This review covers recent developments in our group regarding the synthesis, characterization and applications of single-crystalline one-dimensional nanostructures based on a wide range of material systems including noble metals, metal silicides and metal germanides. For the single-crystalline one-dimensional nanostructures growth, we have employed chemical vapor transport approach without using any catalysts, capping reagents, and templates because of its simplicity and wide applicability. Au, Pd, and Pt nanowires are epitaxially grown on various substrates, in which the nanowires grow from seed crystals by the correlations of the geometry and orientation of seed crystals with those of as-grown nanowires. We also present the synthesis of numerous metal silicide and germanide 1D nanostructures. By simply varying reaction conditions, furthermore, nanowires of metastable phase, such as $Fe_5Si_3$ and $Co_3Si$, and composition tuned cobalt silicides (CoSi, $Co_2Si$, $Co_3Si$) and iron germanides ($Fe_{1.3}Ge$ and $Fe_3Ge$) nanowires are synthesized. Such developments can be utilized as advanced platforms or building blocks for a wide range of applications such as plasmonics, sensings, nanoelectronics, and spintronics.
Zinc Oxide (ZnO) was known as a promising material for surface acoustic wave devices, gas sensors, optical devices and solar cells due to piezoelectric material, large band gap of 3.37 eV and large exciton binding energy of 60 meV at room temperature. In particular, the alignment of ZnO nanostructures into ordered nanoarrays can bring about improved sensitivity of devices due to widen the surface area to catch a lot of gas particle. Oxygen plasma treatment is used to specify the nucleation site of round patterned ZnO nanorods growth. Therefore ZnO nanorods were grown on a quartz substrate with patterned polystyrene monolayer by hydrothermal method after oxygen plasma treatment. And then, we carried out nanostructures by adjusting the diameter of the arranged ZnO nanorods according to polystyrene spheres of various sizes. The obtained ZnO nanostructures was characterized by X-ray diffraction (XRD), Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM).
Polyurethane acrylate (PUA) has been introduced to utilize as a mold material for sub-100 nm lithography as it provides advantages of stiffness for nanostructure formation, short curing time, flexibility for large area replication and transparency for relevant biomedical applications. Due to the ability to fabricate nanostructures on PUA, there have been many efforts to mimic extracellular matrix (ECM) using PUA especially in a field of tissue engineering. It has been demonstrated that PUA is useful for investigating the nanoscale-topographical effects on cell behavior in vitro such as cell attachment, spreading on a substrate, proliferation, and stem cell fate with various types of nanostructures. In this study, we have conducted surface modification of PUA films with micro/nanostructures on their surfaces using plasma treatment. In general, it is widely known that the plasma treated surface increases cell attachment as well as adsorption of ECM materials such as fibronectin, collagen and gelatin. Effect of plasma treatment on PUA especially with surface of micro/nanostructures needs to be understood further for its biomedical applications. We have evaluated the modified PUA film as a culture platform using adipose derived stem cells. Then, the behavior of stem cells and the level of adsorbed protein have been analyzed.
Strong interactions between electromagnetic radiation and electrons at metallic interfaces or in metallic nanostructures lead to resonant oscillations called surface plasmon resonance with fascinating properties: light confinement in subwavelength dimensions and enhancement of optical near fields, just to name a few [1,2]. By utilizing the properties enabled by geometry dependent localization of surface plasmons, metal photonics or plasmonics offers a promise of enabling novel photonic components and systems for integrated photonics or sensing applications [3-5]. The versatility of the nanoplasmonic platform is described in this talk on three folds: our findings on an enhanced ultracompact photodetector based on nanoridge plasmonics for photonic integrated circuit applications [3], a colorimetric sensing of miRNA based on a nanoplasmonic core-satellite assembly for label-free and on-chip sensing applications [4], and a controlled fabrication of plasmonic nanostructures on a flexible substrate based on a transfer printing process for ultra-sensitive and noise free flexible bio-sensing applications [5]. For integrated photonics, nanoplasmonics offers interesting opportunities providing the material and dimensional compatibility with ultra-small silicon electronics and the integrative functionality using hybrid photonic and electronic nanostructures. For sensing applications, remarkable changes in scattering colors stemming from a plasmonic coupling effect of gold nanoplasmonic particles have been utilized to demonstrate a detection of microRNAs at the femtomolar level with selectivity. As top-down or bottom-up fabrication of such nanoscale structures is limited to more conventional substrates, we have approached the controlled fabrication of highly ordered nanostructures using a transfer printing of pre-functionalized nanodisks on flexible substrates for more enabling applications of nanoplasmonics.
We present simple methods for fabricating high aspect-ratio polymer nanostructures on a solid substrate by rigiflex lithography with tailored capillarity and adhesive force. In the first method, a thin, thermoplastic polymer film was prepared by spin coating on a substrate and the temperature was raised above the polymer's glass transition temperature ($T_g$) while in conformal contact with a poly(urethane acrylate) (PUA) mold having nano-cavities. Consequently, capillarity forces the polymer film to rise into the void space of the mold, resulting in nanostructures with an aspect ratio of ${\sim}4$. In the second method, very high aspect-ratio (>20) nanohairs were fabricated by elongating the pre-formed nanostructures upon removal of the mold with the aid of tailored capillarity and adhesive force at the mold/polymer interface. Finally, these two methods were further used to fabricate micro/nano hierarchical structures by sequential application of the molding process for mimicking nature's functional surfaces such as a lotus leaf and gecko foot hairs.
New porous $TiO_2$ nanostructures with shapes of pearl and rice were synthesized by hydrothermal treatment of $TiO_2$-liposome nanocomposites in acid and base solutions, respectively, as identified by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) images and large Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas. The x-ray diffraction (XRD) patterns and selected area electron diffraction proved them to be well-defined anatase crystals. Their UV-visible reflectance absorption spectra were observed to have low band gap energy (3.03 and 3.07 eV, respectively), exhibiting surface absorption band in the visible range from 400 to 600 nm. The degradation of methylene blue (MB) over the $TiO_2$ nanostructures was observed upon visible-light irradiation, which was found to be very efficient as compared with any other conventional visible-light responsive $TiO_2$ nanostructures.
Moon, Hi Gyu;Han, Soo Deok;Kim, Chulki;Park, Hyung-Ho;Yoon, Seok-Jin
센서학회지
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제23권5호
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pp.291-294
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2014
In this study, a chemiresistive sensor based on one-dimensional $WO_3$ nanostructures is presented for application in non-invasive medical diagnostics. $WO_3$ nanostructures were used as an active gas sensing layer and were deposited onto a $SiO_2/Si$substrate using Pt interdigitated electrodes (IDEs). The IDE spacing was $5{\mu}m$ and deposition was performed using RF sputter with glancing angle deposition mode. Pt IDEs fabricated by photolithography and dry etching. In comparison with thin film sensor, sensing performance of nanostructure sensor showed an enhanced response of more than 20 times when exposed to 50 ppm acetone at $400^{\circ}C$. Such a remarkable faster response can pave the way for a new generation of exhaled breath analyzers based on chemiresistive sensors which are less expensive, more reliable, and less complicated to be manufactured. Moreover, presented sensor technology has the potential of being used as a personalized medical diagnostics tool in the near future.
Recently, enormous research efforts have been focused on the development of non-precious catalysts to replace Pt for electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR), and to reduce the cost of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In recent years, heteroatom (N, B, and P) doped carbon nanostructures have been received enormous importance as a non-precious electrode materials for oxygen reduction. Doping of foreign atom into carbon is able to modify electronic properties of carbon materials. In this study, nitrogen and boron doped carbon nanostructures were synthesized by using a facile and cost-effective thermal annealing route and prepared nanostructures were used as a non-precious electrocatalysts for the ORR in alkaline electrolyte. The nitrogen doped carbon nanocapsules (NCNCs) exhibited higher activity than that of a commercial Pt/C catalyst, excellent stability and resistance to methanol oxidation. The boron-doped carbon nanostructure (BC) prepared at $900^{\circ}C$ showed higher ORR activity than BCs prepared lower temperature (800, $700^{\circ}C$). The heteroatom doped carbon nanomaterials could be promising candidates as a metal-free catalysts for ORR in the PEMFCs.
We report on the fabrication and characterization of self- and artificially-controlled ZnO nanostructures have been investigated to establish nanostructure blocks for ZnO-based nanoscale device application. Systematic realization of self- and artificially-controlled ZnO nanostructures on $SiO_2/Si$ substrates was proposed and successfully demonstrated utilizing metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) in addition with a focused ion beam (FIB) technique. Widely well-aligned two-dimensional ZnO nanodot arrays ($4{\sim}10^4$ nanodots of 130-nm diameter and 9-nm height over $150{\sim}150{\mu}m^2$ with a period of 750 nm) have been realized by MOCVD on $SiO_2/Si$ substrates patterned by FIB. A low-magnification FIB nanopatterning mode allowed the periodical nanopatterning of the substrates over a large area in a short processing time. Ga atoms incorporated into the surface areas of FIB-patterned nanoholes during FIB engraving were found to play an important role in the artificial control of ZnO, resulting in the production of ZnO nanodot arrays on the FIB-nanopatterned areas. The nanodots evolved into dot clusters and rods with increasing MOCVD growth time.
Nanostructures, with a diversity of shapes, built on substrates have been developed within many research areas. Lithography is one powerful, but complex, technique to make structures at the nanometer scale, such as platinum nanowires for studying CO catalytic reactions [1], or aluminum nanodisks for studying the plasmon effect [2]. In this work, we approach a facile method to construct nanostructures using noble metals on a titania thin film by using self-assembled structures as a pattern. Here, a large-scale silica monolayer is transferred to the titania thin film substrates using a Langmuir-Blodgett trough, followed by the deposition of a thin transition metal layer. Owing to the hexagonal close-packed structure of the silica monolayer, we would obtain a metal nanostructure that includes separated metallic triangles (islands) after removing the patterning silica beads. This nanostructure can be employed to investigate the role of metal-oxide interfaces in CO catalytic reactions by changing the patterning silica particles with different sizes or by replacing the oxide support. The morphology and chemical composition of the structure can be characterized by scanning electron microscopy, atomic force microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, we modify these islands to a connected island structure by reducing the silica size of the patterning monolayer, which is utilized to generating hot electron flow based on the localized surface plasmon resonance effect of the metal nanostructures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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