KR102497161B1 - 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 합성방법 및 이를 이용한 표면증강 라만산란 분석방법 - Google Patents
다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 합성방법 및 이를 이용한 표면증강 라만산란 분석방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임; 및 상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자는 다공성나노구조체를 통하여 높은 전자기장 응집효과에 기반하여 표면증강라만산란 분석방법을 제공하는 효과를 가진다.
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Description
본 발명은 다공성구조를 내부에 가지는 프레임 나노입자의 합성방법과 이를 이용한 표면증강라만산란 분석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 갈바닉 치환반응과 커켄들 효과를 이용하여 내부에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 합성하는 방법과 이를 이용한 표면증강라만산란 분석방법에 관한 것이다.
라만분광은 인도의 과학자인 C.V. Raman이라는 사람이 처음 제안한 방법으로, 분자에 빛을 조사하였을 때 분자의 진동에너지만큼 빛에너지를 흡수하는 성질을 활용하여, 미지의 분자를 검출하는 방법이다. 라만분광의 장점으로는 시료의 상태(기체, 액체, 고체)에 상관없이 그 측정이 가능하고, 측정을 위해서 샘플의 전처리공정을 따로 진행하지 않더라도 직접측정이 가능하다는 점에 있다. 상기 장점에도 불구하고, 시료의 유효한 라만산란 단면적이 낮아 다른 분광법들에 비해 신호가 작다는 치명적인 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위한 많은 방법 중에 대표적인 방법이 표면증강라만산란(Surface-Enhanced Raman Scattering; SERS) 분광방법이다.
표면증강라만산란 분광방법은, 단일 분자단위의 검지를 가능하게 하는 초민감 분석기법으로서 생명과학, 화학물질 생산, 환경관리 등의 분야에 널리 쓰이고 있으며, 귀금속 나노입자(금, 은, 또는 구리 나노입자)에서 나타나는 국소 표면 플라즈몬 공명현상으로 인해 귀금속 나노입자들은 표면증강라만산란 분광방법에 자주 이용되고 있다.
표면증강라만산란의 과정은, 금속 나노입자들 사이에 좁은갭(gap)을 만들고, 해당 좁은갭에 빛을 조사하면, 조사한 빛의 파장과 일치하는 국부표면 플라즈몬 공명현상으로 인해 전자기장 증폭효과가 발생하게 되며, 이에 따라 라만분광법의 신호가 대략 108배 정도 증가하는 분광방법이다.
상기 좁은갭을 핫스팟(HotSpot)이라고도 불리는데, 이러한 갭을 만들기 위해서, 나노입자 사이에 갭을 만드는 방법, 나노입자 내에서 갭을 만드는 방법 등이 시도되어 왔다. 그 중, 나노입자 안에서의 갭을 만드는 방법은 그 생성물의 균질도와 향후 라만산란신호에서의 신호의 균질도 등을 고려했을 때 바람직하게 인식되는데, 이와 동시에 그 나노입자 안에서의 갭을 만드는 방법은 고도의 기술을 요구하며 균일한 생성물을 얻는 것은 어려운 과제로도 인식되어 있다.
또한, 일반적으로 나노입자는 특정 편광방향에서만 라만분광이 가능하여, 사용자는 다른 편광방향에서의 실험을 진행할 때에는 그 표면증강라만산란의 측정이 어렵다는 난점이 있다.
이와 같이 표면증강라만산란 분광은 상기 분자내의 나노갭을 만드는 것이 어렵다는 점과, 특정 편광방향에서만 라만분광이 가능하다는 제한이 있는바, 상기 난점을 극복한 표면증강라만산란 분석시료인 나노입자의 고안이 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 내부에 나노갭(다공성구조)이 형성된 금(Au) 소재의 전체링프레임 표면증강라만산란 분석시료을 제조하는 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 특정 편광방향이라는 제한이 없고, 감도가 좋은 표면증강라만산란 분석시료를 제공하고자 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자와 그 제조방법을 제공하여, 금 소재의 전체링프레임 중심부 또는 전체링프레임 자체에 다공성구조를 가지도록 하여, 다공성나노구조체의 높은 전자기장 응집효과를 제공함으로써 표면증강라만산란 분석방법의 감도를 높인다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 포함하고, 상기 금 나노입자 외부프레임은 다공성구조인 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공성나노구조체는, 다공성나노구조체를 구성하는 나노입자들이 뒤엉켜 전체로서 대칭적인 기하구조를 가지고, 상기 대칭적인 기하구조를 통하여 모든 방향의 빛에 대하여 라만산란이 가능한 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 준비하는 준비단계; 상기 전체링프레임에 은을 동심(concentric)성장하여 전체링프레임의 표면을 은으로 증착하는 은 증착단계; 및 은 증착단계 이후에 갈바닉 치환반응을 수행하여 상기 증착된 은을 다공성구조를 가지는 금나노입자 외부프레임으로 형성하는 치환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 은 증착단계는, 은이온과 할로겐음이온을 포함하여 은이온의 표준환원 전위를 제어하고, 전체링프레임의 중심측면의 표면에너지와 전체링프레임의 외부측면의 표면에너지 모두보다 큰 전위값을 가하는 단계를 포함하여, 동심(concentric)성장으로 은을 증착하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 치환단계는, Au3+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식1로 표현되는 반응을 진행하는 단계 또는 Pt4+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식2로 표현되는 반응을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
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상기 X는 할로겐원소인 것이다.
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또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 치환단계는, 표면에서의 은(Ag)이 산화되어 Ag+(aq)이 되어 용해되는 단계; 표면에너지를 최소화하기 위해 금속 내부의 은이 표면으로 이동하는 단계; 및 상기 표면으로 이동한 은이 산화되는 단계를 포함하는 커켄들 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임; 및 상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체를 포함하고, 상기 금 나노입자 외부프레임은 다공성구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공성나노구조체는, 다공성나노구조체를 구성하는 나노입자들이 뒤엉켜 전체로서 대칭적인 기하구조를 가지고, 상기 대칭적인 기하구조를 통하여 모든 방향의 빛에 대하여 라만산란이 가능한 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 준비하는 준비단계; 상기 전체링프레임에 은을 동심(concentric)성장으로 증착하여 상기 전체링프레임의 표면을 은으로 둘러싸게 하는 제1은 증착단계; 상기 제1은 증착단계 이후에, 은을 이심(eccentric)성장으로 증착하여 상기 전체링프레임의 중심부에 은을 증착하는 제2은 증착단계; 및 제2은 증착단계 이후에 갈바닉 치환반응을 수행하여 상기 증착된 은을 금 다공성구조로 형성하는 치환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1은 증착단계는, 은이온과 할로겐음이온을 포함하여 은이온의 표준환원 전위를 제어하고, 전체링프레임의 중심측면의 표면에너지와 전체링프레임의 외부측면의 표면에너지 모두보다 큰 전위값을 가하는 단계를 포함하여, 동심(concentric)성장으로 은을 증착하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2은 증착단계는, 상기 제2은 증착단계는, 제1은 증착 단계 이후에 진행하여, 전체링프레임을 도포하여 은이 증착되도록 유도하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 치환단계는, Au3+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식1로 표현되는 반응을 진행하는 단계 또는 Pt4+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식2로 표현되는 반응을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
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상기 X는 할로겐원소인 것이다.
[반응식2]
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 치환단계는, 표면에서의 Ag(s)이 산화되어 Ag+(aq)이 되어 용해되는 단계; 표면에너지를 최소화하기 위해 금속 내부의 은이 표면으로 이동하는 단계; 및 상기 표면으로 이동한 은이 산화되는 단계; 를 포함하는 커켄들 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성 나노렌즈입자 제조방법일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임; 및 상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공성나노구조체는, 다공성나노구조체를 구성하는 나노입자들이 뒤엉켜 있는 구조를 포함하는 다공성나노구조체내측; 및 상기 전체링프레임과 연결되는 다공성나노구조체외측을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 다공성나노구조체는, 다공성나노구조체를 구성하는 나노입자들이 뒤엉켜 전체로서 대칭적인 기하구조를 가지고, 상기 대칭적인 기하구조를 통하여 모든 방향의 빛에 대하여 라만산란이 가능한 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전체링프레임은, 삼각형구조 내지 육각형구조의 외부프레임외측면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전체링프레임는, 두께가 39nm 내지 51nm인 것이고, 전체링프레임의 외부직경은 134nm 내지 150nm인 것이고 전체링프레임의 내부직경은 35nm 내지 54nm인 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 준비하는 준비단계; 상기 전체링프레임에 은을 이심(eccentric)성장으로 증착하여 상기 전체링프레임 중심부에 은을 증착하는 은 증착단계; 및 은 증착단계 이후에 갈바닉 치환반응을 수행하여 상기 증착된 은을 다공성구조를 가지는 금나노입자로 형성하는 치환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 은 증착단계는, 은이온과 할로겐음이온을 포함하여 은이온의 표준환원 전위를 제어하고, 전체링프레임의 중심측면의 표면에너지와 전체링프레임의 외부측면의 표면에너지 사이의 전위값을 가하는 단계를 포함하여, 이심성장(eccentric)으로 은을 증착하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 할로겐음이온은 브로민이온을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 치환단계는, Au3+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식1로 표현되는 반응을 진행하는 단계 또는 Pt4+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식2로 표현되는 반응을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법일 수 있다.
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상기 X는 할로겐원소인 것이다.
[반응식2]
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 치환단계는, 표면에서의 은(Ag)이 산화되어 Ag+(aq)이 되어 용해되는 단계; 표면에너지를 최소화하기 위해 금속 내부의 은이 표면으로 이동하는 단계; 및 상기 표면으로 이동한 은이 산화되는 단계를 포함하는 커켄들 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성나노구조체를 포함하는 나노렌즈입자 제조방법일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면증강라만산란용 분광시료를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금 소재의 나노입자의 전체링프레임 내부에 금 소재의 다공성나노구조체를 형성시킬 수 있다.
또한, 금 소재의 다공성나노구조체를 통하여 높은 전자기장 응집효과를 얻을 수 있으며, 궁극적으로는 효과적인 표면증강라만산란 분석방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1 내지 도3은 본 발명의 실시예에 의해 제공되는, 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)의 제조방법, 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)의 제조방법, 및 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)의 제조방법을 정리한 도면이다.
도4는 전체링프레임의 단면도를 나타내는 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임; 및 상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성(400)나노구조체(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에 대한 단면을 보여주는 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에서, 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체(300)의 입자크기를 달리하여 형성한 프레임 나노입자를 나타내는 도면이다.
도7은 본 발명을 이용하여 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)부터 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)가 합성되기까지 각 합성 단계에 대한 SEM 이미지, TEM 이미지, EDS 맵핑 이미지를 나타낸다.
도8은 본 발명을 이용하여 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임 부터 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)가 합성되기까지 각 합성 단계에 대한 UV-vis-NIR 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도9는 본 발명을 이용하여 합성된 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40) 내부에 다공성나노구조체(300)의 입자크기를 달리하여 형성한 프레임 나노입자의 전자기장 응집 효과를 이론적 컴퓨터 계산 결과를 통해 확인하고 단일 입자 표면증강 라만 분석법에 응용하여 목표 물질을 검지한 결과를 나타낸다.
도10은 본 발명을 이용하여 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임 부터 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)가 합성되기까지 각 합성 단계에 대한 SEM 이미지, TEM 이미지, EDS 맵핑 이미지, UV-vis-NIR 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도11은 본 발명을 이용하여 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)에 대해 금 나노입자 외부프레임(200)과 다공성 구조체 사이의 간격을 조절하였고 이에 대한 SEM 이미지, TEM 이미지, UV-vis-NIR 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도12는 본 발명을 이용하여 합성된 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10) 전자기장 응집 효과를 이론적 컴퓨터 계산 결과를 통해 확인하고 단일 입자 표면 증강 라만 분석법에 응용하여 목표 물질을 검지한 결과를 나타낸다.
도13은 본 발명을 이용하여 합성된 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)의 SEM 이미지와 UV-vis-NIR 광학 스펙트럼, 단일 입자 표면 증강 라만 분석 결과를 나타낸다.
도4는 전체링프레임의 단면도를 나타내는 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임; 및 상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성(400)나노구조체(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에 대한 단면을 보여주는 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에서, 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체(300)의 입자크기를 달리하여 형성한 프레임 나노입자를 나타내는 도면이다.
도7은 본 발명을 이용하여 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)부터 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)가 합성되기까지 각 합성 단계에 대한 SEM 이미지, TEM 이미지, EDS 맵핑 이미지를 나타낸다.
도8은 본 발명을 이용하여 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임 부터 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)가 합성되기까지 각 합성 단계에 대한 UV-vis-NIR 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도9는 본 발명을 이용하여 합성된 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40) 내부에 다공성나노구조체(300)의 입자크기를 달리하여 형성한 프레임 나노입자의 전자기장 응집 효과를 이론적 컴퓨터 계산 결과를 통해 확인하고 단일 입자 표면증강 라만 분석법에 응용하여 목표 물질을 검지한 결과를 나타낸다.
도10은 본 발명을 이용하여 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임 부터 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)가 합성되기까지 각 합성 단계에 대한 SEM 이미지, TEM 이미지, EDS 맵핑 이미지, UV-vis-NIR 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도11은 본 발명을 이용하여 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)에 대해 금 나노입자 외부프레임(200)과 다공성 구조체 사이의 간격을 조절하였고 이에 대한 SEM 이미지, TEM 이미지, UV-vis-NIR 광학 스펙트럼을 나타낸다.
도12는 본 발명을 이용하여 합성된 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10) 전자기장 응집 효과를 이론적 컴퓨터 계산 결과를 통해 확인하고 단일 입자 표면 증강 라만 분석법에 응용하여 목표 물질을 검지한 결과를 나타낸다.
도13은 본 발명을 이용하여 합성된 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)의 SEM 이미지와 UV-vis-NIR 광학 스펙트럼, 단일 입자 표면 증강 라만 분석 결과를 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도1 내지 도3은 본 발명의 실시예에 의해 제공되는, 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)의 제조방법, 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)의 제조방법, 및 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)의 제조방법을 정리한 도면이다.
도1과 도2에 의하면, 본 발명의 실시예에 의해 제공되는, WAR(10), WAL(30), 및 AN(40)의 제조방법은, 크게 4단계를 포함한다.
이에는, 백금을 포함하는 내부프레임 역할의 나노링을 준비하는 제1단계(S100), 상기 나노링에 금으로 갈바닉 치환반응을 통해 외부프레임 역할을 수행하는 금속을 도포하여 전체링프레임을 제조하는 제2단계(S200), 금-백금 나노링에 은을 증착하는 제3단계(S300), 및 갈바닉 치환반응 또는 커켄들 공정을 진행하는 제4단계(S400)를 포함할 수 있다.
이하에서는 각 단계를 나누어 상세히 설명한다.
이하에서는 상기 제1단계(S100)와, 상기 제2단계(S200)를 설명한다.
상기 제1단계(S100)와, 상기 제2단계(S200)는, 본 발명의 전체링프레임을 준비하는 단계로, 백금을 포함하는 나노링 내부프레임을 준비하는 제1단계(S100) 및 상기 나노링 내부프레임 표면에 금 전구체를 환원시켜 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 제조하는 제2단계(S200)에 대한 자세한 설명은, 앞선 대한민국 등록특허공보 10-2260209에 상세히 설명되어 있다.
도3과 상기 등록특허공보를 참조하여 간략히 설명하면, 2차원 금 나노입자의 가장자리 영역에 폐루프구조의 제1백금층을 형성하는 단계(S110); 상기 금 나노입자 중 상기 제1백금층으로부터 노출된 가운데 영역을 제거하여 단일프레임 구조를 형성하는 단계(S120); 상기 단일프레임 구조 상에 제1금 박막을 성장시키는 단계(S210)를 거쳐 상기 제1금 박막의 내부 및 외부 가장자리 영역에 제2백금층을 형성하는 단계(S220); 상기 제1금 박막 중 상기 제2백금층으로부터 노출된 영역을 제거하여, 폐루프구조의 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸는 폐루프구조를 갖고 일부분이 상기 내부프레임과 연결된 외부프레임을 구비하는 이중프레임 구조를 형성하는 단계(S230); 및 상기 이중프레임 구조의 표면에 제2금 박막을 형성하는 단계를 포함(S240)함으로써 상기 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 형성할 수 있다.
이하에서는, 은을 증착하는 단계(S300)에 대하여 설명한다.
금-백금 나노링에 은을 증착하는 단계(S300)는, 아스코르브산 환원제를 이용한 은의 환원을 통하여 증착이 가능한데, 이 증착과정에서는 크게 동심(concentric)성장(S310)형태와 이심성장(eccentric)(S320)형태로 나눌 수 있다.
본 은을 증착하는 은 이온의 환원반응(S300)에서는, 은이온(Ag+)에 할라이드 음이온을 포함함으로써 은이온의 표준환원전위를 조절할 수 있으며, 이러한 과정을 통해 외부에서 가해주는 전위값 역시 조절이 가능하다.
이때, 상기 할라이드 음이온에는 브로민이온(Br-)과 클로로이온(Cl-)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것이 아니라, 상기 은이온의 표준환원전위를 조절할 수 있는 할라이드 음이온은 모두 권리범위에 포함되는 것으로 해석해야 한다.
도4는 전체링프레임의 단면도를 나타내는 도면인데, 도4를 참조하면, 상기 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)은, 그 외부프레임외부측 경계면(500)과 외부프레임내부측 경계면(600)을 포함하며, 또한, 전체링프레임 중심부측(700)에는 후술할 바와 같이 은이 증착될 수 있는 공간(700)도 있다.
이때 상기 외부프레임외부측 경계면(500)은 도4에서는 육각형 형태를 가지고 있으나, 이에 한정되지 아니하고 삼각형 내지 육각형 또는 원형 등의 다양한 구조를 가질 수 있다.
내부가 비어있는 구조(700)의 외부프레임(200)은, 외부프레임내부측 경계면(600)에는 원형구조, 외부프레임의 외부쪽(500)에는 육각형구조를 가진다. 이에 따라, 상기 외부프레임의 내외부의 경계면에서 표면에너지 역시 달라지게 되는데, 이때 원형구조를 가지는 외부프레임내부측 경계면(600)은 더 높은 결정면계를 가지는 것을 의미하는 바, 반응성 역시 더 뛰어나게 되며, 표면에너지 역시 더 높음을 시사한다.
이때, 은의 환원반응을 진행할 때 가해지는 전위가, 내부경계면의 표면에너지(Einner-boundary)와 외부경계면의 표면에너지(Eouter-boundary) 모두보다 높은 경우에는, 상기 내부경계면(600)과 외부경계면(500) 모두에서 환원반응이 진행하는 동심(concentric)성장(S310)인 반면, 상기 환원을 진행시키는 전위가 내부경계면의 표면에너지(Einner-boundary)와 외부경계면의 표면에너지(Eouter-boundary) 사이값인 경우에는, 내부경계면에서 먼저 환원반응이 진행하는 이심(eccentric)성장(S320)이 될 것이다.
따라서, 내부경계면에서의 선택적인 에칭을 위해서는 상기 내부경계면의 표면에너지와 외부경계면에서의 표면에너지 사이값의 전위를 가하는 것이 바람직할 것이다.
이때, 상기 전체링프레임을 모두 덮는 형태로 은을 증착시키려는 경우에는, 동심성장(S310)을 먼저 진행한 후, 이심성장(S330)을 한번 더 진행해야 할 것이다. 왜냐하면 이심성장을 먼저 진행하는 경우에는, 상기 표면에너지 차이에 의해 전체링프레임 내부에서만 은 증착이 진행할 것이기 때문이다.
갈바닉 치환반응 또는 커켄들 공정단계(S400)에 대하여 설명한다.
먼저 갈바닉 치환반응에 대하여 설명한다.
갈바닉 치환반응은, 금속이 자신보다 높은 환원전위를 가지는 금속 이온을 만날 때 일어나는 전기화학 반응으로, 은에 Au3+ 양이온 또는 Pt4+ 양이온을 첨가하는 경우 갈바닉 치환반응이 진행하게 되고, 이때 하기 반응식1 또는 하기 반응식2와 같은 반응이 진행하게 된다.
[반응식1]
상기 X는 할로겐원소인 것이다.
[반응식2]
상기 갈바닉 치환반응을 이용하는 경우에는, Ag(s)가 3당량 산화되어 용해되어 나가는 동안, Au(s)는 오로지 1당량만이 환원된다. 즉, 상기 갈바닉 치환반응이 진행함에 따라, 은의 산화속도가 더 빠르기 때문에, 전체 금속혼합물에서는 빈자리가 생기게 되며, 궁극적으로는 구멍들이 생기게 되어 다공성구조를 형성할 수 있게 된다.
상기 반응원리와 같은 이유로, Pt4+ 양이온을 이용하는 경우에도, Ag(s)가 4당량 산화되어 용해되어 나가는 동안, Pt(s)는 오로지 1당량만이 환원되므로, 상기와 같은 다공성구조를 형성할 수 있게 된다.
이하에서는 커켄들 공정단계를 설명한다.
커켄들 공정(효과)이라 함은, 금속원자가 사이의 계면에서의 이동에 대한 효과를 의미하며, 합금이 이동하는 방향은 표면에너지를 최소화하는 방향으로 이동한다는 것을 의미한다. 즉, 은과 금이 혼합된 합금에서는, 은의 표면에너지가 금보다 더 작기 때문에, 혼합물의 내부에 있는 은은 표면으로 이동하게 됨을 의미한다.
상기 갈바닉 치환반응과 커켄들효과를 함께 생각해 보면, 은과 금이 혼합된 합금에서는, 은은 금이온에 의해 갈바닉 치환반응을 통해 지속적으로 용해되어 나가고, 그자리에는 금 나노입자들이 차지하게 될 것인데, 이때 커켄들 효과에 의해 금 나노입자들은 다시 합금의 중심부로 이동하고, 합금의 내부에 있던 은 원자들은 합금의 표면으로 이동하게 된다. 이렇게 합금의 표면으로 이동한 은 원자들은 다시 갈바닉 치환반응을 진행할 수 있게 될 것이며, 이 반응이 반복되어 나노구조체는 다공성구조를 포함하게 된다.
이하에서는 상기 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)의 제조방법에 대하여 설명한다.
금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)는, 전체링프레임에 다공성구조를 가지는 것을 특징으로 하게 된다. 이러한 프레임 자체에 다공성구조를 갖게 하기 위해서는, 우선적으로 전체링프레임에 은을 증착하는 공정을 진행해야 하는 바, 은을 동심성장(S310) 하는 형태로 증착해야 한다. 상기 증착된 은을 환원반응을 통해 다공성구조를 가지도록 하면, WAR을 최종적으로 얻을 수 있게 된다.
또한, 상기 다공성나노구조체는, 다공성나노구조체를 구성하는 나노입자들이 뒤엉켜 있는 구조를 포함하는 다공성나노구조체내측 및 상기 전체링프레임과 연결되는 다공성나노구조체외측을 포함하여 구성함으로써 견고한 나노구조체를 형성할 수 있다.
이하에서는 상기 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)의 제조방법에 대하여 설명한다.
이렇게 외부프레임가 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하도록 하기 위해서는, 상기 외부프레임에 은을 증착하는 동심성장(S310)을 먼저 수행할 수 있다.
상기 전체프레임 상에 전체적으로 은이 증착(S330)된 이후, 갈바닉 치환반응(S430)을 거쳐 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자를 얻을 수 있게 된다.
이하에서는 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)의 제조방법에 대하여 설명한다.
상기 준비된 전체링프레임 상에 이심성장(eccentric)(S320) 방식으로 은을 증착하게 된다. 본 이심성장 과정에 있어서, 할로겐원소를 이용할 수 있는데, 할로겐원소를 이용하는 경우에는 Ag+의 표준환원전위를 조절할 수 있게 되며, 이를 통해 좀더 효율적인 증착이 진행될 수 있다.
이때 상기 할로겐원소에서는 브로민이온 또는 클로로이온을 포함할 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 증착과정을 거친 뒤에는 갈바닉 치환반응(S440)을 진행할 수 있는데, 본 과정에서는 상기 은이 전체링프레임의 중심부(700)에만 증착되어 있기 때문에, 갈바닉 치환반응을 통해 중심부에만 다공성나노구조체가 존재하게 될 수 있다.
이하에서는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자가 표면증강라만산란 분광방법에 있어서의 효과에 대하여 설명한다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임(200)을 포함하는 전체링프레임; 및 상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성(400)나노구조체(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에 대한 단면을 보여주는 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에서, 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체(300)의 입자크기를 달리하여 형성한 프레임 나노입자를 나타내는 도면이다.
도5와 도6을 참조하면, 표면증강라만산란 분광방법에 있어서, 상기 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 사용하는 경우, 상기 나노입자의 다공성(400)을 가지는 나노구조체(300)에서 외부프레임(200)에 의해 흡수 및 산란된 빛이 나노구조체 (300)에 효과적으로 근거리 전자기장이 응집되기 때문에 증폭되는 효과를 가질 수 있으며, 이를 통하여 표면증강라만산란 분광방법에서 좀더 효율적인 결과를 얻을 수 있게 된다.
또한, 상기 다공성구조는 반드시 전체링프레임 내부에 존재하여야하는 것은 아니며, 외부프레임(200)에 존재하더라도 표면증강라만산란 분광방법에서 효율적인 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 사용하여 표면증강라만산란 분광을 하는 경우에는 전체적으로 대칭적인 기하구조를 가지기 때문에, 특정 파장이나 특정 편광방향에 한정되지 아니할 수 있다.
이때, 상기 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 크기는 134nm 내지 150nm인 것이 바람직하다. 상기 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 크기가 134nm 미만인 경우에는 그 입자의 크기가 너무 작아져서 근거리장이 나노입자를 인식하지 못하고 회절해 버릴 수 있고, 상기 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 크기가 150nm를 초과하는 경우에는 그 입자의 크기가 커져 근거리장을 다공성 구조체에 효과적으로 응집시키기 어렵기 때문이다.
또한, 상기 다공정구조를 가지는 프레임 나노입자의 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체(300)에 있어서, 상기 다공성나노구조체(300)의 전체크기가 작아질수록 상기 근거리장들이 더 효과적으로 응집될 수 있기 때문에 더욱 증폭되는 효과를 얻을 수 있으며, 이를 통하여 표면증강라만산란 분광방법에서 좀더 효율적인 결과를 얻을 수 있게 된다.
이하에서는 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
제조예1
본 제조예1에서는, 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)를 제조하였다.
해당 구체적인 제조과정은 하기 과정을 거쳐 제조가 가능하였다.
모든 반응은 수용액 상에서 일어나며, 나노입자와 시약들은 3차 증류수에 분산되어 사용되었다.
먼저, 디스크 (disk) 형태의 금 나노입자를 준비한다.
이후 50μM 아이오딘 이온의 존재하에서, 디스크 형태의 금 나노입자 8mL, 0.1M hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB) 30mL, 2mM 질산은 50μL, 0.1M 아스코르브산 용액 960μL를 넣어 혼합하고, 혼합용액을 70℃로 1시간 동안 유지시켜 은 박막을 형성하였다.
이후 0.1M 염산 960μL, 2mM H2PtCl6 수용액 200μL를 상기 혼합용액에 첨가하고, 혼합물을 70℃에서 12시간 동안 갈바닉 치환반응시켜 금 나노입자의 가장자리에 제1백금층을 형성하였다.
이후 원심분리기를 이용해 금 나노입자의 가장자리에 백금층이 형성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을 2번 반복하여 반응을 멈춰준다.
이후 0.1M CTAB 수용액 10 mL에20mM의 HAuCl4 50μL를 첨가한 수용액에, 상기 제1백금층이 형성된 금 나노입자를 첨가한 후, 50℃에서 30분간 금 부분을 선택적으로 에칭하여 백금 단일 프레임구조를 합성하였다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을 2번 반복하여 반응을 멈춰준다.
백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)을 얻기 위해서100μL의 백금 단일 프레임 구조에 0.05M CTAB 100μL, 2mM HAuCl4 30μL, 0.1M 아스코르브산 300μL, 0.1M 염산 20μL를 50μM 아이오딘 이온의 존재 하에서 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
금-백금 나노링에 은을 이심(eccentric)성장 형태로 은을 증착시키기 위해서(S320), 100μL의 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 구조에 0.1M CTAB 500μL, 0.2mM AgNO3 360μL, 0.01M 아스코르브산 200μL, 50mM 수산화나트륨 200μL를 넣고 30 ℃에서 30 분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
갈바닉 치환반응을 통해 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)를 합성하기 위해 100μL의 금-백금 나노링에 은이 이심(eccentric)성장된 나노입자에, 0.1M의 hexadecyltrimethylammonium chloride (CTAC) 500μL, 0.2mM HAuCl4 40μL를 넣고, 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
상기 공정을 통해, 본 제조예1에서는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자를 성공적으로 합성할 수 있었다.
제조예2
본 제조예2에서는, 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)를 제조하였다.
해당 구체적인 제조과정은 하기 과정을 거쳐 제조가 가능하였다.
모든 반응은 수용액 상에서 일어나며, 나노입자와 시약들은 3차 증류수에 분산되어 사용되었다.
먼저 디스크 (disk) 형태의 금 나노입자를 준비한다.
이후 50μM 아이오딘 이온의 존재 하에서, 디스크 형태의 금 나노입자 8mL, 0.1M hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB) 30mL, 2mM 질산은 50μL, 0.1M 아스코르브산 용액 960μL를 넣어 혼합하고, 혼합용액을 70℃로 1시간 동안 유지시켜 은 박막을 형성하였다.
이후 0.1M 염산 960μL, 2mM H2PtCl6 수용액 200μL를 상기 혼합용액에 첨가하고, 혼합물을 70℃에서 12시간 동안 갈바닉 치환 반응시켜 금 나노입자의 가장자리에 제1백금층을 형성하였다.
이후 원심분리기를 이용해 금 나노입자의 가장자리에 백금층이 형성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을 2번 반복하여 반응을 멈춰준다.
이후 0.1M CTAB 수용액 10mL에 20mM HAuCl4 50μL를 첨가한 수용액에, 상기 제1백금층이 형성된 금 나노입자를 첨가한후 50℃에서 30분간 금 부분을 선택적으로 에칭하여 백금 단일 프레임구조를 합성하였다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을 2번 반복하여 반응을 멈춰준다.
백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)을 얻기 위해서 100μL의 백금 단일 프레임 구조에 0.05M CTAB 100μL, 2mM HAuCl4 30μL, 0.1M 아스코르브산 300μL, 0.1M 염산 20μL를 50μM 아이오딘 이온의 존재 하에서 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
금-백금 나노링에 은을 동심(concentric)성장 형태로 은을 증착시키기 위해서(S310), 100μL의 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100) 구조에 0.1M hexadecyltrimethylammonium chloride(CTAC) 500μL, 0.2mM AgNO3 360μL, 0.01M 아스코르브산 200μL, 50mM 수산화나트륨 200μL를 넣고 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
갈바닉 치환 반응을 통해 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)를 합성하기 위해, 100μL의 금-백금 나노링에 은이 동심(concentric)성장된 나노입자에, 0.1M의 hexadecyltrimethylammonium chloride(CTAC) 500μL, 0.2mM HAuCl4 25μL를 넣고 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
상기 공정과정을 통해, 본 제조예2에서는, 갈바닉 치환 반응을 통해 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)를 성공적으로 제조할 수 있었다.
제조예3
본 제조예3에서는, 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)을 제조하였다.
해당 구체적인 제조과정은 하기 과정을 거쳐 제조가 가능하였다.
모든 반응은 수용액 상에서 일어나며, 나노입자와 시약들은 3차 증류수에 분산되어 사용되었다.
먼저 디스크 (disk) 형태의 금 나노입자를 준비한다.
이후 50μM 아이오딘 이온의 존재 하에서, 디스크 형태의 금 나노입자 8mL, 0.1M hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB) 30mL, 2mM 질산은 50μL, 0.1M 아스코르브산 용액 960μL를 넣어 혼합하고, 혼합용액을 70℃로 1시간 동안 유지시켜 은 박막을 형성하였다.
이후 0.1M 염산 960μL, 2mM H2PtCl6 수용액 200μL를 상기 혼합용액에 첨가하고, 혼합물을 70℃에서 12시간 동안 갈바닉 치환 반응시켜 금 나노입자의 가장자리에 제1백금층을 형성하였다.
이후 원심분리기를 이용해 금 나노입자의 가장자리에 백금층이 형성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을 2번 반복하여 반응을 멈춰준다.
이후 0.1M CTAB 수용액 10mL에 20mM HAuCl4 50μL를 첨가한 수용액에, 상기 제1백금층이 형성된 금 나노입자를 첨가한후 50℃에서 30분간 금 부분을 선택적으로 에칭하여 백금 단일 프레임구조를 합성하였다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을 2번 반복하여 반응을 멈춰준다.
백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)을 얻기 위해서100μL의 백금 단일 프레임 구조에 0.05M CTAB 100μL, 2mM HAuCl4 30μL, 0.1M 아스코르브산 300μL, 0.1M 염산 20μL를 50μM 아이오딘 이온의 존재 하에서 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
금-백금 나노링에 은을 동심(concentric)성장 형태로 은을 증착시키기 위해서(S310), 100μL의 백금을 포함하는 나노링 내부프레임(100)구조에 0.1M hexadecyltrimethylammonium chloride(CTAC) 500μL, 0.2mM AgNO3 360μL, 0.01M 아스코르브산 200μL, 50mM 수산화나트륨 200μL를 넣고 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
이후 금-백금 나노링에 은이 동심(concentric)성장 형태로 은이 증착된 나노입자에 은을 이심(eccentric)성장 형태로 은을 증착시키기 위해서, 100μL의 금-백금 나노링에 은이 동심(concentric)성장 형태로 은이 증착된 나노입자에 0.1M CTAB 500μL, 0.2mM AgNO3 360μL, 0.01M 아스코르브산 200μL, 50mM 수산화나트륨 200μL를 넣고 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
갈바닉 치환 반응을 통해 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)를 합성하기 위해 100μL의 금-백금 나노링에 은이 동심(concentric)성장된 나노입자에, 0.1M의 hexadecyltrimethylammonium chloride(CTAC) 500μL, 0.2mM HAuCl4 200μL를 넣고 30℃에서 30분간 반응시켜준다.
이후 원심분리기를 이용해 합성된 나노입자를, 반응하고 남은 시약으로부터 분리하고 3차 증류수로 묽히는 과정을3번 반복하여 반응을 멈춰준다.
상기 공정과정을 통해, 본 제조예3에서는, 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)를 성공적으로 합성할 수 있었다.
실험예1
본 실험예1에서는, 상기 제조예1에서 제조한 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)의 물성을 확인하였다.
도7과 도8을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 프레임 나노입자는 외부에 링 프레임 구조와 링 프레임의 중심부에 다공성구조를 동시에 가지고 있다.
또한, 링 프레임 구조의 내부 직경의 크기에 따라 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)의 내부 직경크기가 조절된다.
또한, j, k의 EDS맵핑 이미지에 따르면 금-백금 나노링에 은을 이심(eccentric)성장 형태로 은을 증착시킨 나노입자의 경우, 링 프레임의 중심부에만 선택적으로 은이 존재하는 것을 확인할 수 있으며 l의 EDS 맵핑 이미지에 따르면 갈바닉 치환 반응 이후 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)는 대부분 금으로 이루어져 있음을 확인할 수 있었다.
실험예2
본 실험예2에서는, 상기 제조예1에서 제조한 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)를 이용하여 전자기장 응집효과를 실험하였다.
도9를 통해 알 수 있듯이, a의 이론적 컴퓨터 계산 결과에 따르면 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)의 내부 직경이 감소할수록 링 프레임 내부의 다공성구조에 전자기장이 효과적으로 응집되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, b의 단일 입자 표면증강라만산란 결과에 따르면, 링 프레임 입자들은 전자기장 응집 효과가 없어 단일입자 표면증강라만산란 신호를 나타내지 않는 반면, 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)들은 중심부의 다공성구조에 전자기장 응집 효과를 가져, 단일입자 표면증강라만산란 신호를 나타낸다.
또한, c의 결과는 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)가 모든 방향의 편광에 대해 단일입자 표면증강라만산란 신호를 나타낸다는 것을 의미한다.
또한, d, e, f의 결과는 다양한 크기의 내부 직경을 가지는 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)들이 단일입자 표면증강라만산란 신호를 높은 재현성을 가지고 나타낸다는 것을 의미한다.
실험예3
본 실험예3에서는, 상기 제조예2 및 상기 제조예3에서 제조한 프레임 나노입자의 물성을 확인하였다.
도10과 도11을 통해 알 수 있듯이, SEM, TEM 이미지로부터 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)가 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 금 나노입자 외부프레임과 다공성구조 사이의 간격을 조절하여 합성할 수 있음도 확인하였다.
또한, UV-vis-NIR 광학 스펙트럼 분석결과에 따르면, 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)가 특정한 파장대의 빛을 흡수하거나 산란시킴을 확인할 수 있었다.
실험예4
본 실험예4에서는, 상기 제조예2 및 상기 제조예3에서 제조한 프레임 나노입자를 이용하여 전자기장 응집 효과를 실험하였다.
도12와 도13을 통해 알 수 있듯이, 도12 에서 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)가 금 나노입자 외부프레임과 다공성구조 사이에 전자기장을 효과적으로 응집시킬 수 있음을 이론적 컴퓨터 계산결과와 단일입자 표면증강라만산란 신호 측정을 통해 알 수 있었다.
또한, 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)가 대칭적인 기하구조를 가지고 있으므로, 모든 방향의 편광으로부터 단일입자 표면증강라만산란 신호를 얻을 수 있음도 알 수 있었다.
또한, 도13에서 외부프레임과 전체링프레임의 중심부에 위치하는 나노구조체 모두에 다공성구조를 포함하는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Lens, WAL)(30)도 프레임 구조와 다공성구조 사이 및 중심부의 다공성구조에서의 전자기장 응집효과를 기반으로 해서, 금 나노입자 외부프레임에 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자(Au Web-Above-a-Ring, WAR)(10)와 다공성구조를 가지는 나노구조체를 포함하는 프레임 나노입자(Au Nanolens, AN)(40)에 비해 높은 단일입자 표면증강라만산란 신호를 나타냄을 확인하였다.
비교예
본 비교예에서는, 전체링프레임 중심부에 다공성나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자에서, 상기 다공성나노구조체의 입자크기를 달리하여 전자기장 응집효과의 변화를 비교 확인하는 실험을 하였다.
도9를 참조하여 살펴보면, 도9의 b, d, e, f에서 다공성 구조체의 입자 크기를 점점 작게 했을 때, 다공성 구조체의 전자기장 응집효과가 좋아져 표면증강라만신호가 높게 나오는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 입자크기에 따른 전자기장 응집효과의 변화를 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 백금을 포함하는 나노링 내부프레임
200 : 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임
300 : 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체
400 : 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체의 다공성
500 : 외부프레임외부측 경계면
600 : 외부프레임내부측 경계면
700 : 전체링프레임의 중심부
200 : 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임
300 : 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체
400 : 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체의 다공성
500 : 외부프레임외부측 경계면
600 : 외부프레임내부측 경계면
700 : 전체링프레임의 중심부
Claims (24)
- 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 포함하고,
상기 금 나노입자 외부프레임은 다공성구조인 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자. - 삭제
- 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 준비하는 준비단계;
상기 전체링프레임에 은을 동심(concentric)성장하여 전체링프레임의 표면을 은으로 증착하는 은 증착단계; 및
상기 은 증착단계 이후에 갈바닉 치환반응을 수행하여 상기 증착된 은을 다공성구조를 가지는 금나노입자 외부프레임으로 형성하는 치환단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 은 증착단계는, 은이온과 할로겐음이온을 포함하여 은이온의 표준환원 전위를 제어하고, 전체링프레임의 중심측면의 표면에너지와 전체링프레임의 외부측면의 표면에너지 모두보다 큰 전위값을 가하는 단계를 포함하여, 동심(concentric)성장으로 은을 증착하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 치환단계는, Au3+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식1로 표현되는 반응을 진행하는 단계 또는 Pt4+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식2로 표현되는 반응을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법:
[반응식1]
(상기 X는 할로겐원소인 것임).
[반응식2]
- 제3항에 있어서,
상기 치환단계는,
표면에서의 은(Ag)이 산화되어 Ag+(aq)이 되어 용해되는 단계;
표면에너지를 최소화하기 위해 금속 내부의 은이 표면으로 이동하는 단계; 및
상기 표면으로 이동한 은이 산화되는 단계;
를 포함하는 커켄들 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임; 및
상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체를 포함하고,
상기 금 나노입자 외부프레임은 다공성구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자. - 삭제
- 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 준비하는 준비단계;
상기 전체링프레임에 은을 동심(concentric)성장으로 증착하여 상기 전체링프레임의 표면을 은으로 둘러싸게 하는 제1은 증착단계;
상기 제1은 증착단계 이후에, 은을 이심(eccentric)성장으로 증착하여 상기 전체링프레임의 중심부에 은을 증착하는 제2은 증착단계; 및
제2은 증착단계 이후에 갈바닉 치환반응을 수행하여 상기 증착된 은을 금 다공성구조로 형성하는 치환단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 제1은 증착단계는, 은이온과 할로겐음이온을 포함하여 은이온의 표준환원 전위를 제어하고, 전체링프레임의 중심측면의 표면에너지와 전체링프레임의 외부측면의 표면에너지 모두보다 큰 전위값을 가하는 단계를 포함하여, 동심(concentric)성장으로 은을 증착하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 제2은 증착단계는, 제1은 증착 단계 이후에 진행하여,
전체링프레임을 도포하여 은이 증착되도록 유도하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 치환단계는, Au3+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식1로 표현되는 반응을 진행하는 단계 또는 Pt4+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식2로 표현되는 반응을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법:
[반응식1]
(상기 X는 할로겐원소인 것임).
[반응식2]
- 제9항에 있어서,
상기 치환단계는,
표면에서의 Ag(s)이 산화되어 Ag+(aq)이 되어 용해되는 단계;
표면에너지를 최소화하기 위해 금속 내부의 은이 표면으로 이동하는 단계; 및
상기 표면으로 이동한 은이 산화되는 단계;
를 포함하는 커켄들 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임; 및
상기 전체링프레임의 중심부에 위치하는 다공성나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자. - 제14항에 있어서,
상기 다공성나노구조체는, 다공성나노구조체를 구성하는 나노입자들이 뒤엉켜 있는 구조를 포함하는 다공성나노구조체내측; 및 상기 전체링프레임과 연결되는 다공성나노구조체외측;
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자. - 삭제
- 제14항에 있어서,
상기 전체링프레임은, 삼각형구조 내지 육각형구조의 외부프레임외측면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자. - 제14항에 있어서,
상기 전체링프레임는, 두께가 39nm 내지 51nm인 것이고, 전체링프레임의 외부직경은 134nm 내지 150nm인 것이고 전체링프레임의 내부직경은 35nm 내지 54nm인 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자. - 백금을 포함하는 나노링 내부프레임 및 상기 내부프레임을 둘러싸고 있는 금 나노입자 외부프레임을 포함하는 전체링프레임을 준비하는 준비단계;
상기 전체링프레임에 은을 이심(eccentric)성장으로 증착하여 상기 전체링프레임 중심부에 은을 증착하는 은 증착단계; 및
은 증착단계 이후에 갈바닉 치환반응을 수행하여 상기 증착된 은을 다공성구조를 가지는 금나노입자로 형성하는 치환단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 은 증착단계는, 은이온과 할로겐음이온을 포함하여 은이온의 표준환원 전위를 제어하고, 전체링프레임의 중심측면의 표면에너지와 전체링프레임의 외부측면의 표면에너지 사이의 전위값을 가하는 단계를 포함하여, 이심성장(eccentric)으로 은을 증착하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 할로겐음이온은 브로민이온을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 치환단계는, Au3+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식1로 표현되는 반응을 진행하는 단계 또는 Pt4+ 양이온을 포함하는 화합물을 첨가하여 하기 반응식2로 표현되는 반응을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법:
[반응식1]
(상기 X는 할로겐원소인 것임).
[반응식2]
- 제19항에 있어서,
상기 치환단계는,
표면에서의 은(Ag)이 산화되어 Ag+(aq)이 되어 용해되는 단계;
표면에너지를 최소화하기 위해 금속 내부의 은이 표면으로 이동하는 단계; 및
상기 표면으로 이동한 은이 산화되는 단계;
를 포함하는 커켄들 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는,
다공성구조를 가지는 프레임 나노입자 제조방법. - 제1항, 제7항, 또는 제14항의 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면증강라만산란용 분광시료.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020210118502A KR102497161B1 (ko) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 합성방법 및 이를 이용한 표면증강 라만산란 분석방법 |
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| KR1020210118502A KR102497161B1 (ko) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 합성방법 및 이를 이용한 표면증강 라만산란 분석방법 |
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| KR1020210118502A KR102497161B1 (ko) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 다공성구조를 가지는 프레임 나노입자의 합성방법 및 이를 이용한 표면증강 라만산란 분석방법 |
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2022
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| KR20200010852A (ko) * | 2018-07-23 | 2020-01-31 | 광운대학교 산학협력단 | 로듐 나노구조체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 구조 제어된 로듐 나노구조체 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| H. -J. Jang et al, "Fabrication of 2D Au Nanorings with Pt Framework", J. Am. Chem. Soc., Vol.136, pp17674-17680 (2014) * |
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| WO2023033615A1 (ko) | 2023-03-09 |
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