수차보정 투과/주사투과 전자현미경을 이용하여 합성한 육각형 금 나노플레이트 입자의 결정 및 결합구조를 원자단위로 분석하고, 동시에 고에너지 분해능 전자에너지손실 분광법(monochromated STEM-EELS)을 이용하여 플라즈몬 공명 에너지(파장) 및 공간 분포특성을 나노 스케일 단위로 시각화하는 기술을 개발함
단일 육각형 금 나노플레이트 입자에 에너지가 크게 다른 4개의 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 모드가 존재하며, 이들 모드 특성은 금 나노플레이트 입자의 기하학적인 구조(형상, 길이, 두께)에 따라 변화함을 확인함
양측 표면플라즈몬 공명 강도 분포가 비대칭인 육각형 금 나노플레이트 입자의 나노 스케일 스트레인 맵핑을 통해 한쪽 측면에서 발생한 인장변형(tensile strain)이 국부 표면플라즈몬 공명 강도를 크게 향상시킴을 최초로 발견함. 이는 전산 모사로 예측한 결과와 일치함.
또한, 육각형 금 나노플레이트 입자의 한쪽 측면에서 발생한 커다란 인장변형(tensile strain)은 결정구조가 다른 경계 부근에서 생성된 Z형의 결함 쌍극자(faulted dipole)에서 비롯되었음을 원자수준에서 규명함
[연구결과]
Strain-Induced Modulation of Localized Surface Plasmon Resonance in Ultrathin Hexagonal Gold Nanoplates
Gyeong-Su Park*, Kyung Suk Min, Hyuksang Kwon, Sangwoon Yoon, Sangwon Park, Ji-Hwan Kwon, Sangmin Lee, Jaeyeon Jo, Miyoung Kim, and Seong Keun Kim*
(Advanced Materials, 02 August)
* Advanced Materials / Impact factor : 30.849 (2020)
국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR)은 국부적으로 강력한 전자기장 향상을 유도하고 광학특성을 크게 향상시킨다. 현재의 분광분석법으로 불가능한 단일 육각형 금 나노플레이트 입자의 다양한 국부 표면 플라즈몬 공명 모드와 강도분포를 투과전자현미경(TEM)의 고에너지 분해능 전자에너지 손실분광법을 개발하여 처음 나노스케일 단위로 측정하였다. 또한, 스트레인 맵핑을 통해 육각형 금 나노플레이트 입자의 측면에서 발생한 인장변형 (tensile strain)이 국부 표면플라즈몬 공명 강도를 크게 향상시킴을 세계 최초로 규명하였다.
[용어설명]
- ○플라즈몬 금속이 나노 크기가 되면 금속 표면에서 일어나는 자유 전자의 집단적 진동에 의해 표면 플라즈몬 공명 특성이 나타나고, 기하학적인 형상이나 크기 등에 따라 국부적으로 다른 광학적 특성을 가진다.
- ○주사투과전자현미경(STEM)에서 원자단위 영상을 얻으면서 동시에 전자에너지손실분광의 저손실(low loss) 영역, 특히 표면 플라즈몬 공명 에너지와 강도 분포를 고에너지 분해능으로 측정할 수 있는 고도의 분석기술이다.
- ○투과전자현미경의 전자총에서 시료로 조사되는 전자선에서 중심 에너지 범위의 전자선만을 선택하고, 그 에너지 범위를 벗어난 전자선들은 제거하는 단색화 장치를 모노크로미터라고 한다.
[그림설명]
육각형 금 나노플레이트 입자의 비대칭 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 강도 분포와 인장변형(tensile strain)에 따른 표면플라즈몬 강도 향상
단일 육각형 금 나노플레이트 입자에는 4개 (α,β,γ,δ)의 국부 표면 플라즈몬 공명 모드가 존재하며, 그 중 측면 표면플라즈몬 공명 (γ) 강도 분포가 비대칭인 이유는 한쪽 측면에서 발생한 인장변형 (tensile strain)이 측면 표면플라즈몬 공명강도를 크게 향상시키기 때문이다.