Unconventional Polymer-Gold Hybrid Nanostructures

Abstract

In CHAPTER Ⅰ, we introduce the basic concepts of surface plasmon resonance, plasmonic nanostructures and block copolymer self-assembled fabrication. Surface plasmon resonance can be divided into two types in surface-based sensing: propagating surface plasmon resonance and localized surface plasmon resonance. These properties can be applied in biosensors, layer-by-layer systems, and lab-on-a-chip sensors. Plasmonic nanostructures have their unique localized surface plasmon resonance properties depending on their size, shape, surrounding environment, and interdistance. So it is needed to consider the synthesis, fabrication, and application of plasmonic nanostructures. Self-assembling processes are powerful route for nanofabrication. In particular, self-assembled block copolymers can be employed as promising techniques that can be formed nanoscale periodic patterns that have been widely used as templates to generate ordered nanostructures. In this section, we also introduce some examples including fabrication of nanostructures using block copolymers and their applications. In CHAPTER Ⅱ, a versatile and facile route to control the composition of plasmonic nanoparticles aligned in a configuration of two-dimensional nanoarrays is presented by applying galvanic displacement reactions on a pre-defined noble metal nanoparticles arrays which were prepared from diblock copolymer inverse micelles containing metal precursors. We suggest two different strategies in order to demonstrate that Au nanoparticle arrays in different configurations can be obtained. In route Ⅰ, pure Au nanoparticle arrays without polymer matrix are generated. And in route Ⅱ, Au nanoparticle arrays embedded inside a stabilized polymer matrix are obtained. In CHAPTER Ⅲ, we present a facile strategy for the generation of plasmonic nano-necklace arrays by introducing metallic precursors into strings of reconstructed inverse micelle nanotemplates. This templates were prepared by applying sequential selective solvent treatment and solvent vapour annealing for quasi-hexagonal arrays of poly(styrene-block-2-vinylpyridine) inverse micelles. We apply this methodology to make pure metallic or bimetallic line patterns consisting of Ag and Au, and their localized surface plasmon resonance properties are systematically discussed. The surface morphologies of plasmonic nanostructures were characterized by atomic force microscopy (AFM). The nanostructures were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and UV-visible absorption spectroscopy.;본 연구에서는 특이구조를 갖는 고분자-금 하이브리드 나노구조체를 자기 조립을 이용하여 제조하고, 나노구조체의 성질을 확인하고자 한다. 첫 번째 장에서는, 표면 플라즈몬 공명 현상과 플라즈몬 나노구조체, 블록 공중합체의 자기조립 현상에 의한 나노구조체 제조에 대한 일반적인 개념과 그 응용에 대하여 소개하였다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 나노 크기 수준의 귀금속 표면 전자의 집단적인 진동 운동이 갖는 고유의 벡터와 외부에서 입사하는 빛의 벡터가 일치하는 조건에서 공명이 일어남으로써 증폭된 장이 유도되는 현상으로, 반도체, 층상 자기조립 시스템, 랩온어칩 센서, 극미량 생체물질의 선택적 초고감도 센싱, 질병 진단, 생체 분자 간 상호작용을 이용한 신약 개발 분야에서 가장 널리 응용될 수 있다. 특히 플라즈몬 나노구조체는 구조체의 크기나 모양, 주변 환경, 구조체 사이의 거리에 영향을 받는 특이한 국소적 표면 플라즈몬 공명 성질을 가지고 있고, 이러한 성질을 조절하기 위한 플라즈몬 나노구조체의 합성/제조 방법과 그 응용에 대한 최근 연구를 소개하였다. 한편, 블록 공중합체는 두 개의 고분자 사슬이 한쪽 끝을 매개로 공유결합으로 연결된 고분자로서, 두 블록 간의 공유결합 연결점의 제약으로 인해 각 블록을 각각의 도메인으로 상 분리시키는 경향을 띠게 된다. 이러한 블록 공중합체의 자기조립 현상을 이용하면 의료용, 전자/정보, 광학, 센서 등에 응용할 수 있다. 두 번째 장에서는, 금속 전구체와 블록 공중합체 역마이셀을 템플레이트로 이용하여 귀금속 나노구조체를 제조하고, 준비된 나노구조체 어레이에 갈바니 치환 반응을 적용하여 기존 구조를 유지한 상태에서 구성성분을 조절하는 연구결과를 소개하였다. 또한, 주변 환경을 제어한 상태로 금 나노 입자 어레이를 제조하였는데, 한가지는 고분자 주형이 없는 금 금속 나노구조체 어레이의 제조방법이고, 다른 한가지는 경화시킨 고분자 주형 안에 존재하는 금 금속 나노구조체 어레이의 제조방법이다. 마지막 장에서는, 자기 조립 블록 공중합체 역마이셀 배열의 재배열에 의한 끈 배열의 마이셀 나노 링 어레이를 제조하고, 이를 템플레이트로 이용하여 고집적 끈 배열의 단일 금속 나노 입자 또는 복합 금속 나노 입자 구조체 어레이의 제조 방법에 대한 연구결과를 소개하였다. 역마이셀 용액을 기판에 도포하여 코팅층을 형성시킨 후, 공용매에 의한 솔벤트 어닐링 과정과 친수성 용매 처리 과정을 순차적으로 도입하여 끈 배열의 나노 링 어레이를 준비하였다. 제조된 끈 배열의 나노 링 어레이에 금속 전구체를 도입하여 단일 금속입자 어레이 뿐만 아니라 이중 금속 입자 어레이를 제조하였고, 이를 이용하여 국소적 표면 플라즈몬 공명 성질에 대하여 살펴보았다.