[논문 리뷰] 3D Nanoporous Antennas for high sensitivity IR plasmonic sensing

Calandrini, Eugenio, Giovannini, Giorgia외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Nanoporous metals and alloys인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 3차원 나노다공성 금(NPG) 안테나가 근적외선 영역에서 전자기장 봉쇄 효과를 향상시켜 4,000 nm/RIU 이상의 감도를 가지며, 기존의 막대형 금과 비교해 뛰어난 적외선 플라스모닉 센싱 성능을 보임을 입증한다. 이 성능은 ALD를 통한 제어된 SiO2 증착과 7-히스티딘 주형 펩타이드 탐지 실험을 통해 검증되었으며, 초감도 생체 센싱 응용 가능성을 확인한다.

ABSTRACT

Nanoporous gold can be exploited as plasmonic material for enhanced spectroscopy both in the visible and in the near infrared spectral regions. In particular, with respect to bulk metal it presents interesting optical properties in the infrared where it presents a significantly higher field confinement with respect to conventional materials. This latter can be exploited to achieve extremely high sensitivity to the environment conditions, hence realizing interesting sensors. Here we compare the sensitivity of a plasmonic resonators made of nanoporous gold with a similar structures made of bulk metal. The experimental test of the enhanced sensitivity was performed by depositing the same stoichiometric quantity of dielectric material onto the two considered structures. The result, also confirmed by the biosensing of a short peptide, can be ascribed to the better field confinement and enhancement in porous metal. This suggests an application of nanoporous 3D structures as sensor platform in the near-infrared with sensitivity over 4.000 nm/RIU.

연구 동기 및 목표

• 근적외선(NIR) 탐지에 적합한 고감도 플라스모닉 센서 플랫폼을 3차원 나노다공성 금(NPG) 안테나를 이용해 개발한다.
• 동일한 실험 조건에서 NPG 기반 플라스모닉 공진기와 막대형 금으로 제작된 공진기의 센싱 성능를 비교한다.
• 향상된 감도가 표면대부피비율 증가 때문이 아니라, 우월한 전자기장 봉쇄 때문인지를 조사한다.
• 건조 조건에서 낮은 농도의 생체분자, 예를 들어 7-히스티딘 펩타이드를 고감도로 탐지할 수 있는지 센서의 능력을 검증한다.

제안 방법

• 기존의 나노다공성 금 형성 기술을 활용해 기하학적 구조가 동일한 3차원 수직 NPG 및 막대형 금 안테나를 제작한다(높이 500 nm, 피치 1.25 µm).
• 30° 경사 캐슬레인 목적으로 장착된 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 반사율 현미경을 사용해 반사 모드에서 반사율 스펙트럼을 측정한다.
• NPG 및 막대형 금 기판에 순차적으로 원자층증착(ALD)을 통해 SiO2를 1.4 nm 간격으로 증착하여, 정량적이고 균일한 증착을 확보하고 직접 비교 가능하게 한다.
• 다층 다이에렉트릭/금속 시스템의 효과적 매질 이론 및 인터페이스 조건을 활용해 실험적으로 반사율 변화(Δn)를 계산한다.
• APTES 자가정렬, 술파산 안하이드라이드 활성화, EDC/NHS 결합을 통한 표면 기능화 프로토콜을 적용해 다양한 농도의 폴리히스티딘 펩타이드를 고정한다.
• 분석물 적재 조건 변화에 따른 플라스몬 공진 피크의 스펙트럼 이동 분석을 통해 감도를 nm/RIU 단위로 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 나노다공성 금 안테나는 근적외선 플라스모닉 센싱에서 막대형 금보다 더 높은 감도를 보이는가?
• RQ2 향상된 감도의 근본 원인은 전자기장 봉쇄인가, 아니면 표면대부피비율 증가인가?
• RQ3 NPG 기반 센서는 7-히스티딘 펩타이드와 같은 저농도 생체분자를 고감도로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 NPG 필름 및 기타 플라스모닉 플랫폼에 보고된 값들과 비교해 NPG 공진기의 감도는 어떻게 되는가?
• RQ5 공학적으로 설계된 나노구조는 감도와 스펙트럼 조정 가능성 간의 상충 관계에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• NPG 기반 플라스모닉 공진기는 동일 조건에서 막대형 금보다 훨씬 높은 감도를 보이며, 4,000 nm/RIU 이상을 달성했다.
• 향상된 감도는 표면대부피비율 증가 때문이 아니라, 주로 다공구조 내에서의 전자기장 봉쇄 및 강화 때문임이 밝혀졌다.
• NPG에 2 nm 두께의 SiO2를 증착했을 때 120 nm의 스펙트럼 이동이 관찰되었으며, 이는 약 4,000 nm/RIU의 감도에 해당함을 확인했고, 외삽을 통해 검증되었다.
• 플랫폼은 농도가 0.01 nM에 이르는 7-히스티딘 펩타이드를 성공적으로 탐지하여 초감도 생체 센싱 응용 가능성을 입증했다.
• NPG 내 전자기장 강화는 표면 근처(몇 나노미터 내외)에서 가장 강력하며, 이는 근접한 분석물과의 효율적 상호작용을 가능하게 한다.
• 반사율 피팅을 통해 드루드-로렌츠 모델을 활용해 도출한 NPG의 유전율 함수는 손실 감소와 증가된 표피 깊이를 보이며, 더 깊은 전자기장 침투와 분석물 탐지 향상에 기여한다.