KR20130090619A - 금은 합금 나노선의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

금은 합금 나노선의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 금 나노선을 형성한다. 금 나노선 상에 은 증기를 공급한다. 기상 합성법에 의해 금은 합금 구조의 나노선을 형성하여 높은 화학적 안정성과 표면 플라즈몬 특성을 갖는 나노선을 제조할 수 있다.

Description

금은 합금 나노선의 제조 방법{METHOD OF FABRICATING AN AuAg NANOWIRE}
본 발명은 금은 합금 나노선의 제조 방법에 관한 것이다.
나노 크기의 미소 직경을 갖는 물질들은 양자 효과(quantum effect)와 같은 현상에 의해 독특한 전기적, 광학적 성질을 가지므로 새로운 전기적, 광학적 소자의 재료로서 최근 각광받고 있다.
특히 금속 나노선은 빛을 쪼여주었을 때 표면 플라즈몬 여기(plasmon exicitation) 효과에 의해 강한 전기장이 유도될 수 있다. 따라서, 금속 나노선은 바이오센서에서 태양 전지에 이르는 다양한 플라즈모닉 소자에 활용될 수 있다.
금속 나노선에 의해 유도되는 표면 플라즈몬의 전파는 상기 금속 나노선의 표면 거칠기, 결함, 불순물 등에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 상기 금속 나노선에 포함되는 금속의 산화, 부식 등에 희해 표면 플라즈몬 공명 효과가 저하될 수 있다. 따라서, 균일하고 결함이 없는 결정 구조를 가지며 화학적으로 안정한 금속 나노선의 제조 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 결함이 없는 우수한 광학적, 화학적 성질을 갖는 금은 합금 나노선을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금은 합금 나노선의 제조 방법에 따르면, 기판 상에 금 나노선을 형성한다. 상기 금 나노선 상에 은 증기를 공급한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기판 상에 상기 금 나노선을 형성하기 위해 상기 기판 상에 금 증기를 공급하여 상기 금 나노선을 에피택셜(epitaxial) 성장시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기판은 STO(110) 기판일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 금 증기는 100 내지 250sccm의 유량으로 상기 기판 상에 공급되며, 이 경우 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 수직한 방향으로 성장할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 금 나노선은 STO(110) 기판위에서 반팔면체 형상의 결정 구조를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 금 증기는 400sccm 이상의 유량으로 상기 기판 상에 공급되면, 기판에 대해 평행한 방향으로 성장한 금 나노선이 합성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 은 증기는 650 내지 850 ℃ 의 온도로 가열되어 공급될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 은 증기의 공급 시간을 조절하여 상기 금은 합금 나노선의 금과 은의 조성을 조절할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 은 증기의 공급 시간이 5 분 이상일 때 금은 합금 나노선의 은의 함량은 50 중량% 이상 일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 금은 합금 나노선은 420nm 내지 520nm의 파장 범위에서 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타날 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 금은 합금 나노선은 단결정 구조를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 먼저 금 나노선을 에피택셜(epitaxial) 성장시키고, 이어서 은 증기를 공급하여 상기 금 나노선 상에 은 결정을 성장시킴으로써 금은 합금 나노선을 제조할 수 있다. 상기 금은 합금 나노선은 화학적으로 안정성한 금과 넓은 파장 영역에서 표면 플라즈마 공명을 유발할 수 있는 은을 포함하므로 높은 안정성 및 플라즈몬 활성을 모두 만족할 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 기판에 평행하게 성장시킨 금 나노선과 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진들이다.
도 3 및 도 4는 각각 기판에 수직하게 성장시킨 금 나노선과 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 SEM 사진들이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 사진이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 EDS(energy dispersive spectroscopy)결과 분석을 나타내는 그래프이다.
도 7은 은 증기의 공급시간을 변화시면서 측정된 금은 합금 나노선의 프로파일 및 조성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 반응시간에 따른 금은 합금 나노선 내 은의 함량을 나타내는 그래프이다.
도 9는 BCB를 시료로 사용하여 측정한 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10은 로다민 B를 시료로 사용하여 측정한 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 11 및 도 12는 BT를 시료로 사용한 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 13은 은 나노선 및 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 산화 정도를 비교하기 위한 SEM 사진들이다.
도 14는 은 나노선 및 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 산화 정도를 비교하기 위한 TEM 사진들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 금은 합금 나노선에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시예
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 금(Au)과 은(Ag)을 단결정 구조를 갖도록 기상 합성법에 의해 성장시켜 금은 합금 나노선을 제조할 수 있다. 은은 금보다 상대적으로 높은 인터밴드 전이 진동수(interband transition frequency)와 큰 유전 상수를 갖는다. 이와 같은 성질이 기인하여, 은은 가시광선 전 파장대에 결쳐 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance: SPR) 현상을 유발할 수 있다. 또한 은은 짧은 파장에서 표면 플라즈몬 공명을 유발할 수 있으므로 개선된 공간 분해능을 제공할 수 있다. 표면 플라즈몬 공명이란 도체인 금속 나노 입자 표면에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지와 전자기장의 공명으로 인해 상기 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 지칭한다.
그러나, 은은 대기 중의 황이나 산소에 의해 쉽게 부식될 수 있으므로, 은의 표면 상에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 성질을 약화시킬 수 있다.
반면, 금은 은에 비해 화학적으로 안정하여 부식 현상 등에 상대적으로 영향을 받지 않는다. 그러나 금은 은보다 긴 인터밴드 전이 파장(약, 520nm)을 가지므로 이보다 짧은 파장에서는 표면 플라즈몬 공명 효과를 효과적으로 유발할 수 없다는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 금은 합금구조를 갖는 나노선을 제조함으로써 화학적으로 안정하면서, 동시에 표면 플라즈몬 성질이 우수한 금속 나노선을 제공할 수 있다. 또한 기상 합성을 통해 금은 합금을 균일한 단결정 구조로 성장시킴으로써 표면 거칠기, 결정 결함등에 의해 표면 플라즈몬 전달이 방해받지 않은 우수한 금속 나노선을 제공할 수 있다. 또한 액상 합성등의 방법을 통해 나노선을 제조할 경우 발생될 수 있는 원하지 않는 침전물(예를 들면, AgCl)의 발생도 원천적으로 차단할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 기판 상에 금 나노선을 형성한다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기판 상에 금 증기를 기상 이송법에 의해 공급하여 금 나노선을 성장시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 기판으로서 STO(SrTiO3) 기판을 사용할 수 있다. 상기 STO 기판은 금과 우수한 격자 일치성(예를 들어, 상기 STO 기판은 [110] 격자 구조를 가질 수 있으며, 이하에서는 이를 STO(110) 기판이라 지칭한다)을 가지므로 상기 STO 기판 상에서 상기 금 나노선이 용이하게 성장될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 금 증기가 상기 기판 상에 도입되면서 상기 기판 표면 상에 반-팔면체(half-octahedral) 형상의 씨드(seed)가 지배적으로 형성될 수 있다. 이후, 상기 씨드로부터 금 나노선이 에피텍셜(epitaxial) 방식으로 성장될 수 있다. 예를 들어 상기 금 증기는 약 1000℃ 내지 1200℃의 온도로 가열되어 공급될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기판 상에 공급되는 금 증기의 유량을 조절함으로써, 상기 금 나노선의 성장 방향을 결정할 수 있다. 상기 금 증기의 유량이 상대적으로 작을 경우에는 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 성장될 수 있다. 한편, 상기 금 증기의 유량이 상대적으로 클 경우에는 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 성장될 수 있디.
예를 들어, 상기 금 증기의 유량이 약 100 내지 약 250sccm인 범위인 경우 상기 기판에 대해 수직한 방향으로 성장된 금 나노선이 지배적으로 형성될 수 있다. 상기 금 증기의 유량이 약 400sccm 이상으로 증가되는 경우, 상기 기판에 대해 평행한 방향으로 성장된 금 나노판이 지배적으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 기판 상에 형성된 상기 금 나노선 상에 소정의 온도로 가열된 은 증기를 공급한다. 이 때, 상기 은 증기에 함유된 은 원자들은 상기 금 나노선 상에 또 다른 씨드를 형성하기 보다는 상기 금 나노선 상에 기상 증착 혹은 흡착되어 금은 합금 나노선을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 은 증기 및 금 나노선은 약 650℃ 내지 850℃의 온도로 가열될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 은 증기는 약 780 내지 820℃ 의 온도로 가열되어 공급되고 이 때 상기 금 나노선은 약 650℃ 로 가열될 수 있다. 상기 온도 범위에서 상기 금 나노선 표면의 강성(rigidity)이 감소하고 원자들의 운동성이 증가하게 되고 상호확산(interdiffusion) 메커니즘에 의해 금 원자 및 은 원자들이 균일하게 섞일 수 있다. 따라서, 상기 금 원자 및 상기 은 원자들이 나노선 전체에 균일하게 분포된 합금 구조를 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 은 증기가 공급되는 시간을 조절함으로써 수득되는 금은 합금 나노선의 조성을 조절할 수 있다. 상기 은 증기가 공급되는 시간이 증가할수록 상기 금은 합금 나노선 내에 함유되는 은의 원자 비율이 증가할 수 있다. 따라서, 사용되는 광의 파장에 따라 효과적인 표면 플라즈몬 효과를 얻기 위해 적절한 금은 합금 나노선의 조성을 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 기판에 평행하게 성장시킨 금 나노선과 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진들이다.
도 1을 참조하면, STO 기판 상에 450sccm의 유량으로 금 증기를 공급하여 STO 기판에 실질적으로 평행한 방향으로 금 나노선을 성장시켰다. 도 1을 참조하면, 상기 금 나노선은 옅은 노란색으로 나타났다. 이어서, 도 2를 참조하면, 상기 금 나노선 상에 800℃의 온도로 은 증기를 공급하여 금은 합금 나노선을 제조하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 금은 합금이 형성되면서 상기 나노선의 색이 옅은 은색으로 변화한 것을 알 수 있다.
도 1 및 도 2의 붉은 색 원으로 표시된 바와 같이, 초기에 형성된 상기 금 나노선의 기하학적 형상과 위치는 유지되면서, 그 위에 은 증기가 공급되어 금은 합금이 형성된 것을 알 수 있다. 또한 전체적으로 도 1 및 도 2의 격자 구조가 실질적으로 동일 혹은 유사하게 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 은 증기가 공급되면서 별도의 씨드가 형성되지 않고, 이미 기판 상에 형성된 상기 금 나노선에 흡착 혹은 증착되어 금은 합금을 형성함을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 기판에 수직하게 성장시킨 금 나노선과 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 SEM 사진들이다.
도 3을 참조하면, STO 기판 상에 150sccm의 유량으로 금 증기를 공급하여 STO 기판에 실질적으로 수직한 방향으로 금 나노선을 성장시켰다. 도 3의 우측 상단에 확대되어 도시된 바와 같이, 수직 성장한 상기 금 나노선의 말단부는 실질적으로 반-팔면체 형상을 가짐을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 도시된 금 나노선 상에 800℃로 가열된 은 증기를 공급하여 금은 합금 나노선을 형성시켰다. 도 4의 우측 상단에 확대되어 도시된 바와 같이, 상기 은 증기 증착 또는 흡착에 의한 금은 합금 나노선이 제조된 후에도 상기 금 나노선 말단의 반-팔면체 형상은 실질적으로 유지됨을 알 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 사진이다.
도 5를 참조하면, 제조된 금은 합금 나노선의 [110]면에서 격자 간격이 0.144nm로 균일하게 형성되며 내부 결함이 없는 단결정 구조의 금은 합금 나노선이 합성되었음을 알 수 있다. 또한 STO(110) 기판과 양호한 격자 일치성을 가지며 상기 금은 합금 나노선이 합성되었음을 알 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 EDS(energy dispersive spectroscopy)결과 분석을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 금은 합금 나노선에 있어서 금(Au) 및 은(Ag)의 피크들이 지배적으로 나타나며, 따라서 상기 금은 합금 나노선이 금과 은으로만 구성된 순도가 높은 단결정 구조를 가짐을 알 수 있다.
반응 시간 변화에 따른 금은 합금 나노선의 조성 변화
은 증기 공급 시간을 변화시켜 금 원자 및 은 원자들의 반응 시간을 변화시켰다. 이에 따라, 합성된 금은 합금 나노선의 조성을 EDS로 분석하였다.
도 3에서 합성된 금 나노선 상에 800℃의 은 증기를 각각 0, 1, 3 및 15분 동안 공급하고 각각 최종 수득되는 금은 합금 나노선의 라인-프로파일(line-profile) 및 조성을 측정하였다.
도 7은 은 증기의 공급시간을 변화시면서 측정된 금은 합금 나노선의 프로파일 및 조성을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 은 증기의 공급 시간이 길어짐에 따라 은 원자의 함량비(중량%)가 0 에서 66%까지 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 은 증기의 공급 시간이 길어짐에 따라 상기 금은 합금 나노선의 지름 또한 약 80nm에서 180nm로 증가하였다.
한편, 도 7에서 노란색 및 푸른색으로 표시되는 라인들은 각각 금 원자 및 은 원자의 프로파일을 나타낸다. 은 증기의 공급 시간이 길어짐에 따라, 푸른색 라인의 프로파일, 즉 은 원자의 함량이 우세해 짐을 알 수 있다. 또한 도 7을 참조하면, 금원자 및 은 원자들이 예를 들면, 코어-쉘(core-shell) 구조와 같이 한 쪽에 원자가 편재된 구조가 아닌, 나노선 전체에 금 원자 및 은 원자들이 고르게 혼합된 합금 구조로 분포되는 것을 알 수 있다.
도 8은 반응시간에 따른 금은 합금 나노선 내 은의 함량을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 은 증기의 공급시간(반응 시간, Reaction Time)이 증가함에 따라, 은의 함량이 증가하며 특히 반응 초기에는 은 함량이 급격하게 증가하다가 5분 이후에는 서서히 증가함을 알 수 있다. 또한 반응 시간이 약 5분 이상 유지되는 경우 은의 조성이 약 50% 이상으로 증가됨을 알 수 있다.
금은 합금 나노선의 SERS 분석
표면 증강 라만 산란(surface-enhanced raman spectroscopy: SERS) 분광 분석을 통해 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 여기 파장에 따른 표면 플라즈몬 특성을 조사하였다.
은 판위에 금 나노선, 은 나노선 및 금은 합금 나노선을 배치하여 SERS 분석을 위한 플랫폼을 제작하였다. 상기 금은 합금 나노선은 상술한 바와 같이 은 증기의 공급시간(반응 시간)을 변화시켜 조성을 변화시킬 수 있다.
SERS 분석을 위한 시료로서 BCB, 로다민 B 및 BT를 사용하였다. 상기 시료들의 분자들이 금속 나노선에 흡착되면 상기 분자의 라만 신호가 금속의 영향을 받아 증폭되면서 SERS 피크가 검출될 수 있다.
도 9는 BCB를 시료로 사용하여 측정한 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 9는 금 나노선(Au), 은 나노선(Ag) 및 반응시간을 조절하여 제조된 4가지의 다른 함량의 금은 합금 나노선들(Au0.7Ag0.3, Au0.5Ag0.5, Au0.4Ag0.6 및 Au0.35Ag0.65)로부터의 SERS 스펙트럼 결과를 나타낸다. 여기서, 광 632.8nm 파장의 광을 선택하였다.
도 9를 참조하면, 은의 함량이 증가할 수록 순수한 은 나노선과 유사한 SERS 피크가 관찰되었으며, 특히 은의 함량이 50%(Au0.5Ag0.5) 이상일 때 은 나노선과 실질적으로 유사한 SERS 피크가 도출됨을 알 수 있다. 구체적으로, 금은 합금 나노선(Au0.5Ag0.5)이 금 나노선보다 약 4배 강한 SERS 신호를 나타냈다.
도 10은 로다민 B를 시료로 사용하여 측정한 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 구체적으로 도 10은 532nm의 여기 파장을 갖는 광원을 사용하여 금 나노선(Au), 은 나노선(Ag) 및 금은 합금 나노선(Au0.5Ag0.5)의 SERS 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 금과 은의 함량이 각각 50%인 금은 합금 나노선(Au0.5Ag0.5)은 금 나노선 대비 약 6배의 SERS 신호 강도의 피크를 나타냈다. 도 9에 도시된 BCB를 시료로 이용한 632.8nm 여기 파장 SERS 스펙트럼과 비교할 때, 여기 파장이 짧아지면서 은의 SERS 현상이 금에서보다 상대적으로 강해짐을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는 BT를 시료로 사용한 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 11 및 도 12는 각각 여기 파장 514nm 및 488nm를 사용하여 얻은 SERS 스펙트럼이다.
도 11을 참조하면, 은 나노선 및 금은 합금 나노선(Au0.5Ag0.5)은 선명한 SERS 피크를 보여주는 반면, 금 나노선에서는 유효한 SERS 피크가 거의 나타나지 않았다.
도 12를 참조하면, 금은 합금 나노선(Au0.5Ag0.5)의 SERS 신호 강도는 은 나노선의 약 30%로 감소하였으나, 여전히 선명한 SERS 피크를 관찰할 있었다. 반면, 금 나노선에서는 SERS 피크가 관찰되지 않았다. 즉, 488nm의 파장에서도 상기 금은 합금 나노선은 표면 플라즈몬 활성을 가짐을 알 수 있다.
도 9 내지 도 12의 그래프들을 참조하면, 여기 파장이 짧아질수록 금의 표면 플라즈몬 현상이 약화됨을 알 수 있다. 이는 금과 은의 인터밴드 전이 파장이 각각 약 520nm 및 400nm 인 것에 기인한 것으로 판단된다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 여기 파장이 520nm 이하로 내려가면서 금 나노선의 표면 플라즈몬 특성은 거의 관찰되지 않았다. Au0.5Ag0.5 금은 합금 나노선의 인터밴드 전이 파장은 520nm 및 400nm의 중간값인 약 460nm 부근에서 일어날 것임을 예측할 수 있다. 따라서, 금 나노선에서는 플라즈몬 효과가 발생하지 않는 푸른색 파장 영역에서도 예시적인 실시예들에 따른 금은 합금 나노선을 이용해 표면 플라즈몬 효과를 발생시킬 수 있다.
더욱이, 광원의 파장에 따라 금과 은의 조성비를 조절함으로써 금은 합금 나노선의 인터밴드 전이 파장을 조절하여 표면 플라즈몬 현상을 극대화할 수 있다.
금은 합금 나노선의 내부식성 평가
은 나노선 및 예시적인 실시예들에 따라 제조된 Au0.5Ag0.5 금은 합금 나노선에 대해 부식성을 평가하였다. 구체적으로, 상기 은 나노선 및 금은 합금 나노선을 100℃로 가열하고 100sccm의 Ar과 20sccm유량의 산소 기체를 공급한 후 산화층이 형성된 두께를 측정하였다.
도 13은 은 나노선 및 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 산화 정도를 비교하기 위한 SEM 사진들이다.
도 13을 참조하면, 3시간 동안 산소 기체를 공급한 후, 은 나노선 상에는 얇은 산화막이 형성되었으며(도 13의 a 도면 참조), 12시간 동안 산소 기체를 공급한 경우 확연하게 두꺼운 산화막이 형성되었음(도 13의 c 도면 참조)을 확인할 수 있다.
반면, 금은 합금 나노선 상에는 12 시간의 산화 반응 진행 후에도 산화막이 거의 형성되지 않았음을 확인할 수 있다(도 13의 b 및 d 도면 참조).
도 14는 은 나노선 및 예시적인 실시예들에 따라 제조된 금은 합금 나노선의 산화 정도를 비교하기 위한 TEM 사진들이다.
도 14를 참조하면, 3시간 동안 산화 반응을 진행시킨 은 나노선의 경우 약 7nm 두께의 Ag3O4 산화막이 형성되었다(도 14의 e 도면 참조). 12시간 동안 산화 반응을 진행시킨 은 나노선의 경우, 약 35nm의 비정질 Ag2O3 산화막이 형성되었다(도 14의 g 도면 참조). 즉, 은 나노선의 경우 산화 반응 시간이 길어질 수록 산화막의 두께도 증가하며 산화막에 포함된 은의 산화수도 증가함을 알 수 있다.
반면, 금은 합금 나노선의 경우, 3시간 산화 반응 진행 후에는 거의 산화막이 형성되지 않았으며, 12시간 산화 반응 진행 후에도 약 2nm 정도의 얇은 산화막만이 형성되었다.
상술한 결과를 통해, 예시적인 실시예들에 따른 금은 합금 나노선을 이용해 화학적으로 보다 안정한 플라즈몬 소자를 수득할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 넓은 파장 영역대에서 표면 플라즈몬 활성을 가지며 화학적으로도 안정한 금은 합금 나노선을 제조할 수 있다. 상기 금은 합금 나노선은 예를 들면, 바이오 센서, 태양 전지, 나노 안테나와 같은 다양한 플라즈몬 소자에 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 금 나노선을 형성하는 단계 및
    상기 금 나노선 상에 은 증기를 공급하는 단계를 포함하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 상기 금 나노선을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 금 증기를 공급하여 에피택셜(epitaxial) 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기판은 STO(110) 기판인 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금 증기는 100 내지 250sccm의 유량으로 상기 기판 상에 공급되며, 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 수직한 방향으로 성장하는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금 나노선은 반팔면체 형상의 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 금 증기는 400sccm 이상의 유량으로 상기 기판 상에 공급되며, 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 평행한 방향으로 성장하는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 은 증기는 650℃ 내지 850℃의 온도로 가열되어 공급되는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 은 증기의 공급 시간을 조절하여 상기 금은 합금 나노선의 금과 은의 조성을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금은 합금 나노선의 은의 함량은 50 중량% 이상이며, 상기 은 증기의 공급 시간은 5분 이상인 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금은 합금 나노선은 420nm 내지 520nm의 파장 범위에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유발하는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 금은 합금 나노선은 단결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금은 합금 나노선의 제조 방법.
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