Intragap Plasmon Resonances in Core-Gap-Shell Nanostructures = 코어-갭-쉘 나노구조의 내부갭 플라즈몬 공명

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Surface plasmon, the collective oscillation of electron clouds at metal/dielectric interfaces, focuses the electromagnetic energy in subwavelength region because the characteristic wavelength is much smaller, and the speed of surface plasmon is much slower than the ones at vacuum. This focusing effect dramatically increases when two metal/dielectric interfaces are adjacent. Plasmonic nanoparticles are of special interest, because their surface plasmon resonance lies in visible to near-IR region depending on their size, and the light they focus can drastically increase the response of the nearby molecules. Core-gap-shell type plasmonic nanoparticles are a promising platform because they can serve precisely controlled and robust nanogap of one to a few nm.
In this thesis, the behavior of the intra-nanogap plasmons were discussed. First, fundamentals of plasmonics and properties of plasmonic nanogaps were introduced. Next, Synthetic strategies of web-above-a-ring (WAR) and web-above-a-lens (WAL) nanostructures are reported. The WAR has a controllable gap between the nanoring core and a nanoweb with nanopores for the effective confinement of electromagnetic field in the nanogap and subsequent surface-enhanced Raman scattering (SERS) of Raman dyes inside the gap with high signal reproducibility. In chapter 3, the intragap structure formed by selective etching of silver in gold core-
ii
gold,silver alloy shell particle. By controlling the composition of silver in the alloy shell, the gap thickness was uniform and tunable. Nanobridges formed during the raction is attributed to the discrepancy in the trends in plasmon resonance and corresponding SERS response between the synthesized and modeled structures. For proper modeling of the nanobridges, the formation mechanism was proposed via atomistic kinetic Monte Carlo simulation. In the last chapter, we define the intragap plasmon resonance, and studied how the intragap plasmon resonance change as the structure gradually, continuously transforms from cubic core-gap-cubic to spherical core-gap-sphere. The intragap plasmon resonance destructively interfered with the plasmon excited at the outer surface of the shell if they have different symmetry. If not, they did not interfere with each other. The spectral position intragap plasmon resonance did not change when two core-gap-shell particles are adjacent and the plasmonic coupling occurs. This feature is expected to be used as another degree of freedom in designing plasmonic metasurfaces.

국문 초록 (Abstract)

표면 플라즈몬은 금속 절연체 계면에서 전자들이 집단으로 진동하는 현상으로서 그 파장과 진행 속도가 진공에서의 빛의 속도보다 현저하게 느리기에 전자기 에너지를 파장보다 작은 영역에 집속시킨다 이 집속 효과는 두 개의 금속 절연체 계면이 맞닿아있을 때 급격히 커진다 플라즈모닉 나노입자는 그 크기에 따라 표면 플라즈몬 공명이 가시광선 적외선 영역에 놓여 있어 빛을 집속시켜 근처에 있는 분자들의 반응을 현저히 증가시킬 수 있기에 특별한 관심을 요한다 코어 갭 쉘 형태의 플라즈모닉 나노입자들은 이러한 응용에 유망한 플랫폼인데 이는 1 nm 에서 수 nm 에 해당하는 정밀하고 견고한 나노갭을 형성하는 것이 가능하기 때문이다 이 학위논문에서는 내부 나노갭 플라즈몬의 거동이 논의된다 첫 번째로 플라즈몬 성질과 플라즈모닉 나노갭에 대한 기초 배경지식이 소개된다 제 2 장에서는 링을 덮은 거미줄 링을 덮은 렌즈 형태의 나노구조가 보고된다 링을 덮은 거미줄 입자는 나노링 코어와 구멍이 난 나노거미줄 사이에 조절 가능한 두께의 갭을 가진 입자로서 전자 기장을 이 영역에 효과적으로 집속시킬 수 있고 그에 따라 갭 안에 있는 라만 분자들의 표면증강 라만 신호를 높은
재현성을 가지고 유도할 수 있다 제 3 장에서는 금 코어 금 은 합금 쉘 구조에서 은을 선택적으로 녹여내어 만든 구조가 보고된다 . 합금 쉘에서 은의 조성을 조절함으로써 갭의 크기를 원하는 크기로 균일하게 합성할 수 있다 합성 과정에서 생기는 나노브릿지의 존재는 디자인한 구조와 실제 합성된 구조간의 플라즈모닉 공명과 그에 따른 표면증강 라만 신호의 경향성이 완전히 다르게 나타나게 만드는 역할을 하는데 이러한 나노브릿지를 적절히 모델링할 수 있도록 나노브릿지의 형성 과정을 키네틱 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 밝혔다 마지막 제 4 장에서는 내부 갭 플라즈몬 공명을 정의하고 나노입자의
구조가 큐브 코어 갭 큐브 쉘에서 구형 코어 갭 구형 쉘로 점진적으로, 연속적으로 변할 때 어떻게 변하는지 제시한다 이 구조는최외각 플라즈몬과 같은 대칭성을 가질 땐 상쇄간섭을 하나 대칭성이 다르면 서로 간섭 을 하지 않았다 두 개의 코어 갭 쉘 구조 나노입자가 인접해서 플라즈모닉 커플링이 일어나더라도 내부갭 플라즈몬 공명의 파장은 변하지 않았다 이러한 특징은 향후 플라즈모닉 메타물질을 만들 때 또 하나의 자유도로 활용할 수 있을 것으로 기대된다

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Backgrounds 1
• Chapter 2. Web-above-a-Ring (WAR) and Web-above-a-Lens (WAL): Nanostructures for Highly Engineered Plasmonic-Field Tuning and SERS Enhancement 21
• Chapter 3. Atomistic Mechanism of Nanobridge Formation in Dealloyed Intra-Nanogap Particles 61
• Chapter 4. Interference between Outersurface Plasmons and Intragap Plasmons 79
• Bibliography 102
• Abstract in Korean 120