Metallic Nano-Gap Electro-Fluidic Devices for Optical Sensing and Particle Trapping Applications

국문 초록 (Abstract)

최근 나노 과학 기술은 다양한 분야의 핵심 요소로서 활용되고 있다. 특히 광학적, 전기적 분야에 많이 응용이 되고 있는데, 전자기파를 금속 나노 구조와의 상호작용으로 효과적으로 제어해 기존에 볼 수 없었던 광학적 특성을 구현하거나, 전기 소자의 크기를 나노 크기로 만들어 전기적인 성능을 유의미하게 향상시키는 연구가 진행되어 왔다. 더 나아가 광학적 응용과 전기적 응용을 접목시켜 기존 소자의 성능을 배가시키는 연구들이 주목을 받고 있는데, 광전기 전기유체 센서 소자를 그 대표적인 예로 들 수 있다. 광전기 센서 전기유체 소자의 일종으로 나노 광학 소자의 센싱 영역으로 목표 물질을 전기적으로 끌어당겨 센싱 성능을 극대화한 광학 센서이다. 이 소자를 구현하기 위해선 몇 가지 기술 요소들을 기반으로 갖춰야 한다. 먼저 광학적 소자의 충분한 센싱 성능이 확보돼야 하고, 바이오 케미컬한 물질을 다룰 수 있도록 수용액 환경에서 잘 동작할 수 있어야 하며, 센싱하고자 하는 목표 물질을 특정 위치에 밀집시킬 수 있어야 한다. 본 논문에서는 앞서 설명한 전기유체 소자의 주요 요소 기술들을 확보하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 금속 나노갭을 기반으로 한 새로운 형태의 나노 구조를 제안하고, 광학적, 전기적 성능을 크게 향상시켰으며, 수용액 환경에서의 활용 가능성을 모색하였다. 일반적으로 나노 구조를 만들기 위해 전자빔 리소그래피나 집중 이온빔과 같은 기술이 사용되는데, 이 기술들은 매우 비싸고 복잡해 대면적 구현에 부적합하다. 이에 착안해, 연구 과정에서 이 같은 나노 공정 기술 없이 간단한 기술만으로 대면적에 나노 구조를 구현하는 것에도 초점을 맞추었다.
이를 위하여 먼저, 3장에서는 구조색 소자에서 광학적 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다. 외부 매질이 광학적 센싱 영역으로 접근 가능한 금속-유전박막-나노 구조체 금속막 구조의 광공진기 소자를 제안하고, 굴절률의 변화에 매우 민감한 색 조정 특성을 달성하였다. 광공진기의 반투명층으로 자기 조립된 나노 구멍을 지닌 금속 박막층을 채택하여, 아래 절연층을 선택적으로 식각해 나노기둥과 빈 공간이 생기게 된다. 그 결과, 본 소자는 외부 매체가 유전층의 빈 공간에 들어갈 수 있게 함으로써 매우 높은 굴절율 민감도를 달성할 수 있었다. 또한, 4장에서는 3장에서 제시된 소자를 기반으로 전기 습윤의 원리를 적용해 수용액 환경에서의 활용 가능성을 모색함과 동시에 전기적으로 조절 가능한 구조색 소자를 선보였다. 소수성의 광공진기의 내부 공명 영역에 전기 인가를 통해 물 수용액을 넣을 수 있었고, 이를 통해 광학센서뿐 아니라 광학그림, 광학 암호화의 응용가능성을 선보였다. 마지막으로, 5장에서는 전극을 수직으로 배치시켜 발생하는 효과를 이용해 저전압으로 극소한 나노 입자를 제어해 다양한 곳에 위치시키는 연구를 보였다. 수직 전극 구조는 기존의 수평 전극보다 전기장을 왜곡시켜 훨씬 강한 유전영동력을 발생시키는 보다 향상된 전기적 성능을 보였다. 또한 기존의 수평 나노갭 전극에서는 불가능했던 인가 주파수에 따라 다양한 곳에 입자를 위치시키는 모습을 보였다. 이 같은 특성들을 통해 나노 입자들을 전압에 따라 선택적으로 제어할 수 있었고, 수 마이크로 미터의 효모균 세포에서부터 수십 나노미터 크기의 분자집적체까지 다양한 크기의 바이오 입자를 저전압에서 제어할 수 있었다.
결론적으로, 본 논문에서는 새로운 금속 나노갭 구조를 제안하고 이에 기반하여 굴절율 민감도와 유전영동력과 같은 광학적, 전기적 성능들을 향상시켰으며 수용액 환경에서의 활용 가능성을 제안하였다. 또한, 이 과정에서 비싸고 복잡한 나노 공정 기술을 배제한 채 대면적에 나노 구조를 만듦으로써 실용적인 활용가능성을 높였다. 본 논문에서 제안된 새로운 소자구조와 그 기반이 되는 메커니즘에 관한 연구는 향후 전기유체 센서 소자 외에도 다양한 첨단 광학 및 전기 시스템의 개발에 응용될 수 있을 것이라 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For recent decades, nanoscience and nanotechnology developed into a research field with great promises for its extraordinary characteristics and applicability to various fields. Especially, adopting nanostructures to optical and electrical devices accomplished outstanding achievements by significant improvements on physical performances and realization of exotic properties that none of the conventional materials has exhibited. Furthermore, studies converging optical and electrical applications has attracted much attention for its significant enhancement of performances, for example, electro-fluidic and optoelectronic sensing systems. The optoelectronic sensors are a kind of advanced electro-fluidic nanophotonic devices, which maximizes its sensing capability by electrically attracting sensing target into optically resonant areas. Although those devices are intensively studied for their potential applications, several technologies should be developed to overcome impeding challenges and realize practical electro-fluidic devices. First, sufficiently large optical sensitivity should be guaranteed for practical sensing. Secondly, external medium and sensing targets should be accessible to optically resonant area under aqueous environment for bio/chemical applications. Lastly, the device should be able to localize and accumulate sensing targets into the specific location by low-voltage electric signals. In this point of view, novel type of metallic nanogap nanostructures are proposed in this thesis to overcome these difficulties and significantly enhance optical and electrical performances in the viewpoint of the scientific research and practical applications. For practical implementation, we also focuses on fabrication of nanostructures over large-area with only simple techniques, since general nanofabrications such as electron beam lithography and focused ion beam are very expensive, complicated and inappropriate for large-area applications.
First, a liquid-permeable concept in a metal−insulator−metal (MIM) structural color is proposed to enable access of external medium and material into optically resonant area and achieve highly sensitive optical property. A nanostructured top metal film with nanoapertures, adopted as a transreflective layer for MIM resonator, allows to tailor the nanomorphology of a dielectric layer through selective etching of the underneath insulator layer, resulting in nanopillars and hollow voids in the insulator layer. By allowing outer mediums to enter into the hollow voids of the dielectric layer, such architecture enables to achieve significantly large amount of RI-sensitive wavelength shift in the visible range. Second, by using this device, aqueous utilization of nanomorphology-induced hydrophobic nanophotonic devices is demonstrated based on the principles of electrowetting. Through the electrical actuation, it was able to infiltrate water solutions and sensing targets into hydrophobic internal resonant area, exhibiting applicability to photonic printing and encryption as well as optical sensors. Lastly, vertical nanogap device from metal-insulator-metal multilayers are demonstrated, which enables low-voltage AC electrokinetic manipulation of nanoparticles (NPs). Compared with the conventional horizontal nanogap devices, this vertical configuration generates much stronger dielectrophoretic trapping force for NPs under identical voltage. From this advantage, we successfully demonstrated bio-NP capture at the level of 20 ~ 40 nm molecular aggregates.
In conclusion, for realization of practical optoelectronic sensing devices, this thesis presents a novel metallic nanogap structure and demonstrates enhanced optical/electrical performances and their utilization in aqueous environment. Throughout this work, the nanostructures over large-area were created by simple processes for practical implementation and usability. The new device architectures and their underlying mechanism presented here would provide new opportunities to develop variety of advanced optoelectronic and electro-fluidic systems.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Abstract
• Contents
• List of Figures
• List of Tables
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Structural Colors 4
• 1.2. AC Electrokinetics 8
• 1.3. Outline of Thesis 10
• Chapter 2. Theoretical Background 12
• 2.1. General theory on Fabry-Perot Optical Resonator 12
• 2.1.1. Transmissive Fabry-Perot Optical Resonator 12
• 2.1.2. Reflective Fabry-Perot Optical Resonator 16
• 2.2. General theory on AC electrokinetics 19
• 2.2.1. Dielectrophoresis 19
• 2.2.2. AC Electro-Osmosis 22
• Chapter 3. Highly Sensitive Liquid Permeable Fabry-Perot Resonator with Nanogap 26
• 3.1. Introduction 26
• 3.2. Basic Concept 28
• 3.3. Experiments 30
• 3.3.1. Fabrication of Nanogap Optical Resonators 30
• 3.3.2. Self-Assembly of Au Nanostructures 32
• 3.3.3. Softlithographic Patterning by PDMS Stamp 34
• 3.3.4. Measurement of Reflectance Spectra 35
• 3.4. Simulations 37
• 3.4.1. Bruggeman’s Effective Medium Theory 37
• 3.4.2. Optical Simulation Based on Bruggeman’s Effective Medium Theory 37
• 3.5. Results and Discussions 40
• 3.5.1. Nanomorphology of Insulator and Optical Properties 40
• 3.5.2. Optical Tunability by Liquid Permeation 44
• 3.5.3. Applications for Encryption and Decryption 48
• 3.6. Summary 51
• Chapter 4. Electrocapillary Wetting of Aqueous Solutions in Optical Nanogap 52
• 4.1. Introduction 52
• 4.2. Basic Concept 55
• 4.3. Experiments 57
• 4.3.1. Fabrication of Nanogap Optical Resonator 57
• 4.3.2. Contact Angle Measurement 58
• 4.3.3. Measurement of Reflectance Spectra 59
• 4.3.4. Experimental Setup for Direct Writing and Drawing of Structural Color Patterns 60
• 4.3.5. Fabrication Process of Patterned ITO Electrodes 61
• 4.4. Results and Discussions 63
• 4.4.1. Nanomorphology of Insulator and Wetting Properties 63
• 4.4.2. Electrically Triggered Cassie-to-Wenzel transition for Structural Color Change 68
• 4.4.3. Optical Sensing Applications 72
• 4.4.4. Other Photonic Applications 74
• 4.5. Summary 78
• Chapter 5. Vertical Nanogap Electrodes for Low-Voltage Manipulation of Nanoparticles 80
• 5.1. Introduction 80
• 5.2. Basic Concept 82
• 5.3. Simulations 83
• 5.3.1. Theoretical AC Electrokinetics Forces on Suspended Particles 83
• 5.3.2. Numerical Model for Simulations 84
• 5.3.3. Simulation of Dielectrophoresis 85
• 5.3.4. Simulation of AC Electro-osmosis 86
• 5.3.5. Simulation of Joule Heating 89
• 5.3.6. Simulation of Electrothermal Effect 90
• 5.3.7. Calculation of Gravitational Forces 92
• 5.3.8. Conversion of Fluid Velocity into Drag Force 92
• 5.3.9. Calculation of Clausius-Mossotti Factor of Polystyrene Micro/Nanoparticles 93
• 5.4. Experiments 94
• 5.4.1. Fabrication of Vertical Nanogap Device Array 94
• 5.4.2. Preparation of Polystyrene Micro/Nanoparticles 96
• 5.4.3. Preparation of Nanovesicles 96
• 5.4.4. Preparation of Aβ42 Assemblies 97
• 5.4.5. Preparation of Bacillus Subtilis Spores 98
• 5.4.6. Voltage Application and Data Analysis 98
• 5.4.7. Circular Dichroism Spectrometer and Dynamic Light Scattering Measurement 99
• 5.5. Results and Discussions 100
• 5.5.1. Dielectrophoretic Advantages of Vertical Nanogap Devices 100
• 5.5.2. Simulated Particle Displacements by AC Frequency 105
• 5.5.3. Experimental Particle Displacements by AC Frequency 108
• 5.5.4. Voltage-Dependent Size-Selective Nanoparticle Trapping 112
• 5.5.5. Trapping of Nanovesicles within Pre-defined Geometry 116
• 5.5.6. Trapping of Aβ42 Assemblies; Fibrils, Proto-Fibrils, and Oligomers 119
• 5.6. Summary 123
• Chapter 6. Concluding Remarks 125
• Acronyms 128
• Bibliography 130
• Publications 149
• Abstract (In Korean) 152