에너지 변환 효율의 향상을 가져올 수 있다.Both of these phenomena have the effect of ultimately increasing the light harvesting of the solar cell, and if more charges are generated in the absorption layer due to the increase of light harvesting, this may improve the current density and energy conversion efficiency of the solar cell.

이와 같이, 은(Ag)과 금(Au) 나노 입자 배열에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)과 금속, 유전체 또는 반도체 활성층과의 상호 작용에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다.As described above, intensive studies have been conducted on local surface plasmon resonance (LSPR) for the arrangement of silver (Ag) and gold (Au) nanoparticles and the interaction of metal, dielectric, or semiconductor active layers.

또한, 백금(Pt)에 가시 광이 조사되면 백금 나노 입자(Pt NP)는 광자를 흡수하므로, 산화 환원 반응에서 광전류 및 광촉매 활성을 향상시키는데 10nm 이하의 백금 나노 입자(Pt NP)가 사용되고 있다. In addition, when visible light is irradiated to platinum (Pt), platinum nanoparticles (Pt NP) absorb photons, so platinum nanoparticles (Pt NP) of 10 nm or less are used to improve photocurrent and photocatalytic activity in redox reactions.

하지만, 은(Ag)과 금(Au)같이 귀금속에 포함되는 백금(Pt)의 플라즈몬 특성에 대하여는 현재 거의 탐구되고 있지 않은 실정이다.However, the plasmon characteristics of platinum (Pt) contained in precious metals, such as silver (Ag) and gold (Au), are rarely explored at present.

이는, 백금 나노 입자(Pt NP)의 제조 과정이 어렵다는 데 그 원인이 있었다. This was because the manufacturing process of platinum nanoparticles (Pt NP) was difficult.

즉, 백금(Pt) 원자는 은(Ag)과 금(Au)보다는 낮은 확산도를 가지고, 은(Ag)과 금(Au)에 비해 형태학적 및 구조적 동조성이 더 제한됨에 따라, 백금 나노 입자(Pt NP)를 생성하기 위해서는 800

Figure 112019072861985-pat00001
이상의 높은 온도에서 디웨팅 공정을 수행할 필요가 있었다.That is, the platinum (Pt) atom has a lower diffusivity than silver (Ag) and gold (Au), and has more limited morphological and structural homogeneity than silver (Ag) and gold (Au), so that platinum nanoparticles (Pt NP) 800 to generate
Figure 112019072861985-pat00001
It was necessary to perform the dewetting process at the higher temperature.

이러한 높은 온도 속에서 행해지는 공정 때문에, 물리적으로 기판 상에 백금을 증착하거나 어닐링(annealing)하는 과정이 현실적으로 복잡하고 어려웠다.Because of the process performed at such a high temperature, the process of physically depositing or annealing platinum on a substrate has been complicated and difficult in reality.

백금 나노 입자를 이용한 복합체 제조 기술은 대한민국 공개특허 10-2018-0105057호에 개시된 바 있다.A technology for manufacturing a composite using platinum nanoparticles has been disclosed in Korean Patent Application Publication No. 10-2018-0105057.

대한민국 공개특허 10-2018-0105057호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0105057

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 백금 나노 입자(Pt NP)의 구성, 배열 및 균일성이 향상된 국소 표면 플라즈몬을 생성할 수 있는 백금 나노 입자를 구성하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to improve the above-described problems, and to provide a method of constructing platinum nanoparticles capable of generating local surface plasmons with improved configuration, arrangement and uniformity of platinum nanoparticles (Pt NP).

또한, 본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 종래의 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 비하여 낮은 온도에서 백금 나노 입자 생성 공정이 진행될 수 있도록 하는 백금 나노 입자를 구성하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention is to improve the above-described problems, and to provide a method of constructing platinum nanoparticles that enables the process of generating platinum nanoparticles to proceed at a lower temperature than the conventional method of constructing platinum nanoparticles. have.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 기판이 펄스 레이저 증착 챔버(PLD)에서 다이싱(dicing) 및 탈기(degassed)되는 단계, 탈기된 상기 기판을 스퍼터 챔버에서 인듐-백금의 이중 층으로 증착하는 단계, 인듐-백금의 이중 층이 증착된 기판이 상기 펄스 레이저 증착 챔버에 재배치되어 상기 인듐-백금의 이중 층이 증착된 기판이 어닐링(annealing)되는 단계, 상기 펄스 레이저 증착 챔버에서 상기 인듐-백금의 이중 층이 증착된 기판을 디웨팅하는 단계를 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a step in which a substrate is diced and degassed in a pulsed laser deposition chamber (PLD), and the degassed substrate is deposited as a double layer of indium-platinum in a sputter chamber. The step of, relocating the substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited is rearranged in the pulsed laser deposition chamber to anneal the substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited, and the indium- It provides a method for constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid state indium-platinum (In-Pt) double layer, comprising the step of dewetting a substrate on which a double layer of platinum is deposited.

상기 다이싱 및 탈기되는 단계는, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부가 1Х10-4 Torr 및 600

Figure 112019072861985-pat00002
의 조건으로 설정되고, 이러한 조건하에서 상기 기판이 30분 동안 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부에 유지되는 제A 단계를 더 포함할 수 있다.In the dicing and degassing step, the inside of the pulsed laser deposition chamber is 1Х10 -4 Torr and 600
Figure 112019072861985-pat00002
It is set to the condition of, and under such conditions, the substrate may further include step A in which the substrate is maintained in the pulsed laser deposition chamber for 30 minutes.

상기 다이싱 및 탈기되는 단계 이전에, 상기 기판이 ~430㎛ 두께로 양면 연마되는 단계를 더 포함할 수 있다.Prior to the dicing and degassing step, the step of polishing both sides of the substrate to a thickness of ~430 μm may be further included.

상기 기판은 ±0.1° 오프셋(offset)된 C면 사파이어로 구성될 수 있다.The substrate may be composed of a C-plane sapphire offset by ±0.1°.

상기 기판은 99.999% 순도의 사파이어가 사용될 수 있다.Sapphire of 99.999% purity may be used as the substrate.

상기 증착하는 단계는, 상기 스퍼터 챔버의 내부가 1×10-1 Torr로 설정되는 제B 단계를 더 포함할 수 있다.The depositing may further include a step B in which the inside of the sputter chamber is set to 1×10 -1 Torr.

상기 증착하는 단계는, 5mA 이온화 전류에서 0.05nm/s의 증착 속도로 기판에 인듐(In) 및 백금(Pt) 순서로 각각의 박막을 증착하는 제C 단계 및 상기 인듐(In) 및 백금(Pt)을 각각 증착하는 시간을 분 단위로 조절하는 제D 단계를 더 포함하고, 상기 제D 단계는, 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하여 상기 인듐(In) 및 백금(Pt)의 박막 두께를 각각 조절할 수 있다.The depositing step includes the step C of depositing each thin film in the order of indium (In) and platinum (Pt) on a substrate at a deposition rate of 0.05 nm/s at 5 mA ionization current, and the indium (In) and platinum (Pt ) Further comprising a D step of controlling the deposition time in minutes, wherein the D step includes controlling the deposition time of indium (In) and the deposition time of platinum (Pt), respectively, and the indium ( In) and platinum (Pt) thin film thickness can be adjusted respectively.

상기 제D 단계는, 5nm의 백금(Pt) 층이 5nm의 인듐(In) 층 위에 증착되도록 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하는 제D-1 단계를 더 포함할 수 있다.The D step is a step D-1 of controlling the deposition time of indium (In) and the deposition time of platinum (Pt) so that a 5 nm of platinum (Pt) layer is deposited on a 5 nm of indium (In) layer. It may further include.

상기 제D 단계는, 5nm의 백금(Pt) 층이 15nm의 인듐(In) 층 위에 증착되도록 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하는 제D-2 단계를 더 포함할 수 있다.The D step is a step D-2 of respectively controlling the deposition time of indium (In) and the deposition time of platinum (Pt) so that a 5 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 15 nm indium (In) layer. It may further include.

상기 제D 단계는, 15nm의 백금(Pt) 층이 5nm의 인듐(In) 층 위에 증착되도록 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하는 제D-3 단계를 더 포함할 수 있다.The D step is a step D-3 of respectively controlling a time for depositing indium (In) and a time for depositing platinum (Pt) so that a 15 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 5 nm indium (In) layer. It may further include.

상기 어닐링되는 단계는, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 압력을 1Х10-4 Torr 이하로 낮추는 제E 단계를 더 포함할 수 있다.The annealing step may further include a step E of lowering the pressure inside the pulsed laser deposition chamber to 1Х10 -4 Torr or less.

상기 어닐링되는 단계는, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도를 4℃ sec-1의 온도 상승 속도로 상승시키는 제F 단계 및 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 550℃ 내지 900℃ 사이의 특정 목표 온도에 도달하는 제G 단계를 더 포함할 수 있다.The annealing step includes the step F of increasing the temperature inside the pulsed laser deposition chamber at a temperature increase rate of 4°C sec -1 and a specific target temperature between 550°C and 900°C in the pulsed laser deposition chamber It may further include a Gth step of reaching.

상기 제G 단계 이후, 상기 기판이 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부에서 450초 동안 유지되는 제H 단계를 더 포함할 수 있다.After the G-th step, the H-th step of maintaining the substrate in the pulsed laser deposition chamber for 450 seconds may be further included.

상기 어닐링되는 단계에서 상기 어닐링은 컴퓨터 프로그램에 의해 제어될 수 있다.In the annealing step, the annealing may be controlled by a computer program.

상기 디웨팅하는 단계 이후, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 낮아지도록 가열 시스템의 작동을 중지하는 단계를 더 포함하며, 상기 가열 시스템의 작동을 중지하는 단계는, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 진공 상태를 상기 디웨팅하는 단계의 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 진공 상태와 동일하게 유지하며, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부를 대기에 의해 시간의 경과에 따라 자연 냉각하여 온도가 낮아지도록 할 수 있다.After the dewetting step, further comprising the step of stopping the operation of the heating system so that the temperature inside the pulsed laser deposition chamber is lowered, the step of stopping the operation of the heating system, the vacuum inside the pulsed laser deposition chamber The state of the vacuum state inside the pulsed laser deposition chamber in the dewetting step may be maintained, and the temperature may be lowered by naturally cooling the inside of the pulsed laser deposition chamber with the passage of time by the atmosphere.

본 발명에 따른 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 디웨팅(dewetting)을 실시하여 백금 나노 입자(Pt NP)를 구성하는 방법은, 인듐(In) 성분으로 인해 전체적인 디웨팅(dewetting) 과정의 효율이 현저히 향상되고, 특정 기판 표면에 대한 확산성 및 분포 균일성이 개선된 백금 나노 입자(Pt NP) 및 기판을 생성 및 제조할 수 있다.The method of forming platinum nanoparticles (Pt NP) by performing dewetting on a solid-state indium-platinum (In-Pt) double layer according to the present invention is a method of forming platinum nanoparticles (Pt NP), due to the indium (In) component. The efficiency of the dewetting) process is remarkably improved, and platinum nanoparticles (Pt NP) and substrates with improved diffusivity and distribution uniformity to a specific substrate surface can be produced and manufactured.

또한, 본 발명에 따른 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 디웨팅(dewetting)을 실시하여 백금 나노 입자(Pt NP)를 구성하는 방법은, 종래 순수하게 백금(Pt) 박막을 가지는 기판에 대한 디웨팅을 통해 백금 나노 입자를 생성하는 방법과 비교할 때, 더 낮은 온도에서, 더 독립적이고, 균일하며, 반구 형상을 가지는 백금 나노 입자(Pt NP)를 생성할 수 있다. In addition, the method of constructing platinum nanoparticles (Pt NP) by performing dewetting on a solid indium-platinum (In-Pt) double layer according to the present invention is a conventional method of forming a platinum (Pt) thin film. Compared with the method of generating platinum nanoparticles through dewetting on a substrate, the branches can produce platinum nanoparticles (Pt NP) having a more independent, uniform, and hemispherical shape at a lower temperature.

도 1은 본 발명에 따라 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층으로부터 사파이어(10) 상에 생성되는 백금 나노 입자들의 제조 공정을 순서대로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅(dewetting)을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 포함된 과정에 대한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 구성되는 것을 온도별로 측정하고 분석한 AFM 평면도, AFM 측면도, 횡단면 라인-프로파일 및 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 크기 분포 히스토그램이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 구성되는 것을 온도별로 측정하고 분석한 AFM 평면도, AFM 측면도, 횡단면 라인-프로파일 및 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 크기 분포 히스토그램이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 구성되는 것을 온도별로 측정하고 분석한 AFM 평면도, AFM 측면도, 횡단면 라인-프로파일 및 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성을 나타내는 그래프들이다.
FIG. 1 is a flowchart sequentially showing a manufacturing process of platinum nanoparticles produced on sapphire 10 from a double layer of indium-platinum (In-Pt) according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a process included in a method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid indium-platinum (In-Pt) double layer according to the present invention.
3 is an AFM plan view, an AFM side view, a cross-sectional line-profile, and graphs obtained by measuring and analyzing the composition of platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention.
4 is a histogram of the size distribution of platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention.
5 are graphs showing optical properties of platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an AFM plan view, an AFM side view, a cross-sectional line-profile, and graphs obtained by measuring and analyzing the composition of platinum nanoparticles according to the second embodiment of the present invention.
7 is a histogram of a size distribution of platinum nanoparticles according to a second embodiment of the present invention.
8 are graphs showing optical properties of platinum nanoparticles according to a second embodiment of the present invention.
9 is an AFM plan view, an AFM side view, a cross-sectional line-profile and graphs obtained by measuring and analyzing the composition of platinum nanoparticles according to the third embodiment of the present invention.
10 are graphs showing optical properties of platinum nanoparticles according to a third embodiment of the present invention.

이하에서 설명되는 모든 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 나타낸 것이며, 여기에 설명된 실시 예들과 다르게 변형되어 다양한 실시 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 공지 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.All the embodiments described below are illustratively shown to aid understanding of the present invention, and may be modified differently from the embodiments described herein to be implemented in various embodiments. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or known component may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위해서 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있으며, 각 구성요소들에 참조번호를 기재할 때, 동일한 구성요소들에 대해서는 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시하였다.The accompanying drawings are not drawn to scale to aid understanding of the invention, but dimensions of some components may be shown exaggeratedly, and when reference numerals are given for each component, other drawings for the same components Even if it is indicated in, it is indicated with the same symbol as possible.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used in describing the constituent elements of the embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being'connected','coupled' or'connected' to another component, the component may be directly connected, coupled or connected to the other component, but that component and its other components It will be understood that another component may be'connected','coupled' or'connected' between elements.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명에 대한 다양한 변형 실시 예들이 있을 수 있다. Accordingly, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so there may be various modified embodiments of the present invention. .

그리고 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.In addition, terms or words used in the present specification and claims should not be limited to conventional or dictionary meanings, and that the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. Based on the principle, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.In addition, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only these embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have it, and the invention is only defined by the scope of the claims.

또한, 본 출원에서 사용된 단수의 표현은 문맥상 명백히 다른 것을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In addition, the singular expression used in the present application includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise.

이하에서는, 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅(dewetting)을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid indium-platinum (In-Pt) double layer will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 본 발명에 따라 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층으로부터 사파이어(10) 상에 생성되는 백금 나노 입자들의 제조 공정을 순서대로 나타내는 순서도이며, 도 2는 본 발명에 따른 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅(dewetting)을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 포함된 과정에 대한 흐름도이다.1 is a flow chart showing in sequence the manufacturing process of platinum nanoparticles produced on sapphire 10 from a double layer of indium-platinum (In-Pt) according to the present invention, and FIG. 2 is a solid state according to the present invention. It is a flow chart of a process included in a method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on an indium-platinum (In-Pt) double layer.

본 발명에서는 기판으로 사파이어(10)를 사용한다.In the present invention, sapphire 10 is used as a substrate.

우선, 사파이어(10) 상에 강화된 고체 상태의 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)을 스퍼터링(sputtering) 한 뒤, 이러한 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에 대한 디웨팅(dewetting)을 실시한다.First, after sputtering the solid-state indium-platinum bilayers (In-Pt bilayers) strengthened on the sapphire 10, dewetting for these indium-platinum bilayers (In-Pt bilayers) ).

본 발명은 이러한 방법을 통해, 종래에 비해 크기가 향상되고, 뚜렷한 형상을 가지며 형상의 균일성을 갖춘 백금 나노 입자(Pt NanoParticle, Pt NP), 백금 나노 구조(Pt Nanomatrix) 및 백금 나노 구조체(Pt Nanostructure)를 생성 및 형성한다.The present invention is a platinum nanoparticle (Pt NanoParticle, Pt NP), a platinum nanostructure (Pt Nanomatrix), and a platinum nanostructure (Pt NP) having an improved size, a distinct shape, and a uniform shape compared to the prior art through such a method. Nanostructure) is created and formed.

한편, 본 발명에서 사용되는 용어로써, 디웨팅(dewetting)은 액상(liquid phase)의 얇은 필름이 기판 위에서 파열되어 드랍렛(droplet, 금속 방울 또는 용적)들로 변화하는 현상 또는 이러한 현상을 유도하는 공정을 의미한다.Meanwhile, as a term used in the present invention, dewetting is a phenomenon in which a thin film in a liquid phase is ruptured on a substrate and changes into droplets (metal droplets or volumes), or inducing such a phenomenon. I mean fair.

이는, 기판 위에 떨어진 드랍렛(droplet)이 넓게 퍼져 얇은 막을 형성하는 웨팅(wetting, 젖음) 현상과 반대되는 개념이다.This is a concept opposite to a wetting phenomenon in which a droplet dropped on a substrate spreads widely to form a thin film.

용융 상태에서 금속 박막에 대한 디웨팅(dewetting)은 금속 박막의 초기 두께 및 구조를 포함하여 많은 요인에 영향을 받지만, 그 구동력(driving force)은 금속 박막과 기판의 표면과 그 계면의 전체적인 에너지를 최소화 시키는데 있다.Dewetting of the metal thin film in the molten state is affected by many factors including the initial thickness and structure of the metal thin film, but the driving force is the overall energy of the metal thin film and the surface of the substrate and its interface. It is to minimize it.

고온 열처리, 전자 혹은 이온 빔의 조사, 레이저 조사 등 다양한 방법으로 금속 박막을 디웨팅(dewetting)시킬 수 있는데, 종래의 디웨팅은 주로 실리콘이나 유리기판 위에서 진행되었다. Dewetting of a metal thin film can be performed by various methods such as high-temperature heat treatment, irradiation of electrons or ion beams, and laser irradiation, and conventional dewetting has been mainly performed on a silicon or glass substrate.

하지만, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어 웨이퍼(10, 이하에서는 사파이어라고 지칭함) 상에서 진행된다.However, in the present invention, as shown in FIG. 1, the process is performed on a sapphire wafer 10 (hereinafter referred to as sapphire).

본 발명에서는 ±0.1° 축을 벗어나고, 양면 연마된 430㎛ 두께의 C-평면(c-plane) 사파이어(10)가 기판(substrate)으로 사용되었다.In the present invention, a 430 μm-thick C-plane sapphire 10 that is off the ±0.1° axis and polished on both sides was used as a substrate.

하지만, 본 발명에서 사파이어(10)가 기판으로 사용된 것은 예시적인 사례에 불과하며 다른 물질이 기판으로 사용되는 것을 제한하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 이중 층의 증착 및 디웨팅 공정은 실리콘이나 유리기판 위에서 진행되는 것도 포함한다.However, the use of the sapphire 10 as a substrate in the present invention is only an exemplary case and does not limit the use of other materials as a substrate, and the deposition and dewetting process of the double layer according to the present invention is silicon or glass. This includes running on the substrate.

다만, 사파이어(10)는 낮은 표면 에너지, 높은 열적 및 화학적 안정성을 가지고 있고, 높은 내부 확산 저항성을 가지고 있어, 종래의 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 비해, 본 발명에 따른 방법의 효과를 극명하게 나타낼 수 있다.However, sapphire 10 has low surface energy, high thermal and chemical stability, and has high internal diffusion resistance, so that the effect of the method according to the present invention is markedly compared to the method of constructing the conventional platinum nanoparticles. Can be indicated.

또한, 사파이어(10)는 높은 투명도를 가지고 있어, 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생할 경우, 백금 나노 입자의 투과율을 직접 측정할 수 있으므로, 백금 나노 입자(Pt NP)의 광학적 특성 또는 광학 응답을 보다 효과적으로 조사하고 검출할 수 있는 기판이다.In addition, since the sapphire 10 has high transparency, when a local surface plasmon resonance phenomenon occurs, the transmittance of the platinum nanoparticles can be directly measured, so that the optical properties or optical response of the platinum nanoparticles (Pt NP) can be more effectively improved. It is a substrate that can be irradiated and detected.

따라서, 이하에서 본 발명의 모든 실시 예는 기판으로 사파이어(10)가 사용되는 것으로 설명한다. 하지만, 이러한 설명이 본 발명의 증착 및 디웨팅 공정을 사파이어(10) 상에서 진행되는 것에만 한정하는 것은 아님을 이미 상술하였다. Accordingly, in the following, all embodiments of the present invention will be described as using sapphire 10 as a substrate. However, it has already been described that this description is not limited to the deposition and dewetting process of the present invention being performed on the sapphire 10 only.

도 2를 참조하면, 사파이어(10)는 펄스 레이저 증착(Pulse Laser Deposition, PLD) 챔버에서 1×10-4 Torr 및 600℃의 상태에서 30분 동안 다이스(dice, 깍둑썰기)되고 탈기(degassed, 가스가 제거됨)된다(S1010).2, the sapphire 10 is diced in a pulse laser deposition (PLD) chamber at 1×10 -4 Torr and 600° C. for 30 minutes and degassed. The gas is removed) (S1010).

순수한 사파이어(10)의 표면 형태, 반사율 및 투과율은 이미 공지되어 있으므로 구체적인 설명을 생략한다.Since the surface shape, reflectance, and transmittance of the pure sapphire 10 are already known, detailed descriptions are omitted.

탈기된 사파이어(10)는 인듐-백금(In-Pt) 이중 층이 증착되는 기판으로써 백금 나노 입자 제조에 사용되므로, 이후 이중 층 증착을 위해 스퍼터 챔버로 이동된다. The degassed sapphire 10 is a substrate on which an indium-platinum (In-Pt) double layer is deposited, and is used for manufacturing platinum nanoparticles, and is then moved to a sputter chamber for double layer deposition.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 스퍼터 챔버에 사파이어(10)가 배치되면, 사파이어(10) 상에 인듐(In) 층과 백금(pt) 층이 각각 증착되어, 인듐(In) 층이 백금(Pt) 층 밑에 위치하는 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 형성된다(S1020).Meanwhile, as shown in FIG. 1, when the sapphire 10 is disposed in the sputter chamber, an indium (In) layer and a platinum (pt) layer are respectively deposited on the sapphire 10, so that the indium (In) layer is platinum. A double layer of indium-platinum (In-Pt) positioned under the (Pt) layer is formed (S1020).

좀 더 구체적으로 설명하면, 스퍼터 챔버 내부에 위치한 사파이어(10) 상에, 진공 증착의 한 종류인 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여, 인듐(In) 층을 사파이어(10) 상에 먼저 증착시키고, 증착된 인듐(In) 층 위에 백금(pt) 층을 증착시킨다.More specifically, an indium (In) layer is first deposited on the sapphire 10 on the sapphire 10 located inside the sputter chamber using a sputtering method, which is a type of vacuum deposition, A platinum (pt) layer is deposited on the deposited indium (In) layer.

이때, 인듐-백금(In-Pt) 이중 층 증착 공정이 수행되는 스퍼터 챔버는 1×10-1 Torr의 진공 상태를 유지한다.At this time, the sputter chamber in which the indium-platinum (In-Pt) double layer deposition process is performed maintains a vacuum state of 1×10 −1 Torr.

또한, 스퍼터링(sputtering) 시 순도 99.999%의 사파이어(10)를 타겟(target)으로 사용한다.In addition, during sputtering, sapphire 10 having a purity of 99.999% is used as a target.

스퍼터 챔버에서 진행되는 인듐-백금(In-Pt) 이중 층 증착 공정은 5mA 이온화 전류에서 0.05nm/s의 증착 속도로 진행되며, 사파이어(10)에 인듐(In) 및 백금(Pt) 순서로 각 층을 증착하고, 증착되는 두께는 각 원자(인듐 및 백금)의 증착에 걸리는 시간을 조절함으로써 제어한다.The indium-platinum (In-Pt) double-layer deposition process performed in the sputter chamber is performed at a deposition rate of 0.05 nm/s at 5 mA ionization current, and each of indium (In) and platinum (Pt) in the order of sapphire (10). The layer is deposited, and the deposited thickness is controlled by controlling the time taken for the deposition of each atom (indium and platinum).

이렇게 인듐(In) 및 백금(Pt)이 증착된 상태의 기판을, 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 증착된 기판, 인듐-백금(In-Pt)의 합금층 또는 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 증착된 사파이어(10)라고 지칭할 수 있다. In this way, a substrate in which indium (In) and platinum (Pt) are deposited, a substrate on which a double layer of indium-platinum (In-Pt) is deposited, an alloy layer of indium-platinum (In-Pt), or an indium-platinum ( It may be referred to as sapphire 10 on which a double layer of In-Pt) is deposited.

한편, 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 증착된 사파이어(10)는 어닐링(annealing) 공정을 수행하기 위해 펄스 레이저 증착 챔버에 재배치된다. 그리고 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 증착된 사파이어(10)는 특정 온도들을 거치면서 어닐링된다(S1030).Meanwhile, the sapphire 10 on which the double layer of indium-platinum (In-Pt) is deposited is rearranged in the pulsed laser deposition chamber to perform an annealing process. Then, the sapphire 10 on which the double layer of indium-platinum (In-Pt) is deposited is annealed while passing through specific temperatures (S1030).

본 발명의 어닐링(annealing) 공정은, 계면에서 인듐(In)과 백금(Pt) 원자의 상호 확산에 의해 서로 원자간 혼합이 일어나 인듐-백금(In-Pt) 이중 층이 형성된다.In the annealing process of the present invention, an indium-platinum (In-Pt) double layer is formed by inter-atomic mixing due to mutual diffusion of indium (In) and platinum (Pt) atoms at the interface.

즉, 사파이어(10) 기판 상에 증착된 인듐(In) 박막 층과 백금(Pt) 박막 층은 어닐링(annealing) 공정을 거치면서, 사파이어(10) 상에 스퍼터링 된 인듐(In) 박막 층과 백금(Pt) 박막 층은 서로 이웃한 층으로 인듐(In) 및 백금(pt) 원자들을 상호 확산시키면서, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 합금 및 인듐-백금(In-Pt) 이중 층을 형성한다.That is, the indium (In) thin film layer and the platinum (Pt) thin film layer deposited on the sapphire (10) substrate undergo an annealing process, and the indium (In) thin film layer and platinum sputtered on the sapphire (10) The (Pt) thin film layer is a layer adjacent to each other, while diffusing indium (In) and platinum (pt) atoms to each other, and forming a solid-state indium-platinum (In-Pt) alloy and an indium-platinum (In-Pt) double layer. To form.

인듐(In) 원자는 백금(Pt) 원자보다 상대적으로 낮은 온도에서 활성화되어 확산되기 시작하며, 도 1의 (b)와 같이, 인듐(In) 박막 층과 백금(Pt) 박막 층의 계면에서 인듐(In) 원자가 백금(Pt) 박막 층으로 확산 및 혼합되어 양 박막 층 간의 상호 확산(interdiffusion) 현상이 발생하게 된다.The indium (In) atom is activated at a temperature relatively lower than that of the platinum (Pt) atom and begins to diffuse. As shown in Fig. 1(b), indium at the interface between the indium (In) thin film layer and the platinum (Pt) thin film layer (In) atoms are diffused and mixed into the platinum (Pt) thin film layer, resulting in an interdiffusion phenomenon between the two thin film layers.

또한, 본 발명에서는 증착 온도가 증가될 수록, 어닐링 공정 시 낮은 온도에서 인듐-백금(In-Pt) 계면에서 공융 혼합물이 형성될 수 있으며, 이러한 공융 혼합물로 인해 인듐-백금 이중 층 또는 합금의 형성(alloy formation)을 가져오는 원자 상호 확산이 더욱 촉진될 수 있다.In addition, in the present invention, as the deposition temperature increases, a eutectic mixture may be formed at the indium-platinum (In-Pt) interface at a lower temperature during the annealing process, and the formation of an indium-platinum double layer or alloy due to the eutectic mixture The interdiffusion of atoms leading to alloy formation can be further promoted.

한편, 본 발명의 모든 실시 예에서, 백금 나노 입자의 생성에 영향을 미치는 요소가 인듐(In) 층 및/또는 백금(Pt) 층의 두께 조절에 있음을 명확히 하기 위해, 전반적인 어닐링 공정은 동일하고 일관된 컴퓨터 프로그램에 의해 제어된다.On the other hand, in all embodiments of the present invention, in order to clarify that the factor affecting the generation of platinum nanoparticles lies in controlling the thickness of the indium (In) layer and/or the platinum (Pt) layer, the overall annealing process is the same and It is controlled by a consistent computer program.

특히, 컴퓨터 프로그램에 의해 제어되는 어닐링 공정은 백금 나노 입자의 성장이 종료시키기 위해, 시간이 경과함에 따라 대기에 의해 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 일정한 수치 이하로 냉각될 때까지, 펄스 레이저 증착 챔버의 압력을 동일하게 진공 상태로 유지하면서 가열 시스템을 오프(Off)할 수 있도록 구성된다.In particular, the annealing process controlled by a computer program ends the growth of platinum nanoparticles, until the temperature inside the pulsed laser deposition chamber is cooled down to a certain value or less by the atmosphere over time. It is configured to turn off the heating system while maintaining the same pressure in the vacuum state.

한편, 어닐링 공정을 마친 뒤, 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 형성된 사파이어(10)는 펄스 레이저 증착 챔버 내부에서 디웨팅된다(S1040). Meanwhile, after completing the annealing process, the sapphire 10 on which the double layer of indium-platinum (In-Pt) is formed is dewetted in the pulse laser deposition chamber (S1040).

본 발명의 모든 실시 예에 따른 인듐-백금(In-Pt) 이중 층이 증착된 사파이어(10)들은, 펄스 레이저 증착 챔버 내부에서 450초 동안 유지되며, 펄스 레이저 증착 챔버의 내부가 특정한 목표 온도에 도달하면 그 온도로 450초 동안 온도가 유지된다. The sapphire 10 on which the indium-platinum (In-Pt) double layer is deposited according to all embodiments of the present invention is maintained for 450 seconds in the pulse laser deposition chamber, and the inside of the pulse laser deposition chamber is at a specific target temperature. Upon reaching that temperature, the temperature is maintained for 450 seconds.

또한, 여기서의 특정한 목표 온도는 550℃ 내지 900℃ 범위 내에 포함되는 특정 온도로써, 각각의 실시 예가 포함하는 어닐링 및 디웨팅 공정에 따라 550℃ 내지 900℃ 사이에서 달라질 수 있다.In addition, the specific target temperature here is a specific temperature included in the range of 550°C to 900°C, and may vary between 550°C and 900°C according to the annealing and dewetting processes included in each embodiment.

이때, 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에서 인듐(In)은 희생 금속으로 사용된다. In this case, indium (In) is used as a sacrificial metal in In-Pt bilayers.

인듐(In)은 백금(Pt)에 비하여 확산도가 높고, 인듐(In)이 백금(Pt)에 비하여 낮은 표면 에너지와 낮은 승화 온도를 갖기 때문이다.This is because indium (In) has a higher diffusivity than platinum (Pt), and indium (In) has a lower surface energy and a lower sublimation temperature than platinum (Pt).

즉, 백금(Pt)은 인듐(In)에 비해 높은 표면 에너지를 가지고 있어 인듐(In)보다 높은 융점 (1768℃)을 가지고 있는 반면, 인듐(In)은 백금(Pt)에 비해 낮은 표면 에너지를 가지므로 융점(156.6℃)이 백금(Pt)보다 낮다.In other words, platinum (Pt) has a higher surface energy than indium (In), so it has a higher melting point (1768℃) than indium (In), whereas indium (In) has a lower surface energy than platinum (Pt). Therefore, the melting point (156.6℃) is lower than that of platinum (Pt).

한편, 여기서 희생 금속(sacrificial metal)이란 특정 금속의 부식을 막기 위해 다른 금속을 대신 부식시키는 희생 부식(self-sacrificial corrosion)에 사용되는 희생 금속을 말하는 것으로써, 부식을 막기 위한 특정 금속보다 쉽게 산화되는 금속을 희생 금속이라고 한다.On the other hand, the sacrificial metal here refers to a sacrificial metal used for self-sacrificial corrosion, which instead corrodes other metals to prevent corrosion of a specific metal, and is more easily oxidized than a specific metal to prevent corrosion. The resulting metal is called a sacrificial metal.

이하에서는, 본 발명에서 희생 금속으로 사용되는 인듐(In)을 희생 인듐(sacrificial In)으로도 지칭할 수 있다.Hereinafter, indium (In) used as a sacrificial metal in the present invention may also be referred to as sacrificial in.

따라서, 본 발명에서는 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에 대한 디웨팅 공정 시, 인듐(In) 원자가 백금(Pt) 원자에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 승화되므로, 계면의 인듐-백금 나노 입자 매트릭스(In-Pt Nano Particle Matrix)로부터 인듐(In)이 우선적으로 제거된다.Therefore, in the present invention, during the dewetting process for indium-platinum bilayers, indium (In) atoms are sublimated at a relatively low temperature compared to platinum (Pt) atoms, and thus indium-platinum nanoparticles at the interface Indium (In) is preferentially removed from the matrix (In-Pt Nano Particle Matrix).

일반적으로, 인듐(In) 박막 및 백금(Pt) 박막과 같은 금속 박막은 증착되고 얼마 지나지 않은 상태에서는 안정되지 못하므로, 금속 박막에 적절한 열에너지가 적용될 때, 비로소 고립된 입자로 변형되거나 디웨팅(dewetting)된다.In general, metal thin films such as indium (In) thin films and platinum (Pt) thin films are not stable in a short time after being deposited. Therefore, when appropriate thermal energy is applied to the metal thin film, it is transformed into isolated particles or dewetting ( dewetting).

이러한 금속 박막의 변형은 주로 열역학적 시스템의 전체 에너지 최소화에 의해 이루어진다.The transformation of these metallic thin films is mainly achieved by minimizing the total energy of the thermodynamic system.

본 발명에 따른 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에 대한 디웨팅 공정 시, 인듐(In) 층은 백금(Pt) 층에 비해 확산성이 높고, 증기압이 높기 때문에, 종래의 백금(Pt) 단일 층에 디웨팅 공정을 하는 경우에 비하여, 백금(Pt) 박막에 대한 디웨팅 효율이 전반적으로 향상된다.During the dewetting process for the indium-platinum bilayers according to the present invention, the indium (In) layer has higher diffusivity and higher vapor pressure than the platinum (Pt) layer, so that the conventional platinum (Pt ) Compared to the case of performing the dewetting process on a single layer, the dewetting efficiency for a platinum (Pt) thin film is improved overall.

본 발명에 따른 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에 대한 디웨팅 공정은 다음과 같은 과정을 거쳐 백금 나노 구조(Pt nano matrix)가 성장 및 형성된다.In the dewetting process for indium-platinum bilayers according to the present invention, a platinum nano matrix is grown and formed through the following process.

(i) 계면에서 인듐(In)과 백금(Pt) 원자의 상호 확산, (i) mutual diffusion of indium (In) and platinum (Pt) atoms at the interface,

(ii) 인듐-백금(In-Pt) 이원계의 형성, (ii) formation of an indium-platinum (In-Pt) binary system,

(iii) 인듐-백금(In-Pt) 합금 박막에 대한 부분적 국소적인 디웨팅,(iii) partial local dewetting of indium-platinum (In-Pt) alloy thin films,

(iv) 인듐(In) 원자의 승화, 및 (iv) sublimation of the indium (In) atom, and

(v) 거의 순수한 백금 나노 구조(Pt nano matrix)의 생성.(v) Generation of almost pure platinum nano-structures (Pt nano matrix).

보다 구체적으로, 희생 인듐(sacrificial In) 층의 확산성, 표면 에너지, 용융 온도, 두께와 희생 인듐(sacrificial In) 층과 인접한 박막 층인 백금(Pt) 박막 층과의 관계에 있어서 상호 원자 확산과 같은 요소들에 의해, 본 발명에 따른 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅 공정은 종래의 백금(Pt) 단일 층에 디웨팅 공정을 하는 경우에 비하여, 전반적으로 디웨팅 효율이 향상된다.More specifically, in relation to the diffusivity, surface energy, melting temperature, thickness of the sacrificial In layer and the platinum (Pt) thin film layer adjacent to the sacrificial In layer, such as mutual atomic diffusion. Due to the factors, the dewetting process for the indium-platinum (In-Pt) double layer according to the present invention improves the overall dewetting efficiency compared to the case of performing the dewetting process on a conventional platinum (Pt) single layer. do.

따라서, 인듐-백금(In-Pt) 이중 층간에 상호 원자 확산 및 인듐-백금(In-Pt) 합금의 형성은 전체 인듐-백금(In-Pt) 이중 층의 확산성을 향상시키고 디웨팅 공정을 촉진시키는 가장 중요한 요소이다.Therefore, the mutual atomic diffusion between the indium-platinum (In-Pt) double layers and the formation of the indium-platinum (In-Pt) alloy improve the diffusibility of the entire indium-platinum (In-Pt) double layer and reduce the dewetting process. It is the most important factor to promote.

인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대하여 국소적인 디웨팅을 실시할 경우, 도 1의 (c)에 묘사된 것과 같이, 챔버 내부의 온도가 증가함에 따라 향상된 표면 확산성으로 인해 인듐-백금(In-Pt) 합금 형성은 더 촉진될 수 있다.In case of performing local dewetting on the indium-platinum (In-Pt) double layer, as depicted in Fig. 1(c), the indium-platinum due to improved surface diffusivity as the temperature inside the chamber increases. (In-Pt) alloy formation can be further promoted.

이때, 챔버 내부의 높은 온도에 의해 이중 층에 보이드(void, 공극), 피트(pit, 움푹 패인 자국) 및 일부 커다란 인듐-백금(In-Pt) 응집체가 표면 상에 형성된다.At this time, voids, pits, and some large indium-platinum (In-Pt) aggregates are formed on the surface of the double layer by the high temperature inside the chamber.

또한, 도 1의 (d)에 도시된 것과 같이, 디웨팅(dewetting)을 계속 진행하면서, 백금(Pt) 원자보다 낮은 증발 온도를 가지는 인듐(In) 원자가 사파이어(10) 상에서 백금(Pt) 원자보다 먼저 승화되어, 거의 순수한 백금 나노 구조(Pt nano matrix)가 생성된다. In addition, as shown in (d) of FIG. 1, while continuing dewetting, an indium (In) atom having an evaporation temperature lower than that of a platinum (Pt) atom is a platinum (Pt) atom on the sapphire 10 It is sublimated earlier, resulting in an almost pure Pt nano matrix.

이렇게 본 발명에 따른 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에 대한 디웨팅 공정은, 종래 순수한 백금(Pt) 박막에 디웨팅 공정을 진행하는 것과는 대조적으로, 희생 인듐(In) 층을 사용함으로써 디웨팅 공정의 효율을 향상시키고, 백금 나노 입자 형성 시에 백금 나노 입자의 형태를 보다 효과적으로 제어할 수 있다.In this way, the dewetting process for the indium-platinum bilayers according to the present invention is by using a sacrificial indium (In) layer, in contrast to the conventional dewetting process on a pure platinum (Pt) thin film The efficiency of the dewetting process can be improved, and the shape of the platinum nanoparticles can be more effectively controlled when forming the platinum nanoparticles.

특히, 본 발명에 따른 인듐-백금 이중 층(In-Pt bilayers)에 대한 디웨팅 공정은 인듐-백금(In-Pt) 이중 층 막을 서로 다른 두께로 형성함으로써, 백금 나노 입자의 형태를 변환할 수 있다.In particular, the dewetting process for the indium-platinum bilayers according to the present invention can change the shape of the platinum nanoparticles by forming the indium-platinum (In-Pt) bilayer film with different thicknesses. have.

이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 디웨팅 공정 및 제1 실시 예에 따른 방법에 의해 생성된 백금 나노 입자들의 형태와 특성에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of configuring platinum nanoparticles according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5. In addition, the shape and characteristics of the platinum nanoparticles produced by the dewetting process according to the first embodiment and the method according to the first embodiment will be described in detail.

본 실시 예뿐만 아니라 모든 실시 예에서 생성 및 제작된 백금 나노 구조(Pt NP)의 표면 형태는 원자력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)(XE-70, Park Systems, South Korea)과 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)(CoXEM, South Korea)으로 촬영하고, 대용량 표면 형태를 분석하였다.The surface morphology of the platinum nanostructure (Pt NP) generated and produced in all examples as well as this example was an atomic force microscope (AFM) (XE-70, Park Systems, South Korea) and a scanning electron microscope ( It was photographed with a Scanning Electron Microscope, SEM) (CoXEM, South Korea), and a large-scale surface shape was analyzed.

원자력 현미경(AFM) 스캐닝은 곡률 반경이 <10nm, 힘 상수가 40nm-1, 공명 주파수가 ~300kHz인 같은 배치의 팁(batch of tip)을 사용하여 비접촉 모드로 수행하였다.Atomic force microscopy (AFM) scanning was performed in a non-contact mode using a batch of tips with a radius of curvature <10 nm, a force constant of 40 nm -1 , and a resonance frequency of ~300 kHz.

본 실시 예뿐만 아니라 모든 실시 예에서 나노 구조의 상세한 구조적 및 차원적 진화를 설명하기 위해 상면도, 측면도, 횡단면-라인 프로파일, 표면적 대 부피비 SAR(Surface Area to volume Ratio) 및 표면 거칠기(surface roughness, RMS)를 통계적으로 처리한 거칠기 파라미터 Rq를 사용하여 나타냈다.In order to explain the detailed structural and dimensional evolution of nanostructures in not only this embodiment, but also in all examples, a top view, a side view, a cross-section-line profile, a surface area to volume ratio (SAR), and a surface roughness, RMS) was statistically represented using the roughness parameter Rq.

또한, 본 실시 예뿐만 아니라 모든 실시 예에서 원자 특성 및 스펙트럼 매핑을 위하여, 에너지 분산형 X선 분광분석기(Energy Dispersive x-ray Spectroscope, EDS)(Thermo Fisher, Noran System 7, USA)로 분석을 수행하였다.In addition, for atomic properties and spectral mapping in all examples as well as this example, analysis was performed with an energy dispersive x-ray spectroscope (EDS) (Thermo Fisher, Noran System 7, USA). I did.

한편, 본 실시 예뿐만 아니라 모든 실시 예에서 반사율 측정과 같은 광학 특성은, ANDOR sr-500i 스펙트로그라프(Oxford Instruments, United Kingdom), CCD 검출기 및 다양한 광학 장치가 장착된 UNIRAM II 시스템(UniNanoTech Co. Ltd, South Korea)을 사용하여 측정하였다.On the other hand, optical properties such as reflectance measurement in all embodiments as well as this embodiment, ANDOR sr-500i spectrograph (Oxford Instruments, United Kingdom), a CCD detector, and a UNIRAM II system equipped with various optical devices (UniNanoTech Co. Ltd.) , South Korea).

또한, 본 실시 예뿐만 아니라 모든 실시 예에서 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시광(VIS) 및 근적외선(NIR) 영역을 포함하는 광원으로써 할로겐 및 중수소 램프(OCEAN optics, United Kingdom)를 사용하여, 나노 입자를 여기(excitation)하였다.In addition, as a light source including ultraviolet (UV), visible (VIS), and near-infrared (NIR) regions of the electromagnetic spectrum, as well as in this embodiment, using halogen and deuterium lamps (OCEAN optics, United Kingdom), nano The particles were excited.

도면 중 인셋(Inset)은 공정의 각 단계에서 측정한 투과도 그래프를 나타낸다.In the drawing, inset represents a graph of transmittance measured in each step of the process.

도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 구성되는 것을 온도별로 측정하고 분석한 AFM 평면도, AFM 측면도, 횡단면 라인-프로파일 및 그래프들이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 크기 분포 히스토그램이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성을 나타내는 그래프들이다.3 is an AFM plan view, an AFM side view, a cross-sectional line-profile and graphs measured and analyzed for each temperature of the composition of platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a first embodiment of the present invention. Is a histogram of the size distribution of platinum nanoparticles, and FIG. 5 is a graph showing optical properties of the platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 구성 방법은, 5nm의 백금(Pt) 층이 5nm의 인듐(In) 층 위에 증착되며, 'In5nm/Pt5nm bilayer'로 표시된다.Referring to FIG. 3, in the method of constructing platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention, a 5 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 5 nm indium (In) layer, and'In 5 nm /Pt 5 nm bilayer' It is represented by

본 발명의 제1 실시 예에 따른 사파이어(10)는 우선적으로 펄스 레이저 증착 챔버 내부에서 다이싱 및 탈기되며(S1010), 이 후 스퍼터 챔버로 이송된다.The sapphire 10 according to the first embodiment of the present invention is first diced and degassed inside the pulsed laser deposition chamber (S1010), and then transferred to the sputtering chamber.

스퍼터 챔버에서 5nm의 두께의 인듐(In) 박막 층 및 5nm의 두께의 백금(Pt) 박막 층이 각각 순서대로 사파이어(10) 상에 증착된다(S1020).In the sputter chamber, an indium (In) thin film layer having a thickness of 5 nm and a platinum (Pt) thin film layer having a thickness of 5 nm are sequentially deposited on the sapphire 10 (S1020).

인듐-백금(In-Pt) 이중 층이 증착된 사파이어(10)는, 이후 펄스 레이저 증착(PLD) 챔버로 다시 이송되어 어닐링(annealing) 공정을 거친다(S1030).The sapphire 10 on which the indium-platinum (In-Pt) double layer is deposited is then transferred back to a pulsed laser deposition (PLD) chamber to undergo an annealing process (S1030).

어닐링 공정 시, 펄스 레이저 증착 챔버의 내부 압력은 1Х10-4 Torr 이하로 유지되고, 펄스 레이저 증착 챔버의 내부 온도는 550℃ 내지 900℃ 사이에 존재하는 목표 온도에 도달하기 위해 4℃ sec-1의 온도 상승 속도로 온도가 상승한다.During the annealing process, the internal pressure of the pulsed laser deposition chamber is maintained below 1Х10 -4 Torr, and the internal temperature of the pulsed laser deposition chamber is 4℃ sec -1 to reach a target temperature between 550℃ and 900℃. The temperature rises at the rate of temperature rise.

한편, 어닐링 공정을 마친 뒤, 인듐-백금(In-Pt)의 이중 층이 형성된 사파이어(10)는 펄스 레이저 증착 챔버 내부에서 550℃ 내지 900℃ 사이에 존재하는 특정 온도로 450초간 디웨팅되거나, 550℃부터 온도를 증가하면서 900℃에 이르기까지 디웨팅된다(S1040).On the other hand, after completing the annealing process, the sapphire 10 on which the double layer of indium-platinum (In-Pt) is formed is dewetted for 450 seconds at a specific temperature present between 550°C and 900°C in the pulse laser deposition chamber, It is dewetted from 550°C to 900°C while increasing the temperature (S1040).

다시 도 3을 참조하면, 5nm 두께의 인듐(In) 박막 층 및 5nm 두께의 백금(Pt) 박막 층이 형성된 이중 층으로부터, 550℃ 내지 900℃ 사이의 특정 목표 온도에서 수행된 어닐링을 통해 생성된 백금 나노 입자(Pt NP)들을 볼 수 있다.Referring back to FIG. 3, from a double layer in which a 5 nm-thick indium (In) thin film layer and a 5 nm-thick platinum (Pt) thin film layer are formed, generated through annealing performed at a specific target temperature between 550° C. and 900° C. You can see platinum nanoparticles (Pt NP).

우선, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 5nm 두께의 인듐(In) 박막 층이 사파이어(10) 위에 증착되었고, 5nm 두께의 백금(Pt) 박막 층은 그 인듐(In) 박막 층 위에 증착된다.First, as shown in (a) of FIG. 3, a 5 nm-thick indium (In) thin film layer was deposited on the sapphire 10, and a 5 nm-thick platinum (Pt) thin film layer was deposited on the indium (In) thin film layer. Deposited.

도 3의 AFM 평면도 (b) 내지 AFM 평면도 (i)를 참조하면, 본 실시 예에서 상대적으로 저온인 550℃에서, 사파이어(10) 표면 상에 보이드(void)가 형성되고 불규칙한 백금 나노 클러스터(Pt nano cluster, 백금 나노 군집체)를 포함하는 백금 나노 구조가 형성되기 시작하여, 온도가 900℃까지 점차 증가하면서 서로 격리된 반구형 백금 나노 입자(Pt NP)들이 생성된다.Referring to the AFM plan view (b) to the AFM plan view (i) of FIG. 3, in this embodiment, at a relatively low temperature of 550° C., a void is formed on the surface of the sapphire 10 and irregular platinum nanoclusters (Pt Platinum nanostructures including nano clusters (platinum nano clusters) begin to form, and as the temperature gradually increases to 900°C, hemispherical platinum nanoparticles (Pt NP) isolated from each other are generated.

도 3의 AFM 평면도 (b)를 참조하면, 온도가 550℃일 때, 백금 나노 클러스터가 불규칙적으로 배열되어 있지만, 비교적 독립적인 백금 나노 입자(Pt NP)들이 이미 사파이어(10) 표면 상에 생성되고 있음을 나타내고 있다.Referring to the AFM plan view (b) of FIG. 3, when the temperature is 550°C, platinum nanoclusters are irregularly arranged, but relatively independent platinum nanoparticles (Pt NP) are already generated on the surface of the sapphire 10 Indicates that there is.

이렇게 형성된 백금 나노 입자(Pt NP)의 평균 크기는 도 3의 AFM 측면도 (b-1) 및 횡단면 라인-프로파일 (b-2)에 도시된 바와 같이, 직경이 ~58nm이고, 높이가 ~10nm이다.The average size of the platinum nanoparticles (Pt NP) thus formed is -58 nm in diameter and -10 nm in height, as shown in the AFM side view (b-1) and cross-sectional line-profile (b-2) of FIG. 3. .

또한, 도 4의 (a)와 (a-1)에 도시된 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 크기 분포 히스토그램은 특정 온도에서 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 직경과 높이 변화를 보여준다.In addition, the size distribution histogram of the platinum nanoparticles (Pt NPs) shown in (a) and (a-1) of FIG. 4 shows the change in diameter and height of the platinum nanoparticles (Pt NPs) at a specific temperature.

한편, 인듐(In) 및 백금(Pt) 원자의 상호 확산이 증대됨에 따라, 디웨팅(dewetting) 공정이 시작되며, 특히, 저 에너지 부위(low energy site)에서의 핀 홀(pin hole) 및 보이드 핵(void nucleation)의 생성이 야기되고 보이드 림(void rim)을 통한 원자 축적이 야기된다.Meanwhile, as the interdiffusion of indium (In) and platinum (Pt) atoms increases, the dewetting process starts, and in particular, pin holes and voids at low energy sites. The creation of a void nucleation is caused and the accumulation of atoms through the void rim is caused.

도 3의 AFM 평면도 (b) 내지 AFM 평면도 (i)를 참조하면, 결과적으로 본 발명의 제1 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 크기, 형상 및 나노 입자들 간 간격은 온도의 상승과 함께 점진적으로 향상되었는데, 이는 인듐(In) 원자의 승화와 함께 백금(pt) 원자가 사파이어(10) 표면상에서 많이 확산된 결과이다.Referring to the AFM plan view (b) to the AFM plan view (i) of FIG. 3, as a result, the size, shape, and spacing between the nanoparticles of the platinum nanoparticles (Pt NPs) formed according to the first embodiment of the present invention are temperature It gradually improved with the rise of, which is a result of the sublimation of the indium (In) atom and the diffusion of the platinum (pt) atom on the surface of the sapphire 10 a lot.

우선 도 3의 AFM 측면도 (d-1) 및 횡단면 라인-프로파일 (d-2)를 살펴보면, 650

Figure 112019072861985-pat00003
에서 백금 나노 입자의 높이는 ~15nm 내지 25nm이고, 직경은 ~70nm 내지 90nm로 현저히 증가한다. First, looking at the AFM side view (d-1) and the cross-sectional line-profile (d-2) of FIG. 3, 650
Figure 112019072861985-pat00003
In the height of the platinum nanoparticles is ~15nm to 25nm, the diameter is significantly increased to ~70nm to 90nm.

하지만, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 밀도는 현저한 감소를 보여주고 있다. However, the density of the platinum nanoparticles according to this embodiment shows a remarkable decrease.

그리고 도 3의 AFM 평면도 (d)에 나타난 바와 같이, 나노 구조는 다소 불규칙적으로 길게 구성된다.And, as shown in the AFM plan view (d) of FIG. 3, the nanostructure is formed somewhat irregularly long.

이는, 금속 박막 층과 사파이어(10) 사이의 계면 에너지가 얼마나 최소화되는지 여부에 따라 백금 나노 입자 간 간격의 증감이 결정되고, 보이드(void)의 성장이 결정되기 때문이다.This is because the increase or decrease of the spacing between the platinum nanoparticles is determined depending on how much the interfacial energy between the metal thin film layer and the sapphire 10 is minimized, and the growth of voids is determined.

또한, 도 3의 AFM 평면도 (f)와 AFM 평면도 (i)에서 볼 수 있듯이, 온도가 750℃에서 900℃로 증가하면서 백금 나노 입자 사이의 간격은 넓어지고, 모두 일정한 형상을 가지며, 분포 균일성이 향상됨을 알 수 있다.In addition, as can be seen in the AFM top view (f) and AFM top view (i) of FIG. 3, as the temperature increases from 750° C. to 900° C., the spacing between the platinum nanoparticles widens, and all of them have a uniform shape, It can be seen that this is improved.

한편, 무작위적으로 분산된 작은 백금 나노 입자들은, 온도가 증가함에 따라 백금 나노 입자들 간 유착 현상으로 인하여 자신보다 더 큰 백금 나노 입자에 부착되어 밀도가 낮아짐과 동시에 크기가 커진다.Meanwhile, as the temperature increases, the randomly dispersed small platinum nanoparticles adhere to the platinum nanoparticles larger than themselves due to the adhesion phenomenon between the platinum nanoparticles, thereby decreasing their density and increasing their size.

그리고 서로 분리되었던 백금 나노 입자들의 유착하여 성장하면서 보다 안정되고 큰 크기의 백금 나노 입자 배열을 만든다.And as the separated platinum nanoparticles adhere and grow, a more stable and large-sized platinum nanoparticle array is created.

도 3의 (f-2) 내지 (i-2)에 표현된 횡단면-라인 프로파일은, 백금 나노 입자의 등방성 표면 에너지 분포로 인해 생성된 반구형의 백금 나노 입자들(Pt NPs)을 보여준다.The cross-sectional-line profiles shown in (f-2) to (i-2) of FIG. 3 show hemispherical platinum nanoparticles (Pt NPs) generated due to the isotropic surface energy distribution of the platinum nanoparticles.

본 실시 예에 따른 반구형의 백금 나노 입자들은 높이가 ~30nm로 현격하게 증가했지만, 직경은 ~80nm 정도로 약간 변동만 있을 뿐 큰 변화는 없었다.Although the height of the hemispherical platinum nanoparticles according to the present embodiment increased significantly to ~30nm, the diameter was only slightly changed to ~80nm, but there was no significant change.

종래의 백금 나노 입자를 구성하는 방법과 유사한 조건인 두께 5nm의 백금 박막 층 및 어닐링 온도 조건에서, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법은 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기가 향상되고 균일성이 증가되었으며 입자간 일정한 간격이 형성되는 것을 명확하게 보여준다.Under conditions similar to the conventional method of constructing platinum nanoparticles, a platinum thin film layer having a thickness of 5 nm and annealing temperature conditions, the method of constructing platinum nanoparticles according to the first embodiment of the present invention is a method of constructing platinum nanoparticles (Pt NP). It clearly shows that the size has been improved, the uniformity has been increased, and a uniform gap is formed between the particles.

종래 백금(Pt) 박막 층만을 증착한 뒤 이를 디웨팅을 하여 백금 나노 구조를 형성하는 방법은, 700℃ 이상에서만 보이드 핵(void nuclear)의 생성이 관찰되었으며, 온도 변화가 900℃까지 이르더라도 백금 나노 입자의 크기, 균일성 및 입자 간 간격이 거의 변화하지 않았었다.In the conventional method of depositing only a platinum (Pt) thin film and then dewetting it to form a platinum nanostructure, the generation of void nuclei was observed only above 700℃, and even if the temperature change reached 900℃, platinum The size, uniformity and spacing between particles of the nanoparticles hardly changed.

하지만, 본 발명의 제1 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 전체 크기 분포는 도 4에 도시된 바와 같으며, 이들의 평균 높이와 직경은 온도의 상승과 함께 점진적으로 증가하였음을 보여주고 있다.However, the total size distribution of platinum nanoparticles (Pt NPs) formed according to the first embodiment of the present invention is as shown in FIG. 4, and their average height and diameter gradually increased with the increase in temperature. Is showing.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 온도가 증가하면서 백금 나노 입자들의 균일성 역시 개선됨을 알 수 있다.In addition, as shown in FIG. 4, it can be seen that the uniformity of the platinum nanoparticles is also improved as the temperature increases.

이와 같이, 본 발명의 제1 실시 예는 백금(Pt) 박막 층과 사파이어(10) 기판 사이에 희생 인듐(sacrificial In) 층을 도입하여, 디웨팅 공정의 효율을 향상시켰으며, 백금 나노 입자의 균일한 형성에 큰 영향을 미쳤다.As described above, in the first embodiment of the present invention, a sacrificial in layer was introduced between the platinum (Pt) thin film layer and the sapphire 10 substrate, thereby improving the efficiency of the dewetting process. It had a great influence on the uniform formation.

특히, 백금 나노 구조의 성장은 표면 거칠기(surface roughness, RMS)를 통계적으로 처리한 거칠기 파라미터 Rq와 표면적 대 부피비(Surface Area to volume Ratio, SAR)로 나타낼 수 있는데, 여기서 Rq는 평균 표면 높이를 나타내고, SAR은 백금 나노 구조의 3D 표면적을 나타낸다.In particular, the growth of the platinum nanostructure can be represented by a roughness parameter Rq and a surface area to volume ratio (SAR) obtained by statistically treating surface roughness (RMS), where Rq represents an average surface height. , SAR represents the 3D surface area of the platinum nanostructure.

Rq는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Rq can be expressed as in Equation 1 below.

Figure 112019072861985-pat00004
Figure 112019072861985-pat00004

여기서 Zn은 각 픽셀에서의 프로파일 높이이다.Where Zn is the profile height at each pixel.

SAR은 다음 수학식 2와 같이 주어진다.SAR is given by Equation 2 below.

Figure 112019072861985-pat00005
Figure 112019072861985-pat00005

여기서 Ag와 As는 각각 기하학적 영역(2D 영역) 및 표면적(3D 영역)이다.Where Ag and As are the geometric area (2D area) and the surface area (3D area), respectively.

도 3의 그래프 (j)와 그래프 (k)에 나타난 바와 같이, 온도의 상승과 함께 Rq 및 SAR은 지속적으로 증가했다.As shown in graphs (j) and (k) of FIG. 3, Rq and SAR continuously increased with the increase in temperature.

도 3의 그래프 (j)와 그래프 (k)를 참조하면, 700

Figure 112019072861985-pat00006
에서 Rq 값은 약 5nm에서 10nm로 증가하였고, SAR 값은 4%에서 11%로 큰 증가를 보였다.Referring to graphs (j) and (k) of FIG. 3, 700
Figure 112019072861985-pat00006
At, the Rq value increased from about 5 nm to 10 nm, and the SAR value showed a large increase from 4% to 11%.

또한, 도 3의 그래프 (l)에 도시된 바와 같이, 에너지 분산형 X선 분광분석기(EDS, 이하 EDS라고 함)를 통한 원자 특성 분석 결과는, 3개의 원자(O Kα, Al Kα 및 Pt Mα1)에 대한 피크(peak)가 공통적으로 검출되고 있음을 보여주고 있다.In addition, as shown in graph (l) of FIG. 3, the results of atomic characterization through an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS, hereinafter referred to as EDS) are three atoms (O Kα, Al Kα and Pt Mα1). It shows that the peak for) is commonly detected.

여기서, O Kα 및 Al Kα의 피크(peak)는 기판인 사파이어(10)를 구성하는 원자에 상응하며, Pt Mα1의 피크(peak)는 백금 나노 입자를 구성하는 원자에 상응한다.Here, the peaks of O Kα and Al Kα correspond to the atoms constituting the sapphire 10 as the substrate, and the peak of Pt Mα1 corresponds to the atoms constituting the platinum nanoparticles.

한편, 인듐(In) 원자는 탈착(desorption, 脫着, 이온이나 원자 및 분자들이 흡착체에서 분리되어 용액으로 이동하는 현상) 때문에, 본 실시 예에서 비교적 저온인 550℃에서도 인듐(In) 원자과 관련된 EDS 피크는 얻어지지 않았다.On the other hand, the indium (In) atom is desorption, a phenomenon in which ions, atoms, and molecules are separated from the adsorbent and transferred to the solution. In this embodiment, the indium (In) atom is related to No EDS peak was obtained.

그러나 온도가 증가함과 동시에 디웨팅에 의해 점진적으로 나노 입자로부터 탈착하는 나노 입자(NP) 내 잔류 인듐(In)은 극소량이 검출될 수도 있다.However, as the temperature increases, a very small amount of residual indium (In) in the nanoparticles (NP) gradually desorbed from the nanoparticles by dewetting may be detected.

한편, 백금(Pt)의 양은 도 3의 그래프 (l-1)에 표시된 요약 도표에서 보는 바와 같이 550℃ 내지 900℃에 이르는 온도 범위 전체에 걸쳐 일정하게 유지된다는 것을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that the amount of platinum (Pt) is kept constant throughout the temperature range ranging from 550°C to 900°C as shown in the summary chart shown in graph (l-1) of FIG. 3.

이는 각 백금(Pt) 나노 입자들이 사파이어(10) 표면상에서 형성하는 형태와 백금(Pt)의 총량과는 관계가 없음을 나타낸다.This indicates that there is no relationship between the shape of each platinum (Pt) nanoparticle formed on the surface of the sapphire 10 and the total amount of platinum (Pt).

한편, 도 5는 550℃ 내지 900℃에서 인듐(In) 5nm 및 백금(Pt) 5nm의 이중 층에서 생성 및 제조된 백금 나노 입자(Pt NP)의 광학 특성을 나타낸다.Meanwhile, FIG. 5 shows the optical properties of platinum nanoparticles (Pt NP) produced and produced in a double layer of indium (In) 5 nm and platinum (Pt) 5 nm at 550°C to 900°C.

도 5의 그래프 (a) 내지 그래프 (c)는 각각 반사율(reflectance), 투과율(transmittance) 및 소광 스펙트럼(extinction spectra)을 나타낸다.Graphs (a) to (c) of FIG. 5 represent reflectance, transmittance, and extinction spectra, respectively.

본 실시 예에서는, 반사율 및 투과율 스펙트럼을 정상 반사 및 투과 모드에서 실험적으로 측정하고 소광 스펙트럼을 소광 스펙트럼(%)=100%-(반사율+투과율)%의 관계로 추출하였다.In this example, reflectance and transmittance spectra were experimentally measured in normal reflection and transmission modes, and extinction spectra were extracted in the relationship of extinction spectrum (%) = 100%-(reflectance + transmittance)%.

일반적으로 백금 나노 입자(Pt NP)는 형태 변화에 매우 민감하여 백금 나노 입자(Pt NP)의 광학 스펙트럼은 특정 파장 영역에서 다양한 공명 피크(resonance peak)와 감소된 딥(dip, 감소)의 형성이 관찰되며, 강도 변화가 관찰된다.In general, platinum nanoparticles (Pt NP) are very sensitive to morphological changes, so the optical spectrum of platinum nanoparticles (Pt NP) shows the formation of various resonance peaks and reduced dips in a specific wavelength range. Is observed, and a change in intensity is observed.

구체적으로 도 5의 그래프 (a)를 참조하면, 백금 나노 입자(Pt NP)의 직경이 100nm이고, 높이가 30nm 미만일 때, 백금 나노 입자(Pt NP)의 광학 스펙트럼의 반사율은 가시 광선과 근적외선 영역에서 기울기가 낮아짐을 보인다.Specifically, referring to the graph (a) of FIG. 5, when the diameter of the platinum nanoparticles (Pt NP) is 100 nm and the height is less than 30 nm, the reflectance of the optical spectrum of the platinum nanoparticles (Pt NP) is in the visible and near-infrared regions. The slope is lowered at.

도 5의 그래프 (a)에서는 백금 나노 입자(Pt NP)의 반사율이 급격하게 높아지는 피크(peak) 또는 급격하게 낮아지는 딥(dip)이 나타나 있지는 않지만, 백금 나노 입자(Pt NP)가 형성된 크기를 기반으로, 쌍극성(dipolar) 및 4중 극성(quadrupolar)의 백금 나노 입자(Pt NP)가 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 모드에서 발생되는 광학 스펙트럼을 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 관측할 수 있다.In the graph (a) of FIG. 5, a peak at which the reflectance of the platinum nanoparticles (Pt NP) increases rapidly or a dip that decreases rapidly is not shown, but the size of the platinum nanoparticles (Pt NP) is formed. As a basis, the optical spectrum generated in the local surface plasmon resonance (LSPR) mode of dipolar and quadrupolar platinum nanoparticles (Pt NP) is observed in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions. can do.

한편, 도 5의 그래프 (a)에서는 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 파장에서 쌍극성 나노 입자들(dipolar NPs)에 의한 두드러진 후방 산란 현상 때문에, 광을 흡수하는 것이 줄어들면서 반사율 곡선이 자외선(UV)에서 가시광(VIS) 영역으로 어깨(shoulder) 패턴을 나타낸다.On the other hand, in the graph (a) of FIG. 5, because of the remarkable backscattering phenomenon caused by dipolar NPs at ultraviolet (UV) and visible (VIS) wavelengths, absorption of light is reduced, and the reflectance curve is reduced to ultraviolet rays ( UV) shows a shoulder pattern in the visible light (VIS) region.

도 5의 그래프 (b)는 투과율을 나타내며, 자외선(UV) 영역인 ~320nm에서 딥(dip, 급감)을 나타내고, 가시광(VIS) 영역인 ~460nm에서 넓은 딥(wide dip)을 명확하게 나타내고 있다.The graph (b) of FIG. 5 shows transmittance, shows a dip at ~320nm, which is an ultraviolet (UV) region, and clearly shows a wide dip at ~460nm, which is a visible light (VIS) region. .

도 5의 그래프 (b)에 도시된 것처럼, 투과율 그래프에서 파장 의존형 딥(wavelength dependent dip)의 형성은 다양한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 여기(excitation)와 관련된다.As shown in graph (b) of FIG. 5, the formation of a wavelength dependent dip in the transmittance graph is related to the excitation of various local surface plasmon resonances (LSPRs).

특히, 가시광(VIS) 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 딥(dip)은 양극성 공명 모드(dipolar resonance mode)에 의해 야기되는 반면, 자외선(UV) 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 딥(dip)은 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 4중 극성 공명 모드(quadrupolar resonance mode)에 의해 발생될 수 있다.In particular, the dip of local surface plasmon resonance (LSPR) in the visible light (VIS) region is caused by the dipolar resonance mode, while the dip of local surface plasmon resonance (LSPR) in the ultraviolet (UV) region. (dip) may be generated by a quadrupolar resonance mode of platinum nanoparticles (Pt NPs).

도 5의 그래프 (a) 및 그래프 (b)에 도시된 바와 같이, 750nm보다 긴 파장에서 백금 나노 입자의 반사율은 감소하지만, 근적외선(NIR) 영역에서 백금 나노 입자의 투과율은 급격히 증가하여 뚜렷한 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프를 나타낸다.As shown in the graphs (a) and (b) of FIG. 5, the reflectance of the platinum nanoparticles decreases at a wavelength longer than 750 nm, but the transmittance of the platinum nanoparticles rapidly increases in the near-infrared (NIR) region, resulting in a distinct shoulder pattern. It shows the graph of (shoulder pattern).

750nm보다 긴 파장 영역은 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 여기(excitation)와는 거리가 먼 파장 대역이므로, 강해진 흡수 및/또는 산란 현상으로 인하여 높은 투과율이나 낮은 반사율이 근적외선(NIR) 영역에서 측정되지 않을 수 있다.Since the wavelength region longer than 750 nm is a wavelength band that is far from excitation of local surface plasmon resonance (LSPR), high transmittance or low reflectance may not be measured in the near infrared (NIR) region due to the enhanced absorption and/or scattering phenomenon. I can.

한편, 백금 나노 입자들(Pt NPs) 층에 의해, 공기층과 사파이어(10)의 굴절률 불일치 현상이 감소됨으로 인하여, 백금 나노 입자의 표면 반사율은 감소하고 투과율은 증가한다.On the other hand, since the refractive index mismatch between the air layer and the sapphire 10 is reduced by the layer of platinum nanoparticles (Pt NPs), the surface reflectance of the platinum nanoparticles decreases and the transmittance increases.

도 5의 그래프 (d)와 나타난 바와 같이, 온도의 증가에 따라 백금 나노 입자(Pt NP)의 평균 표면 피복률이 감소하면서, 평균 크기에 해당하는 백금 나노 입자들의 평균 반사율(R)은 서서히 감소하고 있음을 나타낸다.As shown in the graph (d) of FIG. 5, as the temperature increases, the average surface coverage of the platinum nanoparticles (Pt NP) decreases, and the average reflectance (R) of the platinum nanoparticles corresponding to the average size gradually decreases. Indicate that you are doing.

한편, 온도가 증가하면서 백금 나노 입자가 형성되고, 백금 박막 층이 사파이어 기판상에서 줄어들면서 순수한 사파이어 부분이 증가함에 따라, 평균 투과율(T)은 증가하는 추세를 보인다.On the other hand, as the temperature increases, platinum nanoparticles are formed, and as the platinum thin film layer decreases on the sapphire substrate and the pure sapphire portion increases, the average transmittance (T) increases.

반사율 및/또는 투과율 그래프에서 명확하게 표현되고 있는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 딥(dip)은 광자의 흡수 또는 산란을 의미하며, 이는 도 5의 그래프 (c)에 나타내는 소광률 그래프에서 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 피크(peak)로도 나타난다.The dip of the local surface plasmon resonance (LSPR) clearly expressed in the reflectance and/or transmittance graph means the absorption or scattering of photons, which is the local surface in the extinction rate graph shown in graph (c) of FIG. It also appears as a peak of plasmon resonance (LSPR).

도 5의 그래프 (c)를 참조하면, 쌍극성(dipolar)과 4중 극성(quadrupolar) 백금 나노 입자에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크(peak)가 형성되는 위치는 투과율 그래프인 도 5의 그래프 (b)에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)이 형성된 위치와 대응된 위치 또는 유사한 위치에 형성된다.Referring to the graph (c) of FIG. 5, the position at which the peak of the local surface plasmon resonance for dipolar and quadrupolar platinum nanoparticles is formed is the graph of FIG. 5, which is a transmittance graph ( In b), a dip of local surface plasmon resonance is formed at a position corresponding to or similar to the formed position.

백금 나노 입자들(Pt NPs)의 진화와 함께 발생하는 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크(peak) 또는 딥(dip) 경향을 구체적으로 분석하기 위해, 검출된 광학 스펙트럼을 표준화시키고 확대하여 도 5의 그래프 (a-1) 및 그래프 (c-2)로 나타내었다.In order to specifically analyze the peak or dip trend of the local surface plasmon resonance that occurs with the evolution of platinum nanoparticles (Pt NPs), the detected optical spectrum is normalized and enlarged in the graph of FIG. 5 ( a-1) and graph (c-2).

구체적으로, 도 5의 그래프 (a-1)의 표준화된 반사율 그래프는 자외선 내지 가시광(UV-VIS) 영역에서 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프가 나타나는 것을 특징으로 하는데, 이는 후방 산란 효과와 함께 발생하는 쌍극성 백금 나노 입자의 뚜렷한 표면 플라즈몬 공명의 여기(excitation) 현상 및 작은 크기의 백금 나노 입자(Pt NP) 때문이다.Specifically, the standardized reflectance graph of graph (a-1) of FIG. 5 is characterized in that a graph of a shoulder pattern appears in the ultraviolet to visible light (UV-VIS) region, which occurs together with the back scattering effect. This is due to the excitation of the distinct surface plasmon resonance of the bipolar platinum nanoparticles and the small size of platinum nanoparticles (Pt NP).

도 5의 그래프 (b-1)의 표준화된 투과율 그래프로부터, 온도가 상승함과 동시에 자외선 내지 가시광(UV-VIS) 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)이 점차적으로 감소됨을 알 수 있다.From the standardized transmittance graph of graph (b-1) of FIG. 5, it can be seen that the dip of the local surface plasmon resonance gradually decreases in the ultraviolet to visible (UV-VIS) region as the temperature increases.

이는, 크고 명확한 형태를 가진 백금 나노 입자(Pt NP)의 형성으로 인해 점진적으로 광 흡수가 증가되기 때문이다.This is because light absorption gradually increases due to the formation of platinum nanoparticles (Pt NP) having a large and clear shape.

또한, 도 5의 그래프 (c-1)의 표준화된 소광률 그래프를 참조하면, 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기가 증가하고 형태가 명확해지면서, 쌍극성(dipolar) 백금 나노 입자에 대한 표면 플라즈몬 공명이 가시광(VIS) 영역에서 주요한 피크(major peak)를 나타내며, 4중 극성(quadrupolar) 백금 나노 입자에 대한 표면 플라즈몬 공명이 자외선(UV) 영역에서 상대적으로 부차적인 피크(minor peak)를 나타낸다.In addition, referring to the standardized extinction rate graph of graph (c-1) of FIG. 5, the size of the platinum nanoparticles (Pt NP) increases and the shape becomes clear, and the surface of the dipolar platinum nanoparticles Plasmon resonance shows a major peak in the visible light (VIS) region, and the surface plasmon resonance for quadrupolar platinum nanoparticles shows a relatively minor peak in the ultraviolet (UV) range. .

더욱이, 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기가 증가하고 형태가 명확해지면서, 온도의 증가와 함께 백금 나노 입자의 강성도 점진적으로 증가됨을 알 수 있다.Furthermore, it can be seen that as the size of the platinum nanoparticles (Pt NP) increases and the shape becomes clear, the stiffness of the platinum nanoparticles gradually increases with the increase of temperature.

한편, 도 5의 그래프 (c-1)를 참조하면, 저온 상태의 백금 나노 입자들은 작고 불규칙한 모양을 가진다.Meanwhile, referring to graph (c-1) of FIG. 5, platinum nanoparticles in a low temperature state have a small and irregular shape.

이렇게, 전반적으로 불규칙하고 작은 형태의 백금 나노 입자(Pt NP)가 사파이어(10) 기판 상에 넓게 분포되어 있으므로, 국소 표면 플라즈몬 공명의(LSPR)의 피크(peak)는 고온에서보다 저온에서 더 넓게 나타난다.In this way, since platinum nanoparticles (Pt NP) of an overall irregular and small shape are widely distributed on the sapphire 10 substrate, the peak of local surface plasmon resonance (LSPR) is wider at low temperature than at high temperature. appear.

따라서, 온도가 증가함에 따라 백금 나노 입자(Pt NP)는 보다 균일한 반구 형태를 가지게 되고, 도 5의 그래프 (b-2)와 그래프 (c-2)에 나타난 바와 같이 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 대역폭이 좁아진다.Therefore, as the temperature increases, the platinum nanoparticles (Pt NP) have a more uniform hemispherical shape, and as shown in graphs (b-2) and (c-2) of FIG. 5, local surface plasmon resonance (LSPR) ), the bandwidth is narrowed.

종래의 사파이어(10) 기판 상에 백금 박막 층만을 증착하여 백금 나노 입자(Pt NP)를 형성하는 방법에 따라 형성된 백금 나노 입자에 국소 표면 플라즈몬 공명을 적용하여 검출된 광학 스펙트럼과, 본 발명에 따른 방법을 따라 형성된 백금 나노 입자에 국소 표면 플라즈몬 공명을 적용하여 검출된 광학 스펙트럼을 서로 비교한 결과, 본 발명에 따른 방법이 종래의 방법에 비하여 좀 더 균일하며 명확히 분리된 백금 나노 입자(Pt NP)를 형성할 수 있음이 확인되었다.The optical spectrum detected by applying local surface plasmon resonance to platinum nanoparticles formed according to the method of forming platinum nanoparticles (Pt NP) by depositing only a platinum thin film layer on a conventional sapphire 10 substrate, and As a result of comparing the optical spectra detected by applying local surface plasmon resonance to platinum nanoparticles formed according to the method, the method according to the present invention is more uniform and clearly separated platinum nanoparticles (Pt NP) compared to the conventional method. It was confirmed that can be formed.

또한, 본 발명에 따라 형성된 백금 나노 입자로부터 검출된 광학 스펙트럼은 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 뚜렷하고 강한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 파장 대역(wavelength band)이 형성됨을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the optical spectrum detected from the platinum nanoparticles formed according to the present invention has a distinct and strong local surface plasmon resonance (LSPR) wavelength band in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions.

더욱이, 본 발명에 따라 백금 나노 입자를 형성할 경우, 희생 인듐(In) 층에 의해 전반적인 디웨팅 공정의 효율이 향상되어, 종래와 다르게 표면 모폴로지(morphology, 형태) 변화에 따라 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 파장 대역(wavelength band)이 변동될 수 있다.Moreover, when platinum nanoparticles are formed according to the present invention, the overall efficiency of the dewetting process is improved by the sacrificial indium (In) layer, and the local surface plasmon resonance ( LSPR) may change the wavelength band.

한편, 본 발명의 제2 및 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 구성 방법은 인듐(In)과 백금(Pt) 박막 층이 각각 서로 다른 두께를 가지도록 구성되며, 본 발명의 제1 실시 예와 동일하게 백금(Pt) 박막 층이 인듐(In) 박막 층 위에 증착되도록 구성된다.On the other hand, in the method of constructing platinum nanoparticles according to the second and third embodiments of the present invention, the indium (In) and platinum (Pt) thin film layers are configured to have different thicknesses, respectively, and the first embodiment of the present invention Likewise, a platinum (Pt) thin film layer is configured to be deposited on an indium (In) thin film layer.

이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 디웨팅 공정 및 제2 실시 예에 따른 방법에 의해 생성된 백금 나노 입자들의 형태와 특성에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of constructing platinum nanoparticles according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8. In addition, the shape and characteristics of the platinum nanoparticles generated by the dewetting process according to the second embodiment and the method according to the second embodiment will be described in detail.

한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법을 설명함에 있어서, 본 발명의 제1 실시 예와 동일하거나 중복되는 구성에 대한 설명은 생략될 수 있다.Meanwhile, in describing the method of constructing platinum nanoparticles according to the second exemplary embodiment of the present invention, a description of the same or overlapping configuration as the first exemplary embodiment of the present invention may be omitted.

도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 구성되는 것을 온도별로 측정하고 분석한 AFM 평면도, AFM 측면도, 횡단면 라인-프로파일 및 그래프들이며, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 크기 분포 히스토그램이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성을 나타내는 그래프들이다.6 is an AFM plan view, an AFM side view, a cross-sectional line-profile and graphs measured and analyzed for each temperature of the composition of platinum nanoparticles according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a second embodiment of the present invention. Is a histogram of the size distribution of platinum nanoparticles, and FIG. 8 is a graph showing optical properties of the platinum nanoparticles according to the second embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 구성 방법은, 인듐(In) 층이 15nm로 형성되고, 백금(Pt) 층이 5nm로 형성되며, 'In15nm/Pt5nm bilayer'로 표시된다.Referring to FIG. 6, in the method of constructing platinum nanoparticles according to the second embodiment of the present invention, an indium (In) layer is formed of 15 nm, a platinum (Pt) layer is formed of 5 nm, and'In 15 nm /Pt It is denoted as ' 5nm bilayer'.

본 실시 예(제2 실시 예)는 이전 실시 예(제1 실시 예)와 동일한 성장 조건하에서 동일한 백금(Pt) 층의 두께를 유지하면서, 인듐(In) 층의 두께만을 변화시킬 경우, 백금 나노 입자의 진화에 어떠한 변화가 발생하고 이에 따라 어떤 효과가 도출되는지 보여주기 위해 준비되었다.In this embodiment (the second embodiment), when the thickness of the indium (In) layer is changed while maintaining the same thickness of the platinum (Pt) layer under the same growth conditions as the previous embodiment (the first embodiment), platinum nano It is prepared to show what changes occur in the evolution of particles and what effects are produced accordingly.

도 6의 원자력 현미경(AFM)으로 촬영한 측면도 (b-1) 내지 (i-1)을 참조하면, 본 실시 예에 따라 생성된 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기, 밀도, 분포 및 공간상 배열은 이전 실시 예보다 더 다양함을 알 수 있다.Referring to the side views (b-1) to (i-1) taken with an atomic force microscope (AFM) of FIG. 6, the size, density, distribution, and spatial image of platinum nanoparticles (Pt NP) generated according to the present embodiment It can be seen that the arrangement is more diverse than in the previous embodiment.

예를 들어 도 6의 AFM 평면도 (c) 및 AFM 평면도 (d)를 참조하면, 600℃이하에서 얻어진 백금 나노 입자(Pt NP)는 600℃를 초과하여 얻어진 백금 나노 입자(Pt NP)보다 작은 크기를 가지고, 600℃를 초과하여 얻어진 백금 나노 입자(Pt NP)는 크기가 커짐에 따라 면밀도(areal density)가 감소됨을 나타내고 있다.For example, referring to the AFM plan view (c) and AFM plan view (d) of FIG. 6, the platinum nanoparticles (Pt NP) obtained at 600°C or less are smaller than the platinum nanoparticles (Pt NP) obtained at more than 600°C. It has been shown that the platinum nanoparticles (Pt NP) obtained by exceeding 600°C have a decrease in areal density as the size increases.

더욱이, 본 실시 예에 따라 증착된 인듐-백금(In-Pt) 이중 층이 디웨팅 공정을 거치면서, 특정 어닐링 온도에서 발생하는 전이(transition) 현상은 이전 실시 예보다 명확히 구별되고 동적이다.Moreover, as the indium-platinum (In-Pt) double layer deposited according to the present embodiment undergoes a dewetting process, a transition phenomenon occurring at a specific annealing temperature is clearly distinguished and dynamic than in the previous embodiment.

이는, 두께가 증가된 인듐(In) 층에 의해 인듐(In) 및 백금(Pt) 원자를 포함하는 금속 원자가 전역 확산(global diffusion)되는 현상이 촉진되었기 때문이다. This is because the phenomenon of global diffusion of metal atoms including indium (In) and platinum (Pt) atoms is promoted by the indium (In) layer having an increased thickness.

한편, 본 실시 예에서는 이중 층을 구성하는 각 인듐(In) 및 백금(Pt) 박막 층의 초기 두께가 변화됨에 따라, 디웨팅 공정의 효율도 이전 실시 예에 비하여 더 향상되었다.Meanwhile, in this embodiment, as the initial thickness of each of the indium (In) and platinum (Pt) thin film layers constituting the double layer is changed, the efficiency of the dewetting process is further improved compared to the previous embodiment.

즉, 본 실시 예는 이전 실시 예와 비교할 경우, 백금(Pt) 층의 두께가 동일하지만, 인듐(In) 층의 두께 및 그 성분 비율이 이전 실시 예에 비하여 3배 증가하였으므로, 두꺼워진 인듐(In) 층에 의해 이전 실시 예보다 더 신속하게 디웨팅 공정이 마무리될 수 있다.That is, in this embodiment, compared to the previous embodiment, the thickness of the platinum (Pt) layer is the same, but the thickness of the indium (In) layer and its component ratio are increased three times compared to the previous embodiment, so that the thickened indium ( The dewetting process can be finished more quickly than in the previous embodiment by the In) layer.

본 실시 예에 따라 백금 나노 입자를 형성하는 방법은 이전 실시 예에 비하여 인듐(In) 층의 두께를 더욱 두껍게 함으로써, 인듐(In) 원자의 상호 확산을 향상시키고, 디웨팅 공정 시, 인듐-백금(In-Pt) 이중 층으로 구성된 합금에서 인듐(In)과 백금(Pt) 양 원자의 전반적인 확산을 향상시켜 전체적인 디웨팅 공정의 효율을 대폭 상승시켰다.The method of forming platinum nanoparticles according to the present embodiment increases the interdiffusion of indium (In) atoms by increasing the thickness of the indium (In) layer compared to the previous embodiment, and during the dewetting process, indium-platinum In the alloy composed of (In-Pt) double layers, the overall diffusion of both indium (In) and platinum (Pt) atoms was improved, greatly increasing the efficiency of the overall dewetting process.

본 실시 예에서는 디웨팅 공정 시, 보이드(void, 공극)가 핵화되면(nucleated), 두꺼워진 인듐(In) 층에 의해 확산하는 금속 원자들의 축적이 빠르게 진행되며, 인듐(In) 원자의 승화 역시 빠르게 진행되므로, 본 실시 예에 따른 디웨팅 공정은 이전 실시 예에 비하여 매우 빠르게 진행된다.In this embodiment, when a void (void) is nucleated during the dewetting process, the accumulation of metal atoms diffused by the thickened indium (In) layer proceeds rapidly, and the sublimation of the indium (In) atom is also Since it proceeds quickly, the dewetting process according to the present exemplary embodiment proceeds very quickly compared to the previous exemplary embodiment.

이와 같이 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법은 빠르게 진행되는 디웨팅 공정 때문에, 이전 실시 예에 비하여 훨씬 낮은 온도에서도 잘 정의된 백금 나노 입자(Pt NP)가 형성될 수 있다.As described above, in the method of constructing the platinum nanoparticles according to the present embodiment, due to the rapidly proceeding dewetting process, well-defined platinum nanoparticles (Pt NP) may be formed even at a much lower temperature than in the previous embodiment.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 6의 AFM 평면도(AFM top-views) (b) 내지 (d)에서 볼 수 있듯이, 작은 백금 나노 입자와 보이드(void)는 550℃부터 700℃까지 온도가 증가하면서 크고 컴팩트(compact)한 백금 나노 입자로 급격하게 발전한다.In more detail, as can be seen in the AFM top-views (b) to (d) of FIG. 6, the small platinum nanoparticles and voids are large as the temperature increases from 550°C to 700°C. It rapidly develops into compact platinum nanoparticles.

특히, 도 6의 AFM 평면도(AFM top-views) (b)를 참조하면, 550℃에서 작은 백금 나노 입자는 고밀도 상태이며, 인듐-백금(In-Pt) 이중 층으로 구성된 합금 상태에서 인듐(In)과 백금(Pt) 원자들의 상호 확산성이 향상된다. In particular, referring to the AFM top-views (b) of FIG. 6, small platinum nanoparticles at 550° C. are in a high-density state, and indium-platinum (In-Pt) in an alloy state composed of a double layer. ) And platinum (Pt) atoms are mutually diffusible.

또한, 온도가 증가함에 따라 인듐(In) 원자가 승화되면서, 즉각적으로 백금 나노 입자의 핵이 형성 및/또는 생성된다.In addition, as the temperature increases, indium (In) atoms are sublimated, and nuclei of platinum nanoparticles are immediately formed and/or generated.

본 실시 예에서 작은 백금 나노 입자들은 인접한 백금 나노 입자들과 유착하여 성장하며, 길이가 연장된 돔(elongated-dome) 형태를 가지는 백금 나노 입자들(Pt NPs)을 형성한다.In this embodiment, the small platinum nanoparticles grow by adhering to adjacent platinum nanoparticles, and form platinum nanoparticles (Pt NPs) having an elongated-dome shape.

이러한 돔 형태의 백금 나노 입자들의 크기는 온도가 증가함에 따라 점진적으로 증가한다.The size of these dome-shaped platinum nanoparticles gradually increases as the temperature increases.

한편, 돔 형태의 백금 나노 입자의 크기가 증가할수록 밀도는 감소된다.Meanwhile, as the size of the dome-shaped platinum nanoparticles increases, the density decreases.

도 6의 횡단면-라인 프로파일 (b-1) 내지 횡단면-라인 프로파일 (d-1)에는, 본 실시 예에 따라 형성되는 백금 나노 입자(Pt NP)의 형태 및 백금 나노 입자에 대한 횡단면-라인 프로파일이 도시되어 있다.In the cross-section-line profile (b-1) to the cross-section-line profile (d-1) of FIG. 6, the shape of the platinum nanoparticles (Pt NP) formed according to the present embodiment and the cross-section-line profile of the platinum nanoparticles Is shown.

도 6의 횡단면-라인 프로파일 (b-1) 내지 횡단면-라인 프로파일 (d-1)을 참조하면, 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 높이는 온도가 증가하면서 ~5nm에서 20nm로 증가하고, 직경이 ~50 nm에서 200nm까지 증가되었음을 알 수 있다.Referring to the cross-sectional-line profile (b-1) to the cross-sectional-line profile (d-1) of FIG. 6, the height of the platinum nanoparticles (Pt NPs) increases from ~5 nm to 20 nm as the temperature increases, and the diameter increases. It can be seen that the increase was increased from ~50 nm to 200 nm.

이전 실시 예와 비교할 때, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 평균 높이는 거의 비슷하게 형성되었지만, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 측면 직경은 이전 실시 예에 비하여 약 2배 정도 증가하여, 이전 실시 예에 비해 백금 나노 입자의 좀 더 우월한 측면 성장을 보여준다.Compared with the previous embodiment, the average height of the platinum nanoparticles according to the present embodiment was formed to be almost the same, but the side diameter of the platinum nanoparticles according to the present embodiment increased about twice as compared to the previous example, and the previous example Compared to the platinum nanoparticles show a more superior lateral growth.

결과적으로 도 6의 AFM 평면도 (f) 내지 AFM 평면도 (i)에서 보듯이, 온도가 750에서 900℃로 증가하면서, 불규칙하게 배열된 커다란 백금 나노 입자들은 점차적으로 넓게 이격된 반구형 백금 나노 입자들로 변형된다.As a result, as shown in the AFM plan view (f) to the AFM plan view (i) of FIG. 6, as the temperature increases from 750 to 900° C., the irregularly arranged large platinum nanoparticles gradually become hemispherical platinum nanoparticles spaced widely apart. Transformed.

또한, 불규칙하게 배열된 커다란 백금 나노 입자들의 직경은 점차적으로 줄어드는 반면, 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 형태가 반구형(semi-spherical configuration)으로 진화하면서 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 수직 높이가 높아진다.In addition, while the diameter of the irregularly arranged large platinum nanoparticles gradually decreases, the shape of the platinum nanoparticles (Pt NPs) evolved into a semi-spherical configuration, and the vertical height of the platinum nanoparticles (Pt NPs). Becomes higher.

즉, 도 6에 도시된 횡단면-라인 프로파일 (b-1) 내지 횡단면-라인 프로파일 (d-1)에서 볼 수 있듯이, 백금 나노 입자들의 평균 높이는 온도가 증가함에 따라 ~30nm에서 45nm로 증가했지만, 오히려 직경은 ~150nm에서 120nm로 약간 감소했다.That is, as can be seen from the cross-sectional-line profile (b-1) to the cross-sectional-line profile (d-1) shown in FIG. 6, the average height of the platinum nanoparticles increased from -30 nm to 45 nm as the temperature increased, Rather, the diameter decreased slightly from ~150nm to 120nm.

이는, 백금 나노 입자들(Pt NPs)이 열적 안정성을 얻기 위해, 이전 실시 예에 비하여 백금 나노 입자의 수직 높이가 우월하게 수직 성장한다. 이렇게 수직 높이가 커진 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 표면 및 계면 에너지는 최소화된다.This is, in order for the platinum nanoparticles (Pt NPs) to obtain thermal stability, the vertical height of the platinum nanoparticles is superior to that of the previous embodiment, and vertically grown. The surface and interface energy of the platinum nanoparticles (Pt NPs) having an increased vertical height are minimized.

또한, 이전 실시 예와 비교하여 본 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 입자는 전체 밀도가 감소되었지만, 그 크기는 증가하였다. 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 크기 분포 히스토그램을 볼 수 있으며, 이전 실시 예와 비교하여 그 크기가 얼마나 더 커졌는지 알 수 있다.In addition, compared to the previous example, the platinum nanoparticles formed according to this example had a reduced overall density, but their size increased. Referring to FIG. 7, a histogram of the size distribution of platinum nanoparticles (Pt NPs) according to the present embodiment can be viewed, and compared with the previous embodiment, it can be seen how much the size is larger.

한편, 도 6의 그래프 (j)에 나타난 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 Rq 값은 3nm에서 10nm로 증가하고, SAR 값은 1%에서 12%로 각각 가파르게 증가함을 알 수 있다.Meanwhile, as shown in graph (j) of FIG. 6, it can be seen that as the temperature increases, the Rq value increases from 3 nm to 10 nm, and the SAR value increases steeply from 1% to 12%, respectively.

본 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 입자에 존재하는 원자들은, 도 8의 그래프 (a)에 나타난 EDS 스펙트럼 결과에 의해 확인할 수 있다.Atoms present in the platinum nanoparticles formed according to this embodiment can be confirmed by the EDS spectrum result shown in graph (a) of FIG. 8.

도 8의 그래프 (a)를 참조하면, 본 실시 예는 이전 실시 예보다 3배 더 두꺼운 15nm 두께의 인듐(In) 층을 사용하여, 이전 실시 예에 비하여 고온에서 더 역동적인 디웨팅 공정이 진행됨을 알 수 있다.Referring to the graph (a) of FIG. 8, this embodiment uses an indium (In) layer with a thickness of 15 nm that is three times thicker than the previous embodiment, and a more dynamic dewetting process is performed at a high temperature compared to the previous embodiment. Can be seen.

도 8의 그래프 (b)에서 볼 수 있듯이, 인듐(In) 원자를 나타내는 In Lα1는 550℃ 내지 800℃ 사이에서 관찰되었지만, 800℃ 이상에서는 In Lα1이 완전히 사라져, In Lα1를 관찰할 수 없다.As can be seen from the graph (b) of FIG. 8, In Lα1 representing an indium (In) atom was observed between 550°C and 800°C, but at 800°C or higher, In Lα1 completely disappears, and In Lα1 cannot be observed.

이는 소량의 인듐(In)이 최대 800℃까지 백금 나노 입자(NP) 안에 존재할 수 있다는 것을 의미한다.This means that a small amount of indium (In) can be present in the platinum nanoparticles (NP) up to 800°C.

백금(Pt) 증착량은 도 8의 그래프 (b)에 나타난 Pt Mα1를 통해 알 수 있듯이, 거의 모든 온도 대역에서 일정하게 그 함량이 유지되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 이전 실시 예의 EDS 스펙트럼 결과와 유사하다.As can be seen from the Pt Mα1 shown in the graph (b) of FIG. 8, the amount of platinum (Pt) deposited can be confirmed that the content is kept constant in almost all temperature bands, which is similar to the EDS spectrum result of the previous example. Do.

한편, 도 8의 그래프 (c) 내지 그래프 (e)에 각각 도시된 반사율, 투과율 및 소광률을 참조할 때, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자는 이전 실시 예와 비교하여, 다양한 광학적 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.On the other hand, when referring to the reflectance, transmittance, and extinction coefficient shown in graphs (c) to (e) of FIG. 8, respectively, the platinum nanoparticles according to the present embodiment have various optical properties compared to the previous embodiment. You can see that there is.

본 실시 예에서 백금 나노 입자(Pt NP)의 직경은 적어도 170nm 이상으로 이전 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 평균 직경보다 크며, 각 백금 나노 입자들이 기판상에서 서로 넓게 분산되어 떨어져 있으므로, 이전 실시 예에 비하여 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성은 다양하게 나타난다.In this embodiment, the diameter of the platinum nanoparticles (Pt NP) is at least 170nm or more, which is larger than the average diameter of the platinum nanoparticles according to the previous embodiment, and since each platinum nanoparticles are widely dispersed and separated from each other on the substrate, according to the previous embodiment. In contrast, the optical properties of the platinum nanoparticles according to the present embodiment appear variously.

이전 실시 예에 비하여 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자(Pt NP)의 진화는 기판 상에 증착된 인듐(In) 성분이 많음에 따라 더 역동적으로 변화되었으며, 550℃부터 900℃까지 어닐링된 인듐-백금(In-Pt) 이중 층을 이용하여 생성한 백금 나노 입자에 대한 광학적 특성을 살펴보면 이전 실시 예와 비교하여 더 명확하게 변화된 광학적 특성을 알 수 있다.Compared to the previous embodiment, the evolution of platinum nanoparticles (Pt NP) according to this embodiment has been more dynamically changed as the number of indium (In) components deposited on the substrate is increased, and indium annealed from 550°C to 900°C- Looking at the optical properties of the platinum nanoparticles produced by using the platinum (In-Pt) double layer, it can be seen that the optical properties changed more clearly compared to the previous embodiment.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 8의 그래프 (c)는 반사율을 나타내는 그래프로써, ~320nm의 자외선(UV) 영역에서의 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프를 나타내고 있고, 450nm 내지 600nm 사이의 가시광(VIS) 영역에서도 마찬가지로 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프를 보여주고 있다.Looking more specifically, graph (c) of FIG. 8 is a graph showing reflectance, showing a graph of a shoulder pattern in the ultraviolet (UV) region of ~320 nm, and visible light (VIS) between 450 nm and 600 nm. ) Area also shows a graph of the shoulder pattern.

본 발명에 따른 백금 나노 입자(Pt NP)에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)은 후방 산란으로 인해 크게 영향을 받을 수 있는데, 이것은 반사율 그래프에서 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프로 나타나며, 본 실시 예에서는, 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프가 나타나고 있다.Local surface plasmon resonance (LSPR) for platinum nanoparticles (Pt NP) according to the present invention can be greatly affected by backscattering, which is represented by a graph of a shoulder pattern in the reflectance graph, and this embodiment In, a graph of a shoulder pattern in the ultraviolet (UV) and visible light (VIS) regions is shown.

도 8의 그래프 (c)를 참조하면, 900℃보다 낮은 온도인 550℃에서 어닐링된 인듐-백금(In-Pt) 이중 층을 이용하여 사파이어(10) 기판 상에 형성된 백금 나노 입자의 경우, 백금 나노 입자(Pt NP)의 형태 및 분포 균일성이 향상됨에 따라, 가시광(VIS) 영역에서 비교적 좁게 나타났던 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프가 점차 온도가 상승하면서 훨씬 더 넓은 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프로 나타나고 있다.Referring to the graph (c) of FIG. 8, in the case of platinum nanoparticles formed on a sapphire 10 substrate using an indium-platinum (In-Pt) double layer annealed at 550°C, which is a temperature lower than 900°C, platinum As the shape and distribution uniformity of nanoparticles (Pt NP) improves, the graph of the shoulder pattern, which appeared relatively narrow in the visible light (VIS) region, gradually increased in temperature, resulting in a much wider shoulder pattern. It is shown as a graph of.

도 8의 그래프 (d)를 참조하면, 백금 나노 입자의 투과율을 나타내는 그래프에서 쌍극성(dipolar)과 4중 극성(quadrupolar) 백금 나노 입자에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)들을 각각 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 명확하게 확인할 수 있다.Referring to the graph (d) of FIG. 8, in the graph showing the transmittance of platinum nanoparticles, dips of local surface plasmon resonance for dipolar and quadrupolar platinum nanoparticles are respectively converted to ultraviolet ( UV) and visible light (VIS) are clearly visible.

한편, 도 8의 투과율 그래프 (d)를 살펴보면, 백금 나노 입자(Pt NP)의 표면 형태가 어떻게 형성되는지 관계없이, 4중 극성 백금 나노 입자(quadrupolar Pt NP)에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크(peak)와 딥(dip) 경향은 이전 실시 예와 동일한 것으로 나타난다.On the other hand, looking at the transmittance graph (d) of FIG. 8, regardless of how the surface shape of the platinum nanoparticles (Pt NP) is formed, the peak of the local surface plasmon resonance for the quadrupolar platinum nanoparticles (quadrupolar Pt NP) ( peak) and dip trends are shown to be the same as in the previous embodiment.

그러나 도 8의 투과율 그래프 (d)를 살펴보면, 쌍극성 백금 나노 입자(dipolar Pt NP)에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)은 이전 실시 예와 비교하여 현저하게 변화됨을 알 수 있다.However, looking at the transmittance graph (d) of FIG. 8, it can be seen that the dip of the local surface plasmon resonance for the dipolar platinum nanoparticles (dipolar Pt NP) is significantly changed compared to the previous example.

즉, 도 8의 그래프 (c) 내지 그래프 (e)를 참조하면, 쌍극성 백금 나노 입자(dipolar Pt NP)에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)은 이전 실시 예에 비해, 근적외선(NIR) 영역으로 전이(transition)되었다.That is, referring to the graphs (c) to (e) of FIG. 8, the dip of the local surface plasmon resonance for the dipolar platinum nanoparticles (dipolar Pt NP) is compared with the previous embodiment, near infrared (NIR) Transition to the realm.

또한, 550

Figure 112019072861985-pat00007
내지 600
Figure 112019072861985-pat00008
의 비교적 낮은 온도에서 어닐링된 인듐-백금(In-Pt) 이중 층을 이용하여 사파이어(10) 기판 상에 형성된 백금 나노 입자(Pt NP)는 사파이어(10) 기판상의 넓은 영역에 분포되어 있으므로, 쌍극성 백금 나노 입자에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크(peak)는 넓게 나타나다가, 온도가 고온으로 증가하면서 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기가 커지고 형상의 균일성이 개선되면서 피크의 폭이 크게 좁아지는 것으로 나타난다.Also, 550
Figure 112019072861985-pat00007
To 600
Figure 112019072861985-pat00008
The platinum nanoparticles (Pt NP) formed on the sapphire 10 substrate by using an indium-platinum (In-Pt) double layer annealed at a relatively low temperature of are distributed over a large area on the sapphire 10 substrate, The peak of the local surface plasmon resonance for the polar platinum nanoparticles appears wide, and as the temperature increases to a high temperature, the size of the platinum nanoparticles (Pt NP) increases and the shape uniformity improves, resulting in a significantly narrower peak. Appears to lose.

도 8의 그래프 (c-1) 내지 그래프 (e-2)에는, 본 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 입자(Pt NP)에 대한 광학적 특성을 표준화된 반사율, 투과율 및 소광률로 나타내고 있다.In graphs (c-1) to (e-2) of FIG. 8, optical properties of platinum nanoparticles (Pt NP) formed according to the present embodiment are represented by standardized reflectance, transmittance, and extinction coefficient.

도 8의 그래프 (c-1) 내지 그래프 (e-2)는 본 실시 예의 백금 나노 입자(Pt NP)가 진화됨에 따라 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이 어떻게 나타나는지에 대한 추세를 나타내고 있다.Graphs (c-1) to (e-2) of FIG. 8 show trends in how local surface plasmon resonance (LSPR) appears as the platinum nanoparticles (Pt NP) of the present embodiment evolve.

도 8의 그래프 (c-1)에 나타난 바와 같이, 표준화된 반사율을 나타내는 그래프에서 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프는 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 나타나고 있다.As shown in graph (c-1) of FIG. 8, in the graph representing the standardized reflectance, the graph of the shoulder pattern is shown in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions.

또한, 온도가 점차적으로 증가함에 따라 가시광(VIS) 영역에서 나타난 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프는 짧은 파장으로 구성된다. In addition, as the temperature gradually increases, the graph of the shoulder pattern appearing in the visible light (VIS) region is composed of a short wavelength.

이는 온도가 증가하면서, 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기가 증가하고 형태의 균일성이 향상되었기 때문이다.This is because as the temperature increases, the size of the platinum nanoparticles (Pt NP) increases and the uniformity of the shape is improved.

한편, 온도가 증가함에 따라 도 8의 그래프 (d-1)는, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 딥(dip)은 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 더 깊고, 길게 연장되는 것으로 나타난다.On the other hand, as the temperature increases, the graph (d-1) of FIG. 8 shows that the dip of local surface plasmon resonance (LSPR) extends deeper and longer in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions. .

특히, 도 8의 그래프 (e)에 나타난 바와 같이, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 소광률에 대한 그래프에서, 4중 극성 및 쌍극성 백금 나노 입자의 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크(peak)는 각각 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 나타난다.In particular, as shown in the graph (e) of FIG. 8, in the graph of the extinction rate of the platinum nanoparticles according to the present embodiment, the peak of the local surface plasmon resonance of the quadratic and bipolar platinum nanoparticles is They appear in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions, respectively.

또한, 특정 어닐링 온도에서 측정된 백금 나노 입자의 평균 반사율 (R)과 투과율 (T)은 도 8의 그래프 (f)에 나타나 있다.In addition, the average reflectance (R) and transmittance (T) of the platinum nanoparticles measured at a specific annealing temperature are shown in the graph (f) of FIG. 8.

도 8의 그래프 (f)를 참조하면, 온도가 증가하면서 백금 나노 입자(Pt NP)의 표면 피복률이 점차적으로 감소됨에 따라, 백금 나노 입자의 투과율은 감소하고 반사율은 점진적으로 증가하는 추세를 나타낸다.Referring to the graph (f) of FIG. 8, as the temperature increases and the surface coverage of the platinum nanoparticles (Pt NP) gradually decreases, the transmittance of the platinum nanoparticles decreases and the reflectance gradually increases. .

한편, 본 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 근적외선(NIR) 영역에서 낮은 소광률을 나타내는 것은, 백금 나노 입자의 높은 투과율과 상대적으로 낮은 국소 표면 플라즈몬 공명의 흡수에 기인한다.Meanwhile, the fact that the platinum nanoparticles according to the present embodiment exhibit a low extinction rate in the near infrared (NIR) region is due to the high transmittance of the platinum nanoparticles and relatively low absorption of local surface plasmon resonance.

이는, 서로 넓은 간격을 두고 더 크고 뚜렷한 형태를 가지도록 형성되는 백금 나노 입자(Pt NP)의 광 흡수 강도가 점차적으로 향상되기 때문이다.This is because the light absorption intensity of platinum nanoparticles (Pt NP) formed to have a larger and distinct shape with a wide distance from each other is gradually improved.

결과적으로, 도 8의 그래프 (e-1)에 도시된 바와 같이, 백금 나노 입자(Pt NP)의 소광률을 나타내는 그래프에서, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 피크(peak) 강도는 향상되었음을 알 수 있다.As a result, as shown in graph (e-1) of FIG. 8, in a graph showing the extinction rate of platinum nanoparticles (Pt NP), it was found that the peak intensity of local surface plasmon resonance (LSPR) was improved. I can.

도 8의 그래프 (e-1)을 참조하면, 표준화된 소광률을 나타내는 그래프에서, 쌍극성 백금 나노 입자의 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크가 4중 극성 백금 나노 입자의 국소 표면 플라즈몬 공명의 피크보다 백금 나노 입자(Pt NP)의 형태 변화에 더 민감하게 반응하는 것이 나타난다.Referring to the graph (e-1) of FIG. 8, in the graph showing the standardized extinction rate, the peak of the local surface plasmon resonance of the bipolar platinum nanoparticles is higher than the peak of the local surface plasmon resonance of the quadratic platinum nanoparticles. It appears that the nanoparticles (Pt NP) react more sensitively to changes in shape.

도 8의 그래프 (d-2) 및 그래프 (e-2)에 도시된 바와 같이, 온도의 증가와 함께 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기 및 형태 균일성이 개선되면서, 백금 나노 입자에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 파장 대역(wavelength band)은 실질적으로 좁혀졌다.As shown in graphs (d-2) and (e-2) of FIG. 8, the size and shape uniformity of platinum nanoparticles (Pt NP) are improved with an increase in temperature, while localization for platinum nanoparticles The wavelength band of surface plasmon resonance (LSPR) has been substantially narrowed.

이전 실시 예와 비교할 때, 본 실시 예에서는 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기 및 모양이 더 개선되었으므로, 백금 나노 입자(Pt NP)의 분포도 및 확산성이 개선되었으며, 특히 본 실시 예에서는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 파장 대역(wavelength band)이 이전 실시 예보다 좁혀지는 효과가 있었다.Compared with the previous example, in this example, the size and shape of the platinum nanoparticles (Pt NP) were further improved, so the distribution and diffusivity of the platinum nanoparticles (Pt NP) were improved. There was an effect that the wavelength band of plasmon resonance (LSPR) was narrowed compared to the previous embodiment.

또한, 본 제2 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법은 백금(Pt) 층의 두께가 일정하게 유지하면서, 인듐(In) 층의 두께만을 변화시켜 전반적인 디웨팅 효율을 향상시키고, 백금 나노 입자의 광학적 특성을 변화시킬 수 있다.In addition, the method of constructing the platinum nanoparticles according to the second embodiment improves the overall dewetting efficiency by changing only the thickness of the indium (In) layer while maintaining a constant thickness of the platinum (Pt) layer. It can change the optical properties of the particles.

더욱이, 본 실시 예에 따른 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 디웨팅 공정을 실시할 경우, 종래의 백금(Pt) 박막 층만을 증착한 기판에 디웨팅(dewetting, 탈젖음 또는 비젖음) 공정을 실시하는 경우와는 대조적으로, 인듐(In) 성분의 도입에 의해 전체적인 디웨팅 과정의 효율이 현저히 향상되고, 균일성이 개선된 백금 나노 입자(Pt NP)를 생성 및 제조할 수 있다.Moreover, when the dewetting process is performed on the indium-platinum (In-Pt) double layer according to the present embodiment, dewetting (dewetting, dewetting or non-wetting) is performed on a substrate on which only a conventional platinum (Pt) thin film layer is deposited. In contrast to the case of performing the process, the efficiency of the overall dewetting process is remarkably improved by the introduction of the indium (In) component, and platinum nanoparticles (Pt NP) with improved uniformity can be produced and manufactured.

이하에서는, 도 9 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 디웨팅 공정 및 제3 실시 예에 따른 방법에 의해 생성된 백금 나노 입자들의 형태와 특성에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of constructing platinum nanoparticles according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 10. In addition, the shape and characteristics of the platinum nanoparticles generated by the dewetting process according to the third embodiment of the present invention and the method according to the third embodiment will be described in detail.

한편, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자를 구성하는 방법을 설명함에 있어서, 본 발명의 제1 실시 예와 동일하거나 중복되는 구성에 대한 설명은 생략될 수 있다.Meanwhile, in describing the method of constructing platinum nanoparticles according to the third embodiment of the present invention, a description of the same or overlapping configuration as the first embodiment of the present invention may be omitted.

도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자가 구성되는 것을 온도별로 측정하고 분석한 AFM 평면도, AFM 측면도, 횡단면 라인-프로파일 및 그래프들이며, 도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 광학적 특성을 나타내는 그래프들이다.9 is an AFM plan view, an AFM side view, a cross-sectional line-profile and graphs measured and analyzed for each temperature of the composition of platinum nanoparticles according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a third embodiment of the present invention. These are graphs showing the optical properties of platinum nanoparticles.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 구성 방법은 15nm의 백금(Pt) 층이 5nm의 인듐(In) 층 위에 증착되며, 'In5nm/Pt15nm bilayer'로 표시된다.In the method of constructing platinum nanoparticles according to the third embodiment of the present invention, a 15 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 5 nm indium (In) layer, and is expressed as'In 5 nm /Pt 15 nm bilayer'.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 백금 나노 입자의 구성 방법은 본 발명의 제1 실시 예와 동일하게 인듐(In) 층의 두께를 5nm로 유지하면서, 백금(Pt) 층의 두께만을 기존 실시 예(제1 실시 예)에 비해 3배 더 두껍게 한 15nm의 두께로 이중 층을 형성한다.Referring to FIG. 9, the method of constructing platinum nanoparticles according to the third embodiment of the present invention is similar to the first embodiment of the present invention, while maintaining the thickness of the indium (In) layer at 5 nm, the platinum (Pt) layer The double layer is formed with a thickness of 15 nm, which is three times thicker than the existing embodiment (first embodiment).

본 발명의 제3 실시 예에서는 이렇게 백금(Pt) 층의 두께만을 두껍게 하여 백금 나노 클러스터(Pt nano cluster, 백금 나노 군집체)로 진화되는 과정과 방법을 보여준다.In the third embodiment of the present invention, the process and method of evolving into a platinum nano cluster (Pt nano cluster) by thickening only the platinum (Pt) layer in this manner are shown.

본 실시 예(제3 실시 예)는 기존 실시 예(제1 실시 예)와 동일한 성장 조건에서 인듐(In) 층의 두께를 기존 실시 예와 동일하게 유지한 채로, 백금(Pt) 층의 두께만 변화시켜, 백금(Pt) 성분의 증가가 백금 나노 입자 또는 백금 나노 클러스터(Pt nano cluster)의 진화에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 준비되었다.In this embodiment (third embodiment), only the thickness of the platinum (Pt) layer is maintained while maintaining the same thickness of the indium (In) layer as in the previous embodiment under the same growth conditions as the previous embodiment (the first embodiment). By changing, it was prepared to see how the increase in the platinum (Pt) component affects the evolution of platinum nanoparticles or platinum nanoclusters.

백금(Pt) 박막 층의 두께만 변화시킨 본 실시 예의 이중 층을 이용하여 백금 나노 클러스터를 생성하고 진화시키는 과정과 방법은 이전 실시 예의 그것들과 비교하여 크게 다르다.The process and method of generating and evolving platinum nanoclusters using the double layer of this embodiment in which only the thickness of the platinum (Pt) thin film layer is changed are significantly different compared to those of the previous embodiment.

도 9의 AFM 평면도(AFM top-views) (a) 내지 (f)에는 다양한 백금(Pt) 나노 클러스터의 성장 단계가 나타나 있다.AFM top-views (a) to (f) of FIG. 9 show various stages of growth of platinum (Pt) nanoclusters.

본 실시 예에서는 i) 보이드 핵(void nuclear)의 생성 및 성장 및 ii) 서로 불규칙하게 연결된 백금 나노 클러스터의 형성을 관찰할 수 있으며, 최종적으로는 iii) 백금 나노 클러스터가 분해되어 불규칙하게 분산 격리된 백금 나노 입자가 형성되는 과정도 가능하다.In this embodiment, i) generation and growth of void nuclei and ii) formation of platinum nanoclusters irregularly connected to each other can be observed, and finally, iii) platinum nanoclusters are decomposed and randomly dispersed and isolated. The process of forming platinum nanoparticles is also possible.

본 실시 예에서 인듐-백금(In-Pt) 이중 층의 전체 두께는 이전 실시 예들과 동일하지만, 백금(Pt) 성분의 함량이 대폭 증가되었으므로 전반적인 디웨팅 공정에 대한 효율이 변화되었다. In this embodiment, the total thickness of the indium-platinum (In-Pt) double layer is the same as in the previous embodiments, but since the content of the platinum (Pt) component is significantly increased, the overall efficiency for the dewetting process is changed.

본 실시 예에서, 인듐(In) 층의 두께는 이전 실시 예와 동일하게 5nm의 두께를 가지고 있는 반면, 백금(Pt) 층의 두께는 5nm에서 15nm로 3배 증가하였다. 따라서, 본 실시 예는 디웨팅 공정 및 효율이 동적이던 이전 실시 예들과는 다르게, 디웨팅 공정 및 효율에 대한 안정성이 향상되었다.In this embodiment, the thickness of the indium (In) layer has a thickness of 5 nm as in the previous embodiment, while the thickness of the platinum (Pt) layer increases three times from 5 nm to 15 nm. Therefore, in this embodiment, unlike the previous embodiments in which the dewetting process and efficiency were dynamic, the stability of the dewetting process and efficiency was improved.

한편, 백금(Pt) 층의 두께가 증가함에 따라, 인듐(In) 및 백금(Pt) 원자 각각이 상호 확산되는 정도, 인듐-백금(In-Pt)의 합금화 및 전체 금속 원자가 확산되는 정도는 이전 실시 예들에 비해서 낮아졌다. On the other hand, as the thickness of the platinum (Pt) layer increases, the degree to which each of the indium (In) and platinum (Pt) atoms are mutually diffuse, the degree of alloying of indium-platinum (In-Pt), and the degree of diffusion of all metal atoms are previously It was lowered compared to the examples.

따라서, 본 실시 예는 이전 실시 예들과 비교하여, 서로 동일한 온도에서 디웨팅 효율이 더 떨어진다.Accordingly, the present embodiment is more inferior in dewetting efficiency at the same temperature as the previous embodiments.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 9의 AFM 평면도 (a)에 도시된 바와 같이, 550℃에서 크기가 작은 백금 나노 입자와 보이드(void)가 형성되면서 사파이어(10) 기판의 표면이 거칠어진다.In more detail, as shown in the AFM plan view (a) of FIG. 9, the surface of the sapphire 10 substrate becomes rough as platinum nanoparticles and voids having a small size at 550° C. are formed.

크기가 작은 백금 나노 입자의 높이는 3nm 미만이지만, 도 9의 그래프 (a-1)에 나타난 바와 같이, 무작위 이방성 확산 현상을 보이는 일부 백금 나노 입자는 예기치 않게 백금 나노 입자의 높이가 8nm까지 성장했다.Although the height of the small platinum nanoparticles is less than 3 nm, as shown in the graph (a-1) of FIG. 9, some platinum nanoparticles exhibiting a random anisotropic diffusion phenomenon unexpectedly grew to 8 nm in height.

한편, 온도가 증가함에 따라, 인듐(In) 원자 승화율뿐만 아니라 백금(Pt) 원자를 포함한 전반적인 모든 금속 원자의 표면 확산율도 증가된다.Meanwhile, as the temperature increases, not only the sublimation rate of indium (In) atoms but also the surface diffusion rate of all metal atoms including platinum (Pt) atoms increases.

결과적으로, 도 9의 AFM 평면도 (b) 및 도 9의 AFM 측면도 (b-1)에 나타난 바와 같이, 650℃에서 백금(Pt) 원자의 표면 확산 및 인듐(In) 원자의 승화가 증가하여 보이드(void)가 성장하고, 인접한 보이드(void)들 간의 유착에 의해 디웨팅(dewetting) 공정이 더 진전된다.As a result, as shown in the AFM plan view (b) of FIG. 9 and the AFM side view (b-1) of FIG. 9, surface diffusion of platinum (Pt) atoms and sublimation of indium (In) atoms increase at 650° C. The (void) grows, and the dewetting process is further advanced by adhesion between adjacent voids.

또한, 도 9의 AFM 평면도 (d)에 나타난 바와 같이, 보이드(void)들은 750℃에서 서로 거의 합쳐져서 사파이어(10) 기판상의 순수한 사파이어(10) 영역이 많이 노출되었으며, ~50nm의 평균 높이를 가지고 불규칙하게 연결된 네트워크 형태의 백금 나노 클러스터가 형성된다.In addition, as shown in the AFM plan view (d) of FIG. 9, the voids were almost merged with each other at 750° C. to expose a lot of pure sapphire 10 regions on the sapphire 10 substrate, and had an average height of -50 nm. Platinum nanoclusters in the form of irregularly connected networks are formed.

본 실시 예에서도, 보이드(void, 공극)의 성장 과정은 금속 박막 층과 사파이어(10) 사이의 계면 에너지 최소화에 의해 유도된다.In this embodiment as well, the process of growing voids is induced by minimizing the interface energy between the metal thin film layer and the sapphire 10.

한편, 온도가 900

Figure 112019072861985-pat00009
로 증가하면, 도 9의 AFM 평면도 (f)에 나타난 바와 같이, 표면 에너지 이방성과 백금 나노 클러스터 주변부의 레일리형(Rayleigh-like) 불안정성으로 인하여, 서로 연결된 백금 나노 클러스터가 불규칙하게 분산 격리된 백금 나노 입자로 분열된다.Meanwhile, the temperature is 900
Figure 112019072861985-pat00009
As shown in the AFM plan view (f) of FIG. 9, due to the surface energy anisotropy and Rayleigh-like instability around the platinum nanoclusters, platinum nanoclusters connected to each other are irregularly dispersed and isolated platinum nanoparticles. Breaks into particles.

이와 같이, 불규칙하게 분산 격리된 백금 나노 입자의 경우, 백금 나노 입자 간 간격이 증가함과 동시에 컴팩트한 크기와 형태를 가지게 되어, 자연스럽게 표면 에너지와 계면 에너지가 감소된다.As described above, in the case of the irregularly dispersed and isolated platinum nanoparticles, the spacing between the platinum nanoparticles increases and at the same time has a compact size and shape, so that surface energy and interfacial energy are naturally reduced.

도 9의 AFM 측면도 (a-1) 내지 AFM 측면도 (f-1)는 특정 온도에서 백금 나노 입자의 표면 형태가 진화되는 과정을 구체적으로 표현하였다.The AFM side view (a-1) to the AFM side view (f-1) of FIG. 9 specifically represent the evolution of the surface morphology of the platinum nanoparticles at a specific temperature.

도 9의 AFM 측면도 (a-1) 내지 AFM 측면도 (f-1) 각각에 대한 횡단면-라인 프로파일은 백금 나노 클러스터의 크기와 모양을 보여준다.A cross-sectional line profile for each of the AFM side view (a-1) to the AFM side view (f-1) of FIG. 9 shows the size and shape of the platinum nanoclusters.

우선, 도 9의 AFM 측면도 (a-1) 내지 AFM 측면도 (f-1)를 참조하면, 본 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 입자는, 기존 실시 예에 비하여, 수직 높이 및 측면 길이가 각각 550℃에서 약 5배 증가하고, 900℃에서 10배 증가하였다.First, referring to the AFM side view (a-1) to the AFM side view (f-1) of FIG. 9, the platinum nanoparticles formed according to this embodiment have a vertical height and a side length of 550° C., respectively, compared to the previous embodiment. It increased about 5 times at and 10 times at 900°C.

또한, 도 9의 그래프 (g) 및 그래프 (h)를 참조하면, 백금 나노 입자(Pt NPs)의 진화와 함께 Rq 값 및 SAR 값 역시 점진적으로 증가되었다.In addition, referring to graphs (g) and (h) of FIG. 9, Rq values and SAR values gradually increased with the evolution of platinum nanoparticles (Pt NPs).

다만, 도 9의 그래프 (h)를 참조하면, 백금 나노 클러스터의 평균 표면 피복률의 급격한 감소로 인해, SAR 값은 750℃ 이상에서 약간 감소하는 추세를 나타낸다.However, referring to the graph (h) of FIG. 9, due to the rapid decrease in the average surface coverage of the platinum nanoclusters, the SAR value shows a tendency to slightly decrease at 750°C or higher.

또한, 도 9의 그래프 (i)를 참조하면, 디웨팅 공정 이후 사파이어(10) 기판 및 백금 나노 클러스터에 대하여 EDS 스펙트럼 분석을 한 결과, 백금(Pt) 원자 Pt Mα1와 기판 원자만이 검출됨을 확인할 수 있다. 즉, 인듐(In) 원자는 디웨팅 공정을 거치면서 모두 승화되었음을 알 수 있다.In addition, referring to the graph (i) of FIG. 9, after the dewetting process, EDS spectrum analysis was performed on the sapphire 10 substrate and the platinum nanocluster, confirming that only the platinum (Pt) atom Pt Mα1 and the substrate atom were detected. I can. That is, it can be seen that all of the indium (In) atoms are sublimated through the dewetting process.

본 실시 예는 인듐(In) 증착량이 이전 실시 예(제2 실시 예)보다 3배 낮았으며, 인듐(In) 원자는 도 9의 그래프 (i) EDS 스펙트럼 결과에 의해 확인된 바와 같이 전혀 검출되지 않았으므로, 사파이어(10) 기판상으로부터 완전히 승화되었음을 알 수 있다.In this embodiment, the deposition amount of indium (In) was three times lower than that of the previous embodiment (the second embodiment), and the indium (In) atom was not detected at all as confirmed by the graph (i) EDS spectrum result of FIG. Therefore, it can be seen that the sapphire 10 is completely sublimated from the substrate.

도 10은 본 실시 예에 따른 백금 나노 클러스터의 광학 특성을 반사율, 투과율 및 소광률로 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing optical properties of platinum nanoclusters according to the present embodiment in terms of reflectance, transmittance, and extinction rate.

도 10의 그래프를 참조하면, 본 실시 예에 따른 백금 나노 클러스터의 광학적 특성은 이전 실시 예(제2 실시 예)와 대조적이며, 매우 다양함을 알 수 있다. Referring to the graph of FIG. 10, it can be seen that the optical properties of the platinum nanocluster according to the present embodiment are in contrast to the previous embodiment (the second embodiment) and are very diverse.

이는, 이전 실시 예(제2 실시 예)에서는 작고 고립되고 구형인 백금 나노 입자(Pt NP)가 기판 위에 형성되었지만, 본 실시 예(제3 실시 예)에서는 백금 나노 입자들이 서로 연결되어 백금 나노 클러스터를 구성하고 있기 때문이다.This is, in the previous embodiment (second embodiment), small, isolated and spherical platinum nanoparticles (Pt NP) were formed on the substrate, but in this embodiment (third embodiment), platinum nanoparticles are connected to each other to form a platinum nanocluster. This is because it constitutes.

예를 들어, 도 10의 그래프 (a)를 참조하면, 본 실시 예에 따른 백금 나노 클러스터의 반사율 그래프에서, 백금 나노 클러스터의 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)은 ~495nm의 가시광(VIS) 영역과 ~320nm의 자외선(UV) 영역에서 명확하게 나타난다.For example, referring to graph (a) of FIG. 10, in the reflectance graph of the platinum nanocluster according to the present embodiment, a dip of the local surface plasmon resonance of the platinum nanocluster is a visible light (VIS) region of ~495 nm It is clearly seen in the ultraviolet (UV) region of and ~320nm.

이는, 규칙적으로 균일하게 분산 격리된 백금 나노 입자로 구성된 이전 실시 예(제2 실시 예)와 본 실시 예(제3 실시 예)를 비교할 때, 본 실시 예에서 관찰 가능한 낱알 형태의 보이드(void) 및 서로 연결되어 크게 형성되는 백금 나노 클러스터가 갖는 광학적 특성이 이전 실시 예의 광학적 특성과 차이가 있음을 보여주는 것이다.This is, when comparing the previous example (the second example) and the present example (third example) composed of platinum nanoparticles that are regularly uniformly dispersed and isolated, a grain-shaped void that can be observed in this example. And it shows that the optical properties of the platinum nanoclusters that are largely formed by being connected to each other are different from the optical properties of the previous embodiment.

본 실시 예에서는 쌍극성, 4중 극성 및 고차 모드(higher order mode, HR)를 포함하는 다양한 다극성(multipoles) 백금 나노 클러스터의 국소 표면 플라즈몬에 대한 여기(excitation)가 광자의 상호 작용에 의해 발생될 수 있으므로, 이전 실시 예와 비교하여 이러한 광학적 특성의 차이가 발생하는 것이다.In this embodiment, excitation of local surface plasmons of various multipoles platinum nanoclusters including bipolar, quadrupole, and higher order mode (HR) is generated by the interaction of photons. As compared to the previous embodiment, the difference in optical properties occurs.

한편, 본 실시 예에 따라 형성된 백금 나노 클러스터는 평균 폭 500nm을 유지하며, 높이 30nm인 상태에서 백금 나노 입자들이 서로 연결되어 있다. On the other hand, the platinum nanoclusters formed according to the present embodiment maintain an average width of 500 nm, and platinum nanoparticles are connected to each other while the height is 30 nm.

단일 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도하기 위해, 반사율 그래프의 가시광(VIS) 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)에 해당되는 다양한 다극성(Multipoles)들이 서로 중첩될 수 있다.In order to induce a single local surface plasmon resonance phenomenon, various multipoles corresponding to a dip of local surface plasmon resonance in the visible light (VIS) region of the reflectance graph may overlap each other.

한편, 자외선(UV) 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)은 전자들의 대역(band) 간 전이(transition)뿐만 아니라 고차 공명 모드(Higher order Resonance mode, HR)에도 기여할 수 있다.On the other hand, a dip of local surface plasmon resonance in the ultraviolet (UV) region may contribute to a higher order resonance mode (HR) as well as a transition between bands of electrons.

본 실시 예에서 반사율 그래프에 나타나는 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)은, 다중 극성 공명(Multipoles Resonance, MR)으로 인해 백금 나노 입자가 향상된 광자 흡수력을 보이는 현상 및/또는 전방 산란 현상과 상관 관계가 있다.In this embodiment, the dip of the local surface plasmon resonance shown in the reflectance graph is correlated with the phenomenon that the platinum nanoparticles exhibit improved photon absorption and/or the forward scattering phenomenon due to the multipoles resonance (MR). have.

또한, 본 실시 예에서는 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기가 이전 실시 예에 비하여 크기 때문에, 다중 극성 공명(Multipoles Resonance, MR) 모드가 다른 모드에 비해 더 현저한 효과를 나타낸다.In addition, in this embodiment, since the size of the platinum nanoparticles (Pt NP) is larger than in the previous embodiment, the Multipoles Resonance (MR) mode exhibits a more remarkable effect than other modes.

도 10의 그래프 (b)에 나타난 투과율은, 이전 실시 예와 구별되는 특징으로, 자외선(UV) 영역 ~320nm와 가시광(VIS) 영역 ~485nm에서 숄더 패턴(shoulder pattern)의 그래프를 나타낸다.The transmittance shown in the graph (b) of FIG. 10 is a characteristic distinguishing from the previous embodiment, and shows a graph of a shoulder pattern in the ultraviolet (UV) region ~320nm and the visible light (VIS) region ~485nm.

본 실시 예에 있어, 투과율 그래프에서 이러한 숄더 패턴(shoulder pattern)이 나타나는 이유는, 크기가 큰 백금 나노 클러스터의 다중 극성 공명(Multipoles Resonance, MR) 모드로 인해 빛의 전방 산란 현상이 발생하기 때문이다.In this embodiment, the reason why such a shoulder pattern appears in the transmittance graph is that forward scattering of light occurs due to the multipoles resonance (MR) mode of the large platinum nanocluster. .

도 10의 그래프 (b)를 참조할 때, 900℃에서 불규칙하게 분산 격리된 백금 나노 입자(Pt NP)가 형성되면, 투과율 그래프에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)은 가시광(VIS) 영역에 나타나고, 이전 실시 예와 비교하여 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip)이 쉽게 이동됨을 알 수 있다.Referring to the graph (b) of FIG. 10, when platinum nanoparticles (Pt NP) are irregularly dispersed and isolated at 900°C, the dip of the local surface plasmon resonance in the transmittance graph is in the visible light (VIS) region. Appears, and it can be seen that the dip of the local surface plasmon resonance is easily shifted compared to the previous example.

한편, 본 실시 예에 따라 불규칙하게 분산 격리되어 형성된 백금 나노 입자(Pt NP)도 이전 실시 예와 마찬가지로, 가시광(VIS) 영역에서의 광 흡수는 향상되지만, 오히려 전방 산란은 감소됨을 알 수 있다.Meanwhile, it can be seen that the platinum nanoparticles (Pt NP) formed by irregular dispersion and isolation according to the present embodiment also improve light absorption in the visible light (VIS) region, but rather reduce forward scattering, as in the previous embodiment.

도 10의 그래프 (a-1)와 그래프 (b-1)에 각각 나타난 것과 같이, 본 실시 예는 이전 실시 예와 유사하게, 백금 나노 입자(Pt NP)의 표면 피복율이 감소함과 동시에 평균 반사율(R)은 감소하고 투과율(T)은 증가하는 현상을 보인다.As shown in each of the graphs (a-1) and (b-1) of FIG. 10, this embodiment is similar to the previous embodiment, while the surface coverage of the platinum nanoparticles (Pt NP) decreases and the average The reflectance (R) decreases and the transmittance (T) increases.

도 10의 그래프 (c)를 참조하면, 소광률 그래프에서, 다중(MR) 및 고차 공명(HR) 모드의 백금 나노 클러스터에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명 피크(peak)는 각각 가시광(VIS) 영역에서 좁게 나타나고, 자외선(UV) 영역에서는 피크(peak)가 넓게 나타났다.Referring to the graph (c) of FIG. 10, in the extinction rate graph, the local surface plasmon resonance peaks for the platinum nanoclusters in the multiple (MR) and high-order resonance (HR) modes are narrowed in the visible light (VIS) region, respectively. Appeared, and the peak appeared wide in the ultraviolet (UV) region.

한편, 본 실시 예에서는 사파이어(10) 기판상에서 백금 나노 클러스터가 넓게 분포되어 있음과 동시에 서로 연결되어 있기 때문에, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 피크(peak)는 이전 실시 예와 비교하여 전반적으로 더 넓게 나타난다.On the other hand, in this embodiment, since the platinum nanoclusters are widely distributed and connected to each other on the sapphire 10 substrate, the peak of local surface plasmon resonance (LSPR) is generally more than that of the previous embodiment. Appears widely.

도 10의 그래프 (a-2)를 참조하면, 표준화된 반사율을 나타내는 그래프에서, 온도가 증가함에 따라 다중 극성 백금 나노 클러스터에 대한 국소 표면 플라즈몬 공명의 딥(dip) 강도가 점진적으로 증가됨을 알 수 있다.Referring to the graph (a-2) of FIG. 10, in the graph showing the standardized reflectance, it can be seen that the dip intensity of the local surface plasmon resonance for the multi-polar platinum nanocluster gradually increases as the temperature increases. have.

이는, 온도의 증가에 따라 백금 나노 입자(Pt NP)가 진화하면서 후방 산란이 증가되기 때문이다.This is because backscattering increases as platinum nanoparticles (Pt NP) evolve with increasing temperature.

또한, 표준화된 투과율을 나타내는 그래프인 도 10의 그래프 (b-2)를 참조하면, 넓게 분포되어 서로 연결된 백금 나노 클러스터가 점차 백금 나노 입자(Pt NP)로 격리됨으로써 전방 산란이 감소하고 광 흡수가 증가하는 것을 알 수 있다.In addition, referring to the graph (b-2) of FIG. 10, which is a graph showing the standardized transmittance, widely distributed and connected platinum nanoclusters are gradually isolated into platinum nanoparticles (Pt NP), thereby reducing forward scattering and reducing light absorption. You can see it increases.

도 10의 그래프 (c-1)을 참조하면, 높은 피복율을 가지고 사파이어(10) 기판상 넓게 분포되어 서로 연결된 백금 나노 클러스터가 디웨팅 공정을 거치면서, 점진적으로 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 전반적인 효과가 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to the graph (c-1) of FIG. 10, platinum nanoclusters that are widely distributed on the sapphire 10 substrate and connected to each other with a high coverage rate undergo a dewetting process, and gradually show local surface plasmon resonance (LSPR). It can be seen that the overall effect is improved.

이렇게 본 실시 예의 방법에 따라 형성된 백금 나노 입자는 이전 실시 예와 비교하여 가시광(VIS) 영역에서 향상된 광 흡수 및 산란을 보여준다.As compared with the previous example, the platinum nanoparticles formed according to the method of the present embodiment show improved light absorption and scattering in the visible light (VIS) region.

도 10의 그래프 (c-2)를 참조하면, 분리된 백금 나노 입자들(Pt NPs)에 의해 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 피크(peak)가 더 좁게 나타난다.Referring to graph (c-2) of FIG. 10, the peak of local surface plasmon resonance (LSPR) appears narrower by the separated platinum nanoparticles (Pt NPs).

이는, 분리된 백금 나노 입자들(Pt NPs)의 형성이 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 피크 대역폭(peak band-width)에도 영향을 미침을 의미한다.This means that the formation of separated platinum nanoparticles (Pt NPs) also affects the peak band-width of local surface plasmon resonance (LSPR).

즉, 본 발명은 백금 나노 입자를 사파이어(10) 기판 상에 형성하기 위해, 99.999% 순도의 ±0.1° 오프셋(offset)된 C면 사파이어(10) 기판을 ~430㎛ 두께로 양면 연마하고, 기판을 펄스 레이저 증착 챔버(PLD)에서 다이싱(dicing) 및 탈기(degassed)하여, 탈기된 상기 기판을 스퍼터 챔버에서 인듐-백금의 이중 층으로 증착한 뒤, 인듐-백금의 이중 층이 증착된 사파이어(10) 기판을 어닐링(annealing)하기 위해 다시 펄스 레이저 증착 챔버에 재배치시켜 어닐링하고, 어닐링된 인듐-백금이 증착된 기판을 디웨팅한다.That is, in order to form platinum nanoparticles on the sapphire 10 substrate, the present invention polishes both sides of the C-side sapphire 10 substrate offset by ±0.1° of 99.999% purity to a thickness of ~430 μm, and the substrate Dicing and degassing in a pulsed laser deposition chamber (PLD), depositing the degassed substrate as a double layer of indium-platinum in a sputter chamber, and then depositing sapphire with a double layer of indium-platinum (10) In order to anneal the substrate, it is repositioned in a pulsed laser deposition chamber to anneal, and the annealed indium-platinum deposited substrate is dewetted.

사파이어(10) 기판이 다이싱 및 탈기 될 때, 펄스 레이저 증착 챔버 내부는 1×10-4 Torr 및 600℃의 조건으로 설정되고, 이러한 조건하에서 기판이 30분 동안 펄스 레이저 증착 챔버 내부에 유지된다.When the sapphire 10 substrate is diced and degassed, the inside of the pulsed laser deposition chamber is set to conditions of 1×10 -4 Torr and 600°C, and the substrate is held inside the pulsed laser deposition chamber for 30 minutes under these conditions. .

또한, 사파이어(10) 기판이 증착될 때, 스퍼터 챔버의 내부는 1×10-1 Torr로 설정된다.Further, when the sapphire 10 substrate is deposited, the interior of the sputter chamber is set to 1×10 −1 Torr.

그리고 사파이어 기판이 증착될 때, 5mA 이온화 전류에서 0.05nm/s의 증착 속도로 인듐(In) 및 백금(Pt)이 각각 사파이어(10) 기판에 순차적으로 증착된다.And when the sapphire substrate is deposited, indium (In) and platinum (Pt) are sequentially deposited on the sapphire 10 substrate at a deposition rate of 0.05 nm/s at 5 mA ionization current.

이때, 컴퓨터 프로그램을 이용하여, 인듐(In) 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 분 단위로 조절할 수 있다.At this time, by using a computer program, it is possible to adjust the deposition time of indium (In) and platinum (Pt) in minutes, respectively.

또한, 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절함으로써, 인듐(In) 및 백금(Pt)의 박막 두께를 각각 조절할 수 있다. In addition, thin film thicknesses of indium (In) and platinum (Pt) may be respectively adjusted by controlling the deposition time of indium (In) and the deposition time of platinum (Pt).

인듐-백금의 이중 층이 증착된 사파이어(10) 기판은 펄스 레이저 증착 챔버에 재배치되어 어닐링(annealing)되며, 사파이어(10) 기판이 펄스 레이저 증착 챔버에 재배치될 때, 펄스 레이저 증착 챔버 내부 압력은 1×10-4 Torr 이하로 낮춰진다.The sapphire 10 substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited is rearranged in the pulsed laser deposition chamber and annealed. When the sapphire 10 substrate is rearranged in the pulsed laser deposition chamber, the pressure inside the pulsed laser deposition chamber is It is lowered to less than 1×10 -4 Torr.

인듐-백금의 이중 층이 증착된 사파이어(10) 기판이 어닐링 된 뒤, 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도는 4℃ sec-1의 온도 상승 속도로 상승되며, 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 550℃ 내지 900℃ 사이의 특정 목표 온도에 도달하도록 설정되어 디웨팅 공정이 진행된다. After the sapphire (10) substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited is annealed, the temperature inside the pulsed laser deposition chamber is increased at a rate of 4℃ sec -1, and the temperature inside the pulsed laser deposition chamber is 550℃. The dewetting process is set to reach a specific target temperature between to 900°C.

디웨팅 공정 시, 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 550℃ 내지 900℃ 사이의 특정 목표 온도에 도달하면, 사파이어(10) 기판은 그 목표 온도에서 450초 동안 유지된다.During the dewetting process, when the temperature inside the pulsed laser deposition chamber reaches a specific target temperature between 550°C and 900°C, the sapphire 10 substrate is maintained at that target temperature for 450 seconds.

인듐-백금의 이중 층이 증착된 사파이어(10) 기판이 디웨팅 공정을 마치면, 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 낮아지도록 가열 시스템의 작동이 중지되며, 디웨팅 공정 시와 동일한 진공 상태를 유지하며 펄스 레이저 증착 챔버 내부가 주변 대기에 의해 시간의 경과에 따라 자연 냉각될 수 있도록 한다.When the sapphire (10) substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited finishes the dewetting process, the operation of the heating system is stopped so that the temperature inside the pulsed laser deposition chamber decreases, and the same vacuum state as during the dewetting process is maintained. It allows the interior of the pulsed laser deposition chamber to be naturally cooled over time by the ambient atmosphere.

본 발명은 이와 같이, 희생 인듐(In) 층 위에 연속적으로 증착된 백금(Pt) 층에 대한 써멀 디웨팅(Thermal dewetting, 열적 탈젖음) 공정을 통해, 다양한 모양, 크기 및 형상을 가지는 백금 나노 입자(Pt NP)들로 이루어진 백금 나노 구조(Pt Nano Matrix)를 생성하는 방법에 대한 것이다.The present invention provides platinum nanoparticles having various shapes, sizes and shapes through a thermal dewetting (thermal dewetting) process for a platinum (Pt) layer continuously deposited on a sacrificial indium (In) layer. It is about a method of generating a platinum nano matrix consisting of (Pt NP).

본 발명에 따른 백금 나노 입자(Pt NP)는 쌍극성(dipole), 4중 극성(quadrupole) 및 고차 공진 모드의 여기를 기반으로 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 파장 대역(wavelength band)이 역동적으로 나타난다. Platinum nanoparticles (Pt NP) according to the present invention are based on excitation of dipole, quadrupole, and high-order resonance modes, and local surface plasmon resonance (LSPR) in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions. ) Of the wavelength band (wavelength band) appears dynamically.

좀 더 구체적으로, 균일한 형태 및 입자 간 간격을 갖는 다양한 크기의 백금 나노 입자(Pt NP)에 의해 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)의 파장 대역(wavelength band)은 ~480nm 및 ~580nm로 조정된다.More specifically, the wavelength band of local surface plasmon resonance (LSPR) is adjusted to ~480nm and ~580nm by platinum nanoparticles (Pt NP) of various sizes having a uniform shape and interparticle spacing.

한편, 본 발명은 인듐(In)보다 낮은 확산성을 가진 백금(Pt)이 디웨팅 과정을 거치면서 기판 표면에서 형성되는 나노 입자(NP)의 형태를 제어하기 위해, 희생 인듐(In)을 사용한다.Meanwhile, the present invention uses sacrificial indium (In) to control the shape of nanoparticles (NP) formed on the substrate surface while platinum (Pt) having a diffusivity lower than indium (In) undergoes a dewetting process. do.

즉, 희생 인듐(In)은 기판 표면에서의 백금 나노 입자(Pt NP)에 대한 모폴로지(morphology)를 제어할 수 있도록 한다. That is, the sacrificial indium (In) makes it possible to control the morphology of the platinum nanoparticles (Pt NP) on the substrate surface.

또한, 본 발명에서, 희생 인듐(In) 층은 인듐(In) 및 백금(Pt) 원자들의 상호 혼합을 유발하고, 백금 나노 구조(Pt Nano Matrix)의 전반적인 확산성 및 균일성을 향상시킨다.In addition, in the present invention, the sacrificial indium (In) layer causes mutual mixing of indium (In) and platinum (Pt) atoms, and improves the overall diffusivity and uniformity of the platinum nano matrix.

그리고 백금층 두께를 일정하게 유지하면서 인듐(In) 층 두께를 조절하여, 형성되는 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기, 간격 및 밀도를 쉽게 조절할 수 있다.In addition, by adjusting the thickness of the indium (In) layer while maintaining a constant thickness of the platinum layer, the size, spacing, and density of the formed platinum nanoparticles (Pt NP) can be easily controlled.

또한, 본 실시 예에 따른 디웨팅 공정은, 종래 백금(Pt) 박막만을 증착한 기판에 대한 디웨팅 공정에 비하여, 상대적으로 낮은 온도에서 진행되며, 어닐링 공정 시, 박막(film, 필름)의 두께, 어닐링 온도 및 지속 시간의 변화에 의해 다양한 형태의 백금 나노 입자(Pt NP)들로 이루어진 백금 나노 구조(Pt Nano Matrix)를 생성할 수 있다.In addition, the dewetting process according to the present embodiment is performed at a relatively low temperature compared to the dewetting process for a substrate on which only a platinum (Pt) thin film is deposited, and during the annealing process, the thickness of the thin film (film) , A platinum nano-structure (Pt Nano Matrix) composed of various types of platinum nano particles (Pt NP) may be generated by varying the annealing temperature and duration.

본 발명에 따라 형성된 다양한 형태의 백금 나노 입자(Pt NP)들은 백금 나노 클러스터, 길쭉한 백금 나노 입자 및 반구형 백금 나노 입자를 포함한다.Various types of platinum nanoparticles (Pt NP) formed according to the present invention include platinum nanoclusters, elongated platinum nanoparticles, and hemispherical platinum nanoparticles.

또한, 본 발명에 따라 백금 나노 입자를 형성하는 방법은 다른 모든 성장 조건들을 동일하게 하고, 오직 희생 인듐(In) 층의 두께만을 변화시킴으로써 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기 및 백금 나노 입자(Pt NP) 간 간격을 조정할 수 있다.In addition, in the method of forming platinum nanoparticles according to the present invention, the size of platinum nanoparticles (Pt NP) and the size of platinum nanoparticles (Pt NP) are changed by making all other growth conditions the same and changing only the thickness of the sacrificial indium (In) layer. NP) interval can be adjusted.

또한, 본 발명에 따라 형성된 다양한 형태의 백금 나노 입자는 반사율, 투과율 및 소광률을 포함하는 광학적 특성이 백금 나노 입자(Pt NP)의 크기 및 구성에 따라 다양하게 변화할 수 있으며, 이로 인해 충분한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 효과를 도출할 수 있다.In addition, the various types of platinum nanoparticles formed according to the present invention may have various optical properties including reflectance, transmittance, and extinction coefficient depending on the size and composition of the platinum nanoparticles (Pt NP). Surface Plasmon Resonance (LSPR) effects can be derived.

특히, 본 발명은 희생 인듐(In) 층을 사용한 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 디웨팅 공정을 수행함으로써, 다양한 크기 및 간격을 갖는 백금 나노 입자(Pt NP)를 얻을 수 있으며, 전반적인 디웨팅 공정의 효율의 향상을 도모할 수 있다. In particular, the present invention can obtain platinum nanoparticles (Pt NP) having various sizes and intervals by performing a dewetting process on an indium-platinum (In-Pt) double layer using a sacrificial indium (In) layer. It is possible to improve the efficiency of the dewetting process.

더욱이, 본 발명은 희생 인듐(In) 층을 도입하여, 온도가 증가함과 동시에, 인듐(In) 원자는 승화에 의해 완전히 분리시키고, 형태 균일성이 향상되고 독립적인 백금 나노 입자(Pt NP)의 발달을 촉진함으로써, 디웨팅(dewetting) 공정의 효율에 상당한 영향을 미쳤다.Moreover, the present invention introduces a sacrificial indium (In) layer, and at the same time as the temperature increases, the indium (In) atoms are completely separated by sublimation, the shape uniformity is improved, and independent platinum nanoparticles (Pt NP) By promoting the development of the dewetting (dewetting) process had a significant effect on the efficiency.

이는, 인듐(In) 성분이 인듐(In)과 백금(Pt) 원자의 상호 확산을 촉진시키고, 인듐-백금(In-Pt) 합금화에 의해 전반적으로 금속 원자의 확산성을 크게 향상시켰기 때문이다.This is because the indium (In) component promotes the mutual diffusion of indium (In) and platinum (Pt) atoms, and greatly improves the diffusivity of metal atoms as a whole by indium-platinum (In-Pt) alloying.

또한, 본 발명에 따른 방법은, 종래의 방법보다 상대적으로 낮은 저온에서 뚜렷한 형상을 가지고 균일하게 분포된 백금 나노 입자(Pt NP)의 형성이 가능함을 보여 주었다.In addition, the method according to the present invention has shown that it is possible to form platinum nanoparticles (Pt NP) uniformly distributed with a distinct shape at a relatively low temperature compared to the conventional method.

특히, 본 발명에 따른 백금 나노 입자(Pt NP)는 종래 백금 나노 입자(Pt NP)보다 크기가 커지고 형상이 균일해지면서, 백금 나노 입자의 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 대역폭이 다양해지고, 광의 흡수가 강화되었으며, 자외선(UV) 및 가시광(VIS) 영역에서 역동적인 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 특성을 나타낸다.In particular, the platinum nanoparticles (Pt NP) according to the present invention have a larger size and uniform shape than that of the conventional platinum nanoparticles (Pt NP), so that the local surface plasmon resonance (LSPR) bandwidth of the platinum nanoparticles is varied, and the absorption of light Is enhanced and exhibits dynamic local surface plasmon resonance (LSPR) properties in the ultraviolet (UV) and visible (VIS) regions.

무엇보다 본 발명은, 다른 모든 성장 조건을 동일하게 유지한 채, 인듐-백금 이중 층에서 인듐(In)과 백금(Pt)의 두께만을 개별적으로 변화시킴으로써 백금 나노 입자(Pt NP)의 다양한 구조, 형태, 크기 및 밀도를 얻는 것이 가능하며, 이를 바탕으로, 백금 나노 입자 제조 공정 중에 백금(Pt) 박막의 고온 처리를 종래보다 쉽게 진행할 수 있다. 또한, 본 발명은 다양한 백금 나노 구조 제조를 가능하게 한다. Above all, the present invention provides various structures of platinum nanoparticles (Pt NP) by individually changing only the thickness of indium (In) and platinum (Pt) in an indium-platinum double layer while keeping all other growth conditions the same, It is possible to obtain the shape, size, and density, and based on this, high-temperature treatment of the platinum (Pt) thin film during the platinum nanoparticle manufacturing process can be performed more easily than before. In addition, the present invention enables the manufacture of various platinum nanostructures.

마지막으로, 본 발명은 백금 나노 입자(Pt NP)의 제조뿐만 아니라 플라즈몬 매개 광학, 전자 및 촉매 시스템을 위한 다른 금속 나노 구조의 제조에 응용할 수 있다.Finally, the present invention can be applied not only to the production of platinum nanoparticles (Pt NP), but also to the production of other metal nanostructures for plasmon mediated optical, electronic, and catalytic systems.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. Although the embodiments of the present invention have been described in more detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

10: 사파이어10: sapphire

Claims (14)

기판이 펄스 레이저 증착 챔버(PLD)에서 다이싱(dicing) 및 탈기(degassed)되는 단계;
탈기된 상기 기판을 스퍼터 챔버에서 인듐-백금의 이중 층으로 증착하는 단계;
상기 인듐-백금의 이중 층이 증착된 기판이 상기 펄스 레이저 증착 챔버에 재배치되어 상기 인듐-백금의 이중 층이 증착된 기판이 어닐링(annealing)되는 단계; 및
상기 펄스 레이저 증착 챔버에서 상기 인듐-백금의 이중 층이 증착된 기판을 디웨팅하는 단계를 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
Dicing and degassing the substrate in a pulsed laser deposition chamber (PLD);
Depositing the degassed substrate as a double layer of indium-platinum in a sputter chamber;
Annealing the substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited by rearranging the substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited in the pulsed laser deposition chamber; And
Comprising the step of dewetting the substrate on which the double layer of indium-platinum is deposited in the pulsed laser deposition chamber, forming platinum nanoparticles through dewetting on the double layer of indium-platinum (In-Pt) in a solid state How to.
청구항 1에 있어서,
상기 다이싱 및 탈기되는 단계는,
상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부가 1Х10-4 Torr 및 600℃의 조건으로 설정되고, 이러한 조건하에서 상기 기판이 30분 동안 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부에 유지되는 제A 단계, 를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
The dicing and degassing step,
Step A in which the pulsed laser deposition chamber is set to a condition of 1Х10 -4 Torr and 600°C, and the substrate is maintained in the pulsed laser deposition chamber for 30 minutes under such conditions, further comprising, in a solid state Method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on an indium-platinum (In-Pt) double layer.
청구항 1에 있어서,
상기 다이싱 및 탈기되는 단계 이전에,
상기 기판이 ~430㎛ 두께로 양면 연마되는 단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
Before the dicing and degassing step,
A method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid state indium-platinum (In-Pt) double layer, further comprising the step of polishing the substrate to a thickness of ~430 μm.
청구항 1에 있어서,
상기 기판은 ±0.1° 오프셋(offset)된 C면 사파이어로 구성되는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
The substrate is composed of ±0.1° offset C-plane sapphire, a solid state indium-platinum (In-Pt) method of forming platinum nanoparticles through dewetting on a double layer.
청구항 1에 있어서,
상기 증착하는 단계는,
상기 스퍼터 챔버의 내부가 1×10-1 Torr로 설정되는 제B 단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
The depositing step,
A method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid state indium-platinum (In-Pt) double layer, further comprising step B in which the inside of the sputter chamber is set to 1×10 −1 Torr.
청구항 1에 있어서,
상기 증착하는 단계는,
상기 탈기된 기판에 5mA 이온화 전류에서 0.05nm/s의 증착 속도로 인듐(In) 및 백금(Pt) 순서로 각각의 박막을 증착하는 제C 단계; 및
상기 인듐(In) 및 백금(Pt)을 각각 증착하는 시간을 분 단위로 조절하는 제D 단계;를 더 포함하고,
상기 제D 단계는,
인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하여 상기 인듐(In) 및 백금(Pt)의 박막 두께를 각각 조절하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
The depositing step,
A step C of depositing each thin film in the order of indium (In) and platinum (Pt) on the degassed substrate at a deposition rate of 0.05 nm/s at 5 mA ionization current; And
A step D of controlling the deposition time of each of the indium (In) and platinum (Pt) in minutes; further comprising,
The D step,
Indium-Platinum (In-Pt) in a solid state, which controls the thickness of the indium (In) and platinum (Pt) thin films by controlling the deposition time of indium (In) and the deposition time of platinum (Pt), respectively Method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a double layer.
청구항 6에 있어서,
상기 제D 단계는,
5nm의 백금(Pt) 층이 5nm의 인듐(In) 층 위에 증착되도록 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하는 제D-1단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method of claim 6,
The D step,
Solid state further comprising step D-1 of respectively controlling a time when indium (In) is deposited and a time when platinum (Pt) is deposited so that a 5 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 5 nm indium (In) layer Method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on the indium-platinum (In-Pt) double layer of the state.
청구항 6에 있어서,
상기 제D 단계는,
5nm의 백금(Pt) 층이 15nm의 인듐(In) 층 위에 증착되도록 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하는 제D-2단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method of claim 6,
The D step,
Solid state further comprising step D-2 of respectively controlling a time when indium (In) is deposited and a time when platinum (Pt) is deposited so that a 5 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 15 nm indium (In) layer Method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on the indium-platinum (In-Pt) double layer of the state.
청구항 6에 있어서,
상기 제D 단계는,
15nm의 백금(Pt) 층이 5nm의 인듐(In) 층 위에 증착되도록 인듐(In)이 증착되는 시간 및 백금(Pt)이 증착되는 시간을 각각 조절하는 제D-3단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method of claim 6,
The D step,
Solid state further comprising step D-3 of respectively controlling a time when indium (In) is deposited and a time when platinum (Pt) is deposited so that a 15 nm platinum (Pt) layer is deposited on a 5 nm indium (In) layer Method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on the indium-platinum (In-Pt) double layer of the state.
청구항 1에 있어서,
상기 어닐링되는 단계는,
상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 압력을 1×10-4 Torr 이하로 낮추는 제E 단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
The annealing step,
Constructing platinum nanoparticles through dewetting on the solid state indium-platinum (In-Pt) double layer, further comprising the step E of lowering the pressure inside the pulsed laser deposition chamber to 1×10 −4 Torr or less How to.
청구항 1에 있어서,
상기 어닐링되는 단계는,
상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도를 4℃ sec-1의 온도 상승 속도로 상승시키는 제F 단계; 및
상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 550℃ 내지 900℃ 사이의 특정 목표 온도에 도달하는 제G 단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
The annealing step,
A step F of increasing the temperature inside the pulsed laser deposition chamber at a temperature increase rate of 4° C. sec -1 ; And
Platinum through dewetting on the solid state indium-platinum (In-Pt) double layer, further comprising a G-th step in which the temperature inside the pulsed laser deposition chamber reaches a specific target temperature between 550°C and 900°C How to construct nanoparticles.
청구항 11에 있어서,
상기 제G 단계 이후,
상기 기판이 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부에서 450초 동안 유지되는 제H 단계를 더 포함하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method of claim 11,
After the G step,
The method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid state indium-platinum (In-Pt) double layer, further comprising an H-th step in which the substrate is maintained in the pulsed laser deposition chamber for 450 seconds.
청구항 12에 있어서,
상기 어닐링되는 단계에서 상기 어닐링은 컴퓨터 프로그램에 의해 제어되는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method of claim 12,
In the annealing step, the annealing is controlled by a computer program, a method of forming platinum nanoparticles through dewetting on a solid state indium-platinum (In-Pt) double layer.
청구항 1에 있어서,
상기 디웨팅하는 단계 이후,
상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 온도가 낮아지도록 가열 시스템의 작동을 중지하는 단계를 더 포함하며,
상기 가열 시스템의 작동을 중지하는 단계는,
상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 진공 상태를 상기 디웨팅하는 단계의 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부의 진공 상태와 동일하게 유지하며, 상기 펄스 레이저 증착 챔버 내부를 대기에 의해 시간의 경과에 따라 자연 냉각하여 온도가 낮아지도록 하는, 고체 상태의 인듐-백금(In-Pt) 이중 층에 대한 디웨팅을 통하여 백금 나노 입자를 구성하는 방법.
The method according to claim 1,
After the dewetting step,
Stopping the operation of the heating system to lower the temperature inside the pulsed laser deposition chamber,
Stopping the operation of the heating system,
The vacuum state inside the pulsed laser deposition chamber is maintained the same as the vacuum state inside the pulsed laser deposition chamber in the dewetting step, and the inside of the pulsed laser deposition chamber is naturally cooled with the passage of time by the atmosphere to A method of constructing platinum nanoparticles through dewetting on a solid state of indium-platinum (In-Pt) double layer so that is lowered.
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