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Synthesis and optical properties of CdSe quantum dots

Synthesis and Optical Properties of CdSe Quantum DotsAbstract본 실험의 목표는 다양한 크기의 CdSe quantum dots(양자점)를 합성하고 양자점의 특이한 광학적 성질을 이해하는 것이다. 반도체 나노입자의 크기가 보어 반지름(Bohr exciton radius)과 비슷하거나 그보다 작아지면 반도체의 광학적 성질이 변하게 된다. 즉, 양자구속효과가 나타나는 것이며 양자구속효과의 범위에 드는 반도체 나노입자를 양자점이라고 부른다. 실험을 통해 합성된 CdSe 양자점의 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼을 측정해보면 양자점의 크기에 따라 band gap(Eｇ, 밴드갭, 에너지갭)이 달라지고 그로 인해 광학적 성질이 달라지는 것을 관찰할 수 있다. 결과적으로, 양자점의 크기가 증가할수록 밴드갭이 감소하고 큰 파장의 빛을 흡수하거나 방출하는 성질을 가진다는 것을 알 수 있다. 실험에서 시간이 지남에 따라 결정의 크기가 성장하는 과정이 잘 이루어졌는지 확인하기 위해 흡광과 형광 스펙트럼의 파장 띠 넓이(band width)를 확인할 것이다. 비슷한 크기의 나노입자가 존재한다면 각각의 스펙트럼에서 sharp peak이 측정될 것이고, 다양한 크기의 나노입자가 존재한다면 broad peak이 측정될 것이다. 또한 양자점이 cluster와 bulk 반도체의 중간체의 성질을 가진다는 것을 알아볼 것이다.IntroductionCdSe, CdS, PbSe, ZnO등과 같은 반도체 입자를 나노 크기로 만들면 특이한 광학적 성질을 가진 입자가 만들어진다. 우리는 이러한 나노입자를 양자점(quantum dot)이라고 부른다. 양자점의 정의는 ‘빛 등의 에너지로 자극하면 빛을 발하는 나노 크기의 반도체 구조물 입자로서, 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 색상이 달라지는 물질’이다. 0차원인 양자점은 면적이 전혀 없는 점이 아니라 실제로는 3차원적으로 크기가 드브로이(de Broglie) 파장 길이보다 작은 시료를 말한다. 드브로이 파장의 길기에 따라 형광파장이 달라진다. 이는 양자점의 크기에 따라 밴드갭이 변하기 때문이다. 양자점의 크기와 밴드갭 사이의 관계는 앞서 말한 particle in a box 개념을 통해 알 수 있다.식 1 :Eg(NC)=Eg(bulk)+ {pi ^{2} hbar ^{2}} over {2m _{r} R ^{2}} (R : 양자점의 반지름,hbar = {h} over {2 pi } (h : 플랑크상수))식 2 :m _{r} =(m _{e} ^{-1} +m _{h} ^{-1} ) ^{{} ^{-1}} (m _{e`} ` : 전자의 유효질량,m _{h} : 홀의 유효질량)위의 두 식을 통해, 양자점의 크기와 Eg(밴드갭) 값은 반비례한다는 것을 알 수 있다. 즉, 양자점의 크기가 작아질수록 밴드갭은 커지고, 양자점의 크기가 커질수록 밴드갭이 작아진다는 것이다.양자점의 형광은 들뜬 상태의 전자가 CB에서 VB로 내려오면서 방출하는 빛인데, 양자점의 크기가 커질수록 밴드갭이 작아지므로, 방출하는 빛의 에너지 또한 작아진다. 그러므로 양자점의 크기가 커질수록 장파장의 빛을 방출하고 붉은색을 띄게 된다. 반대로 양자점의 크기가 작아질수록 밴드갭이 커지고 단파장의 빛을 방출하며 푸른색을 띄게 된다. 아래의 그림2를 보면 그 성질을 좀 더 명확하게 이해할 수 있다.양자점이 빛을 흡수할 때에도 빛을 방출할 때와 비슷한 경향이 나타난다. 밴드갭이 작을수록 장파장의 빛을 흡수하고 밴드갭이 클수록 단파장의 빛을 흡수한다. 즉, 양자점의 크기가 클수록 장파장의 빛을 흡수하며 양자점의 크기가 작을수록 단파장의 빛을 흡수한다.그림2. 양자점의 크기에 따른 band gap 차이반도체 나노입자를 합성할 때에는 보통 200~350℃ 정도의 고온에서 반응을 진행한다. 반도체의 전구체는 높은 열에너지로 인해 열분해 되고 나노결정의 핵이 형성된다. 나노결정의 핵이 형성되면 온도는 빠르게 떨어진다. 핵이 형성되는데 필요한 에너지가 나노 결정의 핵이 성장하는데 필요한 에너지보다 훨씬 높기 때문에 낮아진 온도에서 이용한다.) 플라스크를 oil bath에 넣고 기계의 온도를 225℃로 설정해준다. cadmium 용액이 투명해지면 225℃가 되었다는 것을 의미하므로, 그 때에 selenium solution 2mL를 빠르게 넣어준다. 나노입자의 크기는 반응 시간에 달려있기 때문에 selenium solution을 넣었을 때를 시작 시간으로 정한다. 9 inch pasteur pipet을 사용하여 일정한 간격으로 1mL 정도의 샘플을 추출하고 test tube에 넣어준다. 추출 과정은 맨 처음 추출할 때와 나중에 색 변화가 일어났을 때에 최대한 빠르게 진행한다. 맨 처음 샘플은 selenium solution 주입 후 10초 후에 추출한다. 총 12개의 샘플을 추출하는데, 첫 번째 샘플은 selenium solution을 넣어준 후 10초 후에 추출하는 것이고, 그 후 30초 간격으로 11개의 샘플을 추출한다. 이렇게 추출한 12개의 샘플 중에 5개의 샘플을 고른다. 이 5개의 샘플들을 UV illumination으로 photoluminescence(PL) 색을 확인한다. 만약 관찰된 색이 오렌지색이거나 빨간색이면 다음 과정을 진행한다. 관찰된 색이 초록색이면, 샘플을 좀 더 추출하여 다음 반응을 진행한다. 앞서 고른 5개의 샘플들을 시간 순서대로 labeling 하고, room light에서와 UV-illumination에서의 색을 관찰하고 사진을 찍는다.형광과 흡광을 측정하기 위해 추출한 샘플들에 hexane 2mL를 넣어주어 희석시킨다. 형광을 측정할 때의 excitation wavelength를 400nm로 설정한다. 형광, 흡광 스펙트럼에서 각각 첫 번째 exitonic peak wavelength와 FWHM band width를 구한다.Result & Discussion실험에서 추출한 5개의 샘플은 아래의 그림3과 같다. 그림3을 보면 알 수 있듯이 샘플의 번호가 증가할수록 점점 붉은색을 띤다. 샘플의 번호가 증가할수록 합성 시간이 길어진 것이다. 따라서 샘플의} ^{*}} )```````````````````r ^{2} = {h ^{2}} over {8 TRIANGLE E} ( {1} over {m _{e} ^{*}} + {1} over {m _{h} ^{*}} )E= {hc} over {lambda }TRIANGLE E=hc( {1} over {lambda _{nano}} - {1} over {lambda _{bulk}} )=(6.626 TIMES 10 ^{-34} J BULLET s) TIMES (3 TIMES 10 ^{8} m/s)( {1} over {489.5} - {1} over {709} )nm ^{-1}#```````````````=1.257 TIMES 10 ^{-28} Jr ^{2} = {(6.626 TIMES 10 ^{-34} J BULLET s) ^{2}} over {8 TIMES 1.257 TIMES 10 ^{-28} J} ( {1} over {0.13 TIMES 9.11 TIMES 10 ^{-31} kg} + {1} over {0.45 TIMES 9.11 TIMES 10 ^{-31} kg} )=4.75 TIMES 10 ^{-10} m이므로 이 식을 계산하면 첫 번째 샘플의 반지름 r = 2.17nm임을 알 수 있다.위와 같은 방법에 따라 마지막 샘플의 △E(band energy gap)와 반지름도 구해보면, (최대형광파장 : 565nm) △E = 7.146×10?²?J, 반지름 r = 2.89nm가 나온다. 이를 통해 반응 시간이 길어질수록 입자의 크기가 증가했음을 확인할 수 있다. 입자의 크기가 증가한 것과는 반대로 에너지갭은 감소한 것도 알 수 있다.그림5. 실험에서 합성된 CdSe 양자점의 크기에 따른 normalized 흡수 스펙트럼. 숫자가 증가할수록 양자점의 크기도 증가한다.그림4. 실험에서 합성된 CdSe 양자점의 크기에 따른 흡수 스펙트럼. 숫자가 증가할수록 양자점의 크기도 증가한다.먼저 실험에서 추출한 5개의 CdSe 양자점 샘플의 흡수 스펙트럼은 위의 그림 4와 같다. 경향성에서 측정한 photoluminescence는 물질이 빛에 자극을 받아 스스로 빛을 내는 현상을 말하며, 그 대표적인 예가 형광이다. 그림 6에서의 스펙트럼에서 각각의 peak들은 발광하는 양자점에서 발광에 기여하는 에너지레벨을 나타낸다. 그림 6,7과 표2를 보면 샘플의 번호가 커질수록, 즉 양자점의 크기가 커질수록 최대 형광 파장도 증가한다는 것을 알 수 있다. 앞서 설명했듯, 양자점의 크기가 커질수록 VB와 CB의 밴드갭이 작아지기 때문에 방출되는 에너지 또한 상대적으로 낮은 영역의 에너지가 방출된다. 따라서 에너지가 낮은, 파장이 긴 빛이 방출되고 입장의 색은 붉은 색을 띠게 된다. 또한 최대 형광 파장이 최대 흡광 파장보다 더 큰 값을 가지는 것을 볼 수 있다. 이는 흡수하는 빛의 에너지보다 방출하는 빛의 에너지가 더 작아서 생기는 현상이다. 양자점의 크기가 커질수록 최대 형광 파장이 커지는 경향은 UV lamp 아래에서 샘플의 색을 관찰하여 확인할 수도 있다.[그림 8. UV lamp에서의 합성된 CdSe 양자점의 색깔. 왼쪽에서부터 오른쪽으로 갈수록 양자점의 크기가 증가한다.]그림 8을 보면 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 색이 점점 변하는데, 처음에는 보라색이었다가 점점 녹색을 거쳐 마지막 샘플은 붉은 색을 띠는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 양자점의 크기가 증가함에 따라 최대 형광 파장이 커지는 emission peak shift가 일어났음을 알 수 있다.양자점의 크기는 첫 번째 흡수 피크를 이용하여 구할 수 있다. reference 3에 나온 식을 인용하면 CdSe 나노입자의 크기를 구하는 식은 다음과 같다.식 4 : D = (1.6122 × 10??)λ⁴ - (2.6575 × 10??)λ³ + (1.6242 × 10?³)λ² - (0.4277)λ + (41,57)(D (nm) : 나노결정의 크기(직경), λ : 나노결정의 first exitonic absorption peak의 파장)위의 식을 이용하여 각 샘플들의 크기를 구해보면 다음 표와

자연과학| 2018.10.12| 12페이지| 3,200원| 조회(549)

synthesis, Quantum dot, CdSe, Optical prope..

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Spectroelectrochemical study of benzyl viologen

Spectroelectrochemical Study of Benzyl ViologenAbstract본 실험에서 benzyl viologen(BV)의 전기화학적 성질과 산화환원 반응에서의 특징에 대해 알아보고자 한다. 전기화학 방법 중 하나인 cyclic voltammetry(순환전압전류법, CV)를 이용하여 가해주는 전위에 따라 viologen의 산화환원 상태가 어떻게 변하고 그 때에 전류가 어떻게 변하는지 알아볼 것이다. 뿐만 아니라 CV를 통해서 BV의 산화상태 중 하나인 BV?를 만드는 전위를 알아낼 것이고, 이 전위로 UV 흡광도를 측정하여 BV의 산화 환원 형태에 따른 분자의 색 변화를 확인하고자 한다. 이를 통해 BV가 electrochromism 성질을 나타낸다는 것을 알 수 있다. BV는 dimerization 하는 성질이 있기 때문에 BV 라디칼 양이온 단량체(monomer)와 BV 라디칼 양이온 이합체(dimer)를 비교해주기 위해 β-cyclodextrin(β-CD)을 사용한다. β-CD가 BV와 결합했을 때에는 BV의 dimerization이 저해되기 때문에 CV, UV-vis 결과 값이 BV를 측정했을 때와는 달라지게 된다. β-CD-BV 용액은 BV 용액보다 dimer의 비중이 적기 때문에 β-CD-BV 용액은 상대적으로 BV 단량체의 성질을 띠고 BV용액은 상대적으로 BV dimer의 성질을 띤다.Introduction전기화학은 화학반응에서 전자의 이동을 연구하는 학문이다. 일반적으로, 전자가 이동하는 산화-환원 반응을 분석하기 위해 사용되는 전기화학 분석법으로 amperometry(전류 측정법)와 potentiometry(전위차법)가 이용된다. 전류 측정법은 용액 중의 이온을 감지하는 방법으로, 전극을 어느 전위로 유지하여 적당한 산화제나 환원제를 적하하여 흐르는 전류의 변화로부터 이온농도를 구하는 방법이다. 전위차법은 전기화학 반응으로 생기는 두 전극 간의 전위차를 측정하여 화학적인 정보를 분석하는 방법이다. 보통 전류가 거의 흐르며, 산화·환원 쌍의 형식(form), 가역성, 산화환원전위, 평형 상수, 농도, 전극 반응에 관여하는 전자 수, 화학반응의 속도상수, 흡착현상, 전자이동반응의 속도론적 파라미터 등을 구하는 데에 사용된다.본 실험에서는 흡수 전기분광학 (absorption spectro-electrochemical analysis) 방법을 이용하여 benzyl viologen(BV)의 특성을 알아보고자 한다. viologen (1,1-dialkyl-4,4-bipyridinium)은 4,4-bipyridine의 bipyridinium 유도체이며 독성을 띈다. viologen의 특이한 성질은 산화/환원 상태에 따라 다른 색을 나타낸다는 것이다. 이러한 성질 때문에 viologen은 electrochromic system (전자발색 표시기)으로 사용된다. viologen은 두 단계의 1-전자 환원 과정을 거쳐 무색의 2가 양이온(CmCnV²?) 상태에서 푸른색의 radical cation (CmCnV??) 상태로, 다시 노란색을 띄는 중성의 quinoid 형태 (CmCnV?)로 환원된다.그림1. viologen의 산화환원 및 분광학적 특성생성된 CmCnV?는 CmCnV²?와 반응하여 2분자의 CmCnV??를 형성하고 이러한 반응을 comproportionation(균등화반응) 이라고 부른다. CmCnV??가 CmCnV?와 CmCnV²?로 바뀌는 과정은 disproportionation(불균등화반응)이라고 부른다. viologen 라디칼 양이온은 수용액에서 dimer를 형성한다고 알려져 있고 그 반응식은 아래와 같다. 대칭 혹은 비대칭 viologen 양이온 라디칼의 이합체 형성 정도는 viologen에 연결된 알킬기의 길이가 길수록 증가한다.식 1 : 2(CmCnV??) (CmCnV??)₂viologen은 라디칼 양이온 단위체 (radical cation monomer)형태일 때와 라디칼 양이온 이합체 (radical cation dimer)형태일 때의 최대 흡광 파장이 다르다있으며 각각은 다른 동공 크기를 가진다. CD와 viologen 사이의 상호작용은 viologen의 산화 상태, viologen의 알킬기의 길이, CD의 동공 크기에 많은 영향을 받는다. 일반적으로 α-CD와 β-CD는 viologen 라디칼 양이온과 결합하여 화합물을 생성하고 이합체의 형성을 저해시킨다. 본 실험에서는 β-CD와 viologen이 공유 결합된 화합물을 만들고 그것의 CV, UV를 측정하여 β-CD와 viologen 사이의 상호 작용에.대해 알아볼 것이다. β-CD와 viologen이 결합하면 dimer의 형성이 저해되기 때문에 BV용액에 비해 상대적으로 BV 단량체의 성질이 두드러지게 나타날 것이다.그림2. β-cyclodextrin (β-CD)의 구조Experimental Methodcyclic voltammetry(CV)와 UV-vis 측정을 위해 사용된 전극은 총 3종류이다. 이 3가지 전극은 working electrode (W.E, glassy carbon, GC and indinium tin oxide, ITO), auxiliary electrode (Pt wire), reference electrode (Ag/Agcl)이다.실험에 필요한 용액은 두 종류이다. 하나는 benzyl viologen dichloride (BV, MW : 409.35g/mol)와 potassium chloride (KCl, MV : 74.55g/mol)로 이루어진 용액이고 다른 하나는 benzyl viologen dichloride (BV), β-cyclodextrin (β-CD, MW : 1134.98g/mol), potassium chloride (KCl)로 이루어진 용액이다. 1번 용액은 BV 0.004g을 증류수 10mL에 용해시켜서 만든 1mM BV solution(aq)과 KCl 0.075g을 증류수 10mL에 용해시켜서 만든 0.1M KCl solution(aq)을 섞은 것이다. 2번 용액은 1mM BV solution(aq) 10mL, 20 연결해준다. 본 실험에서는 working electrode는 초록색 집게 전선에, reference electrode는 하얀색 집게 전선에, auxiliary electrode는 빨간색 집게 전선에 연결해주었다. 전극의 끝이 용액 표면에 가깝게 오게 설치하고 그 과정에서 집게 전선의 끝이 용액에 닿지 않게 주의하여 설치한다. 각 실험 전에 stirring bar를 이용하여 용액이 골고루 섞이게 한다.CV를 측정할 때 설정한 값들은 다음과 같다. 처음 가해준 전위와 가장 높은 전위는 0V 이고 가장 낮은 전위는 ?1.1V이다. direction of scan은 negative이며 scan rate는 0.1 V/s 이다. sweep segment 값은 2이며 quiet time은 10sec이다. β-CD-BV 용액도 위와 같은 방법으로 측정한다.2. UV-vis 측정UV-vis에서는 일정한 전위를 걸어주어야 하는데 그 전위는 위에서 구한 CV의 결과 값을 이용하여 찾아야한다. BV 용액을 CV를 이용하여 관찰했을 BV용액이 완전히 BV?로 환원되는 전위를 찾고, 그 전위를 일정하게 적용시킨다. 본 실험에서는 ?0.65V로 설정하였다. 온도 25°C, 파장 범위 300nm~800nm에서의 흡광 스펙트럼을 측정한다. CV와 마찬가지로 전극을 연결시켜주는데, UV cell은 빛을 흡수, 통과시켜야 하므로 투명한 ITO coated glass를 이용하여 측정한다. 처음 시작부터 2분까지는 30초 단위로 측정하고, 2분 ~7분까지는 60초 단위로 측정한다. 이것은 BV 용액과 β-CD-BV용액 모두 동일하다.Result & Discussion1. cyclic voltammetry (CV)CV는 전위를 변화시키고 그 때에 발생하는 전류를 관찰하여 그 물질에 대한 정보를 얻는 분석 방법이다. 본 실험에서는 0.0V ~ -1.1V 범위에서 전위를 변화시켰고 그 때에 발생하는 전류를 관찰하였다. viologen의 경우 가해주는 전위가 감소할 때에는 ( 0V → -1.1V ) 환k은 산소가 환원될 때 생기는 peak이다. BV 수용액에서 BV의 산화 상태는 2가 양이온 상태이기 때문에 수용액에 가해주는 전위가 감소하는 과정에서 BV²?는 전자를 얻어 BV?로 환원된다. 따라서 두 번째로 나온 peak은 BV²?가 BV?로 환원되는 peak이고 세 번째의 큰 peak은 BV²?가 BV?로 환원되는 peak이다. peak이 가장 크게 나타나는 곳은 환원이 가장 활발하게 일어나는 지점이라고 볼 수 있다. BV²?를 BV?로 완전히 환원시킬 수 있는 전위는 두 번째 peak에서의 전위가 아니라 peak이 다 끝난 부분의 전위이다. 그 값을 구해보면 BV?로 충분히 환원되기 위해 필요한 전위는 ?0,64V ~ -0.65V정도이다. BV˙? 상태에서는 BV˙? 단량체와 BV˙? 이합체의 형태로 존재한다. 그 때문에 BV˙?가 BV?로 환원될 때 전류가 많이 발생한다.β-CD-BV 용액 또한 가해주는 전위가 감소할 때 환원반응이 일어난다.. 일단 두드러지는 차이점은 β-CD-BV 용액의 환원 peak이 4개라는 것이다. 맨 처음에 나타나는 peak은 산소가 환원되는 peak이고 두 번째 peak은 BV²?가 BV?로 환원되는 peak이고 세 번째의 큰 peak은 BV²?가 BV?로 환원되는 peak이다. 마지막으로 나타나는 peak은 물이 환원되는 peak이다. 각각의 peak이 의미하는 것은 BV용액과 β-CD-BV 용액이 비슷하지만 peak의 모양이 다소 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 β-CD와 BV의 상호작용 때문이다. β-CD는 가운데가 비어있는 즉, 가운데에 동공이 있는 구조를 가지며 이 동공은 hydrophobic한 성질을 가지고 있다. 만약 β-CD가 viologen과 상호작용을 하면, viologen에 연결된 알킬기가 β-CD의 동공에 공유 결합한다. 이 때문에 viologen의 라디칼 양이온 단량체가 이합체로 변환되는 것이 저해되어 β-CD-BV 용액은 BV˙? 단량체의 성질일 많이 띄게 된다. 따라서 BV˙?가 BV°

자연과학| 2018.10.12| 8페이지| 3,000원| 조회(142)

화학실험기법, Spectroelectrochemic, Benzyl Violo..

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Nanofabrication by polymer self-assembly

Nanofabrication by Polymer Self-AssemblyAbstract본 실험에서는 block copolymer(BCP)의 self-assembly의 개념에 대해 알고 그것을 이용한 bottom-up nanopatterning technique에 대해 배운다. inverse micelle 형태의 PS-b-P4VP monolayer를 만들고 spin-coating 방법을 이용해 reconstruction하여 PS-b-P4VP thin film을 만들었다. Au NPs solution을 만드는 과정에서 Au이온이 Au NP로 변화하면서 나타내는 용액의 색깔 변화를 관찰하였고 PS-b-P4VP thin film을 Au NPs에 immersion시켜 immersion 시간에 따른 변화를 SEM과 UV-VIS spectra로 확인해 보았다. 그 결과 AFM image에서 초기에 inverse micelle monolayer film이였던 PS-b-P4VP가 mesoporous structure를 가진 것을 확인할 수 있었다. 또한 SEM image를 통해 Au NPs가 PS-b-P4VP를 template 삼아 선택적으로 PS-b-P4VP ring 위에 얹어져있는 구조를 형성한다는 것을 확인할 수 있었다. UV-visible spectrometer를 사용하여 localized surface Plasmon resonance (LSPR) effect에 의해 보여지는 Au NPs의 광학적 특성을 살펴보았다. Au NPs immersion 시간이 증가함에 따라 각 AuNPs가 coupling하여 LSPR coupling effect를 보임을 발견할 수 있었다.IntroductionNanometer scale을 만드는 접근 방식으로는 ‘top-down approach’와 ‘bottom ?up approach’가 있다. top-down approach는 기존에 많이 써왔던 방식으로, bulk한 물질로부터 분해과정을 거쳐 nanoscale의 물질을 만드는 것을 말한다 다목적인 방법으로 사용될 수 있다.BCP란 block copolymer의 줄임말로서 블록 공중합체라고 부른다. 폴리머 분자의 일부분으로, 다수의 구성단위로 되고 그 부분에 인접하는 다른 부분과 화학구조상 혹은 입체 배치상 다른 것을 블록이라고 한다. 복수의 블록이 선상으로 연결하여 구성된 폴리머가 블록 중합체이고, 그 중 2종류 이상의 단량체로 형성된 것을 블록 공중합체라 한다.hydrophilic headgroup과 hydrophobic tail로 구성된 amphiphillic surfactant molecules이 구 형태로 aggregation된 것이 micelle 이다. micelle의 형태는 aqueous solution에서 소수성인 부분이 한 점을 중심으로 모여서 micelle의 안쪽에 위치하고, 친수성인 부분이 solvent를 향해 micelle의 바깥쪽에 위치하게 된다. inverse micelle은 이와 반대로 소수성인 부분이 micelle의 바깥쪽에, 친수성인 부분이 micelle의 안쪽에 위치하는 것이다. 본 실험에서는 hydrophobic solvent인 toluene을 사용하여 PS-b-PVP를 소수성인 PS shell이 친수성인 PVP core를 둘러싼 inverse micelle 형태로 만들었고 그것을 reconstruction시켜 실험을 진행하였다.SEM (Scanning Electron Microscope)은 주사형 전자현미경이며 가느다란 전자빔을 시료 표면에 주사시켜 2차 전자를 발생하게 하여 입체감 있는 시료의 표면상을 얻기 위한 장치이다. 이러한 표면상을 관찰하면 시료의 구성 원소 및 조직의 치밀성 등을 알아볼 수 있다. 본 실험에서는 금 나노입자가 reconstructed BCP thin film에 어떻게 결합해 있는지를 관찰하여 금 나노입자가 BCP의 ring이에 선택적으로 얹어져 있음을 알 수 있었다.LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance)는 국소화 표면 플라즈몬 공명으로 incidAu precursor의 색깔이 보라색에서 붉은색으로 변하는 것을 관찰하고 15분 동안 더 stirring 해준다. 그 후에 UN-Vis spectrometer를 이용하여 Au NPs의 LSPR characteristics를 관찰한다.2. preparation of monolayer inverse micelle film of PS-b-P4VP and reconstructed PS-b-P4VP filmtoluene(0.5 wt%)에 녹인 PS-b-P4VP solution (41k-24k g/mol, PDI=1.09)을 sliced Si wafer 조각에 60초 동안 3000rpm으로 spin-coat 시킨다. 이러한 과정을 세 번 반복하고 Si substrated coated with PS-b-P4VP thin layer를 4조각으로 자른다. 이 중 한 조각을 60분 동안 ethanol에 immersion 시키고 N₂에 건조시킨다. AFM 사용하여 PS-b-P4VP inverse micelle film과 reconstructed PS-b-P4VP film의 morphologies를 관찰한다.3. Au NPs array deposited on reconstructed BCP films2번 과정에서 만들고 남은 PS-b-P4VP coated slice 2개는 1번 과정에서 합성한 Au NP solution에 담가두는데 한 조각은 30분 동안, 다른 한 조각은 2시간동안 담근다. 또 다른 PS-b-P4VP coated slice 1개는 에탄올에 30분동안 담가 둔다. 반응 후에 메탄올로 씻어 준 후 N₂를 이용해서 건조시킨다. SEM과 UV-Vis spectrometer를 이용하여 reconstructed PS-b-P4VP film에 deposited된 Au NP array의 구조적, 광학적 특성을 알아본다.Results & Discussion1. synthesis of Au NPs with a size of 13nm본 실험에서는 HAuCl₄와 3차 증류수를 섞어서 지 않도록 도와주는 것이다.bulk Au에서 Au NP로 바뀌게 되면 금 입자의 표면에서 진동하는 전자의 파장이 달라지기 때문에 입자가 흡수하는 빛의 파장이 변화하게 된다. 이 때문에 용액의 색이 변하게 되는 것이고 이는 Au NP의 표면에서 일어나는 LSPR coupling 때문이라고 설명할 수 있다. LSPR 현상이 일어나기 위해서는 입사광의 파장보다 작은 입자에 빛이 들어가야 한다. bulk Au의 경우에는 크기가 크기 때문에 LSPR 현상이 일어나지 않고 Au NP의 경우에는 크기가 작기 때문에 LSPR coupling이 일어나게 된다.Au NP가 어떤 파장대의 빛을 흡수하는지는 UV-Vis를 측정하여 알아 볼 수 있다. bulk Au와 달리 Au NPs는 빛의 파장이 520nm 정도일 때 강하게 흡수를 하고 그 주변의 녹색 빛을 흡수함을 알 수 있다. 흡수되지 않고 투과되는 빛 중에 특히 700nm 파장의 빛을 scattering 시키므로 Au NPs solution이 녹색의 보색인 붉은 색을 띄는 것을 알 수 있다.이론상으로는 위의 얘기가 맞지만 본 실험에서는 용액의 색이 변하지 않았고 금 이온이 나노입자로 변하지 않고 침전되었다. 이는 solution에 불순물이 들어가서 벌어진 일이라고 생각된다. precursor solution을 만드는 과정에서 불순물이 들어갔을 수도 있고, 3차 증류수에 이물질이 섞여있었을 수도 있다. 아니면 본 실험에서는 3-neck r.b.f.를 사용했는데 1-neck r.b.f를 사용했을 때는 실험이 성공한 것으로 보아 내가 사용했던 3-neck r.b.f.의 양 옆의 neck이 외부와 제대로 차단되지 않아 불순물이 들어갔을 수도 있다고 생각된다.2. preparation of monolayer inverse micelle film of PS-b-P4VP and reconstructed PS-b-P4VP film그림4. PS-b-P4VP의 구조본 실험에서 사용한 PS-b-P4VP의 구조는그림 3과 같이 poly(styregy가 바뀌게 되는데 그 결과가 mesoporous PS-b-P4VP inverse micelle thin film 이다. 본 실험에서 사용한 PS-b-P4VP는 PS의 부분이 더 많은 형태이고 만일 에탄올에 담그게 된다면 minor block인 P4VP가 선택적으로 선호된다. 그래서 core center에 있던 P4VP가 선택적으로 부풀어 오르게 되고 solvent removal이 일어나서 mesopore가 형성된다. 이 때 major인 PS는 전체적인 BCP의 형태가 크게 변하지 않도록 infrastructure을 잡고 있게 되고 이런 mechanism으로 인해 mesoporous BCP film 형태를 보이게 된다. reconstructed PS-b-P4VP 하나의 크기는 50nm 이하의 크기를 가진다.3. Au NPs array deposited on reconstructed BCP films기존에 만들어져 있던 Au NPs solution에 미리 만들어둔 BCP thin film 두 개를 각각 30분, 2시간 동안 dipping 시켰다. 에탄올에도 2시간동안 dipping 시키고 그 결과를 SEM과 UV-Vis를 이용해서 확인하였다.그림5. dipping왼쪽부터 EtOH(2시간), Au NPs solution (30분), Au NPs solution (2시간)그림 6.(a) Au NPs solution ? 30분 그림 6.(b) Au NPs solution ? 2시간먼저, Au NPs solution에 dipping시킨 SEM결과는 위의 그림과 같다. 그림 6.(a),(b) 둘 다 5만 배로 확대한 것이고 mesoporous 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 그림에서 하얗게 보이는 부분이 Au NPs인데 이것이 선택적으로 P4VP block 위에 얹어져 있는 것이 보인다. 이는 Au NPs가 P4VP block에 있는 pyridine과 interaction 했기 때문이다. 앞서 말한 것과 같이 Au NPs는 (-) charge를 띈 citrate라진다.

자연과학| 2018.10.12| 9페이지| 3,000원| 조회(264)

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