The Study on the Fluorescence Characteristics of Noble Metal-Quantum Dots Hybrid Nanostructures

Abstract

In CHAPTER I, we introduce the concepts of photoluminescence properties of semiconductor quantum dots-Au NPs system. Interactions with surface plasmons (SPs) of Au NPs can remarkably affect the photoluminescence (PL) intensities of QDs, in which the QD PL intensity is ether enhanced or diminished by neighboring metal NPs due to the competition between field enhancement and nonradiative energy transfer to SPs. Overall enhancement or quenching is observed in a given system is determined by the competetion between excitation enhancement (increace light absorption), emission enhancement (increase radiative decay), and quenching (increase nonradiative decay). Understanding and controlling the balance is critical issues for the development of technological applications based in plasmonic near-field effects. So CHAPTER I provides a general route for the study on photoluminescence properties of QDs effected on Au NPs SPR and applications for biological assays and organic light emitting diodes. In CHAPTER II, we investigated the photonic interactions between Au NPs and CdS QDs in discrete nanostructures through LbL polyelectrolyte deposition. Through the LbL nanotechnologies, we were able to control the separation distances between Au NPs and QDs in nanoscale ranges in addition to consideration of the size effect of Au NPs. The quenched PL intensity was restored propotional to number of spacers of polyelectrolytes and the PL intensities of the samples with different size of the Au NPs showed more dependence on the thicksess of spacer between Au NPs and QDs. It was possibly due to the weak energy transfer efficiency of the small sized Au NPs. But the related experiments are in the progress and there are many challenges about size effect of Au NPs on fluoroscence properties of the QDs. In CHAPTER III, we fabricated a multilayered flim with FRET donors (Cou-PAH) and FRET acceptors (CdSe) affected by surface plasmon resonance of Au NPs. The distance between Cou-PAH and CdSe QDs was directly tuned by the number of [PDDA/PSS] spacers. When the number of [PDDA/PSS] bilayers was increase enough to separate the Cou-PAH from CdSe beyond the FRET radius, the FRET was effectively restricted. In contrast, as the number of [PDDA/PSS] bilayers was decreased, the distance between Cou-PAH and donors and CdSe acceptors came up to near to the FRET radius, resulting in a step by step increase of emission from the CdSe QDs acceptors. In addition, the multilayered flim of FRET donors and acceptors with SPR of Au NPs, also show FRET phenomena in decrease photoluminescence intensities. There are many challenges and we expect further researches about relative studies. The LbL assembling method provided an accurate organization of different types of fluorophores in multilayered thin film to control their cooperative emitting characteristics. It should be very important for future application in optoelectric devices.;본 연구에서는 금-양자점 나노구조체를 제조하고, 하이브리드 나노구조체의 형광 특성을 이해하고자 하였다. 첫 번째 장에서는, 양자점의 형광 특성이 나노 스케일의 금 입자를 통해 제어되는 이론적 배경과 기존 연구를 소개하였다. 양자점은 금 나노 입자의 표면-플라즈몬 공명현상과의 상호작용으로 그것의 형광 세기가 증대되거나 감소하는 현상을 보인다. 이것은 표면 플라즈몬으로 인한 증폭된 장의 유도현상과 에너지의 비방사적 전이 사이의 경쟁적 상호작용의 결과에 기인한다. 특히 이러한 경쟁적 상호작용은 금 나노 입자와 양자점 사이의 거리를 조절하거나 금 나노 입자의 크기를 조절하는 기법을 통해 연구할 수 있었다. 이 접근법을 통해 금 나노 입자의 표면-플라즈몬 공명현상이 양자점의 형광 특성을 제어하는 일반론을 제시하여 금-양자점 하이브리드 소재의 바이오 센서, 발광소자 등의 다양한 분야의 응용을 위한 기반이 될 것으로 기대한다. 두 번째 장에서는, 금 나노 입자와 양자점 하이브리드 구조체의 형광 특성을 연구 하기 위해 용액 상태에서 금 나노 입자와 양자점의 거리를 나노 스케일로 조절하였다. 그 구체적인 기법으로 다층막 적층 기법을 활용하였다. 정전기적 인력을 바탕으로 반대 전하를 띤 고분자를 교대 적층하여 금 입자 주위에 다양한 두께의 미세 고분자 껍질을 적용한 후 금 나노 입자와 양자점 사이의 거리를 조절하였다. 또한 적용한 금 나노 입자의 사이즈를 조절하여 거리 효과뿐만 아니라 금 입자의 사이즈 효과로 인한 형광 특성을 연구하고자 하였다. 이러한 다층막 적층 기법을 통해 양자점과 금 나노 입자 사이의 미세 거리를 조절할 수 있었고 그 결과 소광된 양자점의 형광 세기가 적층된 고분자의 다층막 수에 비례하여 회복됨을 관찰 할 수 있었다. 마지막 장에서는, 나노발광소재로서 그 응용가능성을 구체화 시키고자 두 번째 장의 용액상태의 하이브리드 구조체 연구를 발전시켜 기판 위에서 형광구조체의 형광 특성을 연구하였다. 특히 형광체 간의 에너지 전이 현상을 통해 두 형광체 사이의 거리를 다층막 적층 기법을 통해 조절하여 기판이 내는 빛을 제어하고자 하였다. 그 결과 형광체 간의 에너지 전이 현상이 두 형광체 사이의 미세 거리에 비례하여 조절됨을 확인할 수 있었고 뿐만 아니라 각 형광체에 금 나노 입자를 도입하여 기판이 발하는 빛의 종류와 세기를 조절할 수 있었다. 이와 관련한 구체적인 실험은 현재 진행 중이며 앞으로 발전된 결과와 응용 가능성을 기대하고 있다.