The Studyㅁ of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Effect on Au Nanoparticle/h-BN/Au Substrate to Prevent Electrical Short Cancelling Strong Electric Field at Nanogap 전기적 쇼트로 인한 나노갭에서의 강한 전기장의 감쇠 방지를 위한 금 나노입자/질화붕소/금 기판에서의 표면증강 라만분광 현상 연구

Abstract

금속과 금속 사이에서 생성된 핫스팟은 표면증강 라만분광법 연구에서 매우 중요한 요소이다. 핫스팟의 형성 및 그 세기는 금속 간 거리가 매우 중요한 요소로 작용하기 때문에 작은 간극 거리 변화 또는 금속간의 접촉에 의해 라만 신호에 큰 변화를 일어날 수 있다. 금속 나노입자와 금속 기판 사이에 형성시킨 나노수준의 간극은 강한 전기장 증폭을 형성하기에 간편한 방법으로써, 표면증강 라만분광법에 사용하기에 적합하다. 하지만 분석물질의 농도가 낮은 경우에는 금속 나노입자와 금속 기판 사이에 직접적인 전기적 접촉이 발생할 수 있고, 이는 심각한 라만 신호의 감소를 일으킬 수 있다. 본 논문에서는 원자층 수준의 얇은 이차원 육방정계 질화붕소를 금 나노입자와 기판 사이에 분리층으로 활용, 전기적 접촉을 방지하여 효과적으로 라만 신호를 증강할 수 있는 기판을 제안하였다. 유한차분 시간영역법을 통하여 다양한 구조체에서의 전기장 분포를 계산하였고, 육방정계 질화붕소가 없는 구조에서는 전기장이 감소하는 반면, 육방정계 질화붕소가 있는 구조에서 큰 전기장 증폭이 보존됨을 관찰하였다. 또한 라만 분광법을 통해 위에서 제시된 구조에서의 효율적인 라만 증강을 관찰하였고, 육방정계 질화붕소를 활용하여 제작된 기판이 우수한 화학적·열적 안정성을 지니므로 재활용 가능함을 보였다. 추가적으로, 질화붕소의 두께 또는 장 수에 따른 증강 효율에 관한 연구는 남아있는 과제로써, 이를 통해 질화붕소의 역할에 대한 보다 심도 깊은 이해가 가능하리라고 생각된다. 본 논문을 통해 효과적인 표면증강 라만분광법에 활용될 수 있는 새로운 기판을 제시할 뿐만 아니라 금속이 나노수준 간극을 가질 때 발생할 수 있는 현상에 대하여 보다 나은 이해를 제공할 것으로 기대한다.|The controlling hot spot generated between metal and metal plays pivotal roles in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) study. In the formation and influence of hot spot, the gap distance between metals is very important, so even a little change of gap distance or electrical contact can change significant Raman enhancement. Practically, nanosized gap between Au nanoparticles and Au substrates are the simplest systems that generate extremely high electric fields at hot spot for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). However, without a specific spacer, an electrical short could cause the hotspots for detecting low-concentration analytes to disappear because of their geometric characteristics. Here, I propose an atomically thin hexagonal boron nitride (h-BN) as a shielding layer, which can be used as an insulating spacer to prevent electrical shorts at nanogaps. Experimental investigation of the SERS effect combined with theoretical studies by finite-difference time-domain simulations demonstrate that the Au NP/h-BN/Au substrate structure has excellent performance in electrical short prevention, thus facilitating ultrasensitive Raman detection. The outstanding chemical and thermal stability of h-BN allows the efficient recycling of the SERS substrate by protecting the Au surface during the removal of Au NPs and molecular analytes by chemical and thermal processes. Further studies are required for demonstrating the effect of h-BN thickness and layer dependence to elucidate the exact enhancement factor. I expect this study not only to suggest an effective SERS substrate, but also boost a better understanding of optical phenomena in nanosized gap between metals.