Kim, Raekyung;Jee, Seohyeon;Ryu, Unjin;Lee, Hyeon Shin;Kim, Se Yun;Choi, Kyung Min
Korean Journal of Chemical Engineering
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제36권6호
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pp.975-980
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2019
Infrared (IR) spectroscopy is a powerful technique for observing organic molecules, as it combines sensitive vibrational excitations with a non-destructive probe. However, gaseous volatile compounds in the air are challenging to detect, as they are not easy to immobilize in a sensing device and give enough signal by themselves. In this study, we fabricated a thin nanocrystalline metal-organic framework (nMOF) film on a surface plasmon resonance (SPR) substrate to enhance the IR vibration signal of the gaseous volatile compounds captured within the nMOF pores. Specifically, we synthesized nanocrystalline HKUST-1 (nHKUST-1) particles of ca. 80 nm diameter and used a colloidal dispersion of these particles to fabricate nHKUST-1 films by a spin-coating process. After finding that benzene was readily adsorbed onto nHKUST-1, an nHKUST-1 film deposited on a plasmonic Au substrate was successfully applied to the IR detection of gaseous benzene in air using surface-enhanced IR spectroscopy.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제15권1호
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pp.35-40
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2015
In this study, an n-ZnO/p-Si heterojunction diode with embedded Ag nanoparticles was fabricated to investigate the possible improvement of light trapping via the surface plasmon resonance effect for solar cell applications. The Ag nanoparticles were fabricated by the physical sputtering method. The acquired current-voltage curves and optical absorption spectra demonstrated that the application of Ag nanoparticles in the n-ZnO/p-Si interface increased the photo current, particularly in specific wavelength regions. The results indicate that the enhancement of the photo current was caused by the surface plasmon resonance effect generated by the Ag nanoparticles. In addition, minority carrier lifetime measurements showed that the recombination losses caused by the Ag nanoparticles were negligible. These results suggest that the embedding of Ag nanoparticles is a powerful method to improve the performance of n-ZnO/p-Si heterojunction solar cells.
A novel photonic crystal fiber (PCF) sensor with three D-shaped holes based on surface plasmon resonance (SPR) is analyzed in this paper. Three D-shaped holes are filled with the analyte, and the gold film is deposited on the side of three planes. The design of D-shaped holes with outward expansion can effectively solve the uniformity problem of metallized nano-coating, it is beneficial to the filling of the analyte and is convenient for real-time measurement of the analyte. Compared with the hexagonal lattice structure, the triangular arrangement of the clad air holes can significantly reduce the transmission loss of light and improve the sensitivity of the sensor. The influences of the air hole diameter, the distance between D-shaped holes and core, and the counterclockwise rotation angle of D-shaped holes on sensing performance are studied. The simulation results show that the wavelength sensitivity of the designed sensor can be as high as 10100 nm/RIU and the resolution can reach 9.9 × 10-6 RIU.
Surface plasmon resonance (SPR) is classified into the propagating surface plasmon (PSP) excited on flat metal surfaces and the local surface plasmon (LSP) excited by metalnanoparticles. It is known that fluorescence signals are enhanced by these two SPR-fields.On the other hand, fluorescence is quenched by the energy transfer to metal (FRET). Bothphenomena are controlled by the distance between dyes and metals, and the degree offluorescence enhancement is determined by the correlation. In this study, we determined thecondition to achieve the maximum fluorescence enhancement by adjusting the distance of ametal nanoparticle 2D sheet and a quantum dots 2D sheet by the use of $SiO_2$ spacer layers. The 2D sheets consisting of myristate-capped Ag nanoparticles (AgMy nanosheets) wereprepared at the air-water interface and transferred onto hydrophobized gold thin films basedon the Langmuir-Schaefer (LS) method [1]. The $SiO_2$ sputtered films with different thickness (0~100 nm) were deposited on the AgMy nanosheet as an insulator. TOPO-cappedCdSe/CdZnS/ZnS quantum dots (QDs, ${\lambda}Ex=638nm$) [2] were also transferred onto the $SiO_2$ films by the LS method. The layered structure is schematically shown in Fig. 1. The result of fluorescence measurement is shown in Fig. 2. Without the $SiO_2$ layer, the fluorescence intensity of the layered QD film was lower than that of the original QDs layer, i.e., the quenching by FRET was predominant. When the $SiO_2$ thickness was increased, the fluorescence intensity of the layered QD film was higher than that of the original QDs layer, i.e., the SPR enhancement was predominant. The fluorescence intensity was maximal at the $SiO_2$ thickness of 20 nm, particularly when the LSPR absorption wavelength (${\lambda}=480nm$) was utilized for the excitation. This plasmonic nanosheet can be integrated intogreen or bio-devices as the creation point ofenhanced LSPR field.
A novel fiber optic surface plasmon resonance (SPR) sensor using cyclic olefin copolymer (COC) prism with the spectral modulation is presented. The SPR sensor chip is fabricated using the SU-8 photolithography, Ni-electroplating and COC injection molding process. The sidewall of the COC prism is partially deposited with Au/Cr (45/2.nm thickness) by e-beam evaporator, and the thermal bonding process is conducted for micro fluidic channels and optical fibers alignment. The SPR spectrum for a phosphate buffered saline (0.1.M PBS, pH.7.2) solution shows a distinctive dip at 1300.nm wavelength, which shifts toward longer wavelength with respect to the bovine serum albumin (BSA)concentrations. The sensitivity of the wavelength shift is $1.16\;nm{\cdot}{\mu}g^{-1}{\cdot}{\mu}l^{-1}$. From the wavelength of SPR dips, the refractive indices (RI) of the BSA solutions can be theoretically calculated using Kretchmann configuration, and the change rate of the RI was found to be $2.3{\times}10^{-5}RI{\cdot}{\mu}g^{-1}{\cdot}l^{-1}$. The realized fiber optic SPR sensor with a COC prism has clearly shown the feasibility of a new disposable, low cost and miniaturized SPR biosensor for biochemical molecular analyses.
Yoon, Su-Jin;Hwang, Jeongwoo;Lee, Myeong-Ju;Kang, Sang-Woo;Kim, Jong-Su;Ku, Zahyun;Urbas, Augustine;Lee, Sang Jun
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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pp.296-296
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2014
We investigate experimentally and theoretically the splitting of surface plasmon (SP) resonance peaks under TE- and TM-polarized illumination. The SP structure at infrared wavelength is fabricated with a 2-dimensional square periodic array of circular holes penetrating through Au (gold) film. In brief, the processing steps to fabricate the SP structure are as follows. (i) A standard optical lithography was performed to produce to a periodic array of photoresist (PR) circular cylinders. (ii) After the PR pattern, e-beam evaporation was used to deposit a 50-nm thick layer of Au. (iii) A lift-off processing with acetone to remove the PR layer, leading to final structure (pitch, $p=2.2{\mu}m$; aperture size, $d=1.1{\mu}m$) as shown in Fig. 1(a). The transmission is measured using a Nicolet Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) at the incident angle from $0^{\circ}$ to $36^{\circ}$ with a step of $4^{\circ}$ both in TE and TM polarization. Measured first and second order SP resonances at interface between Au and GaAs exhibit the splitting into two branches under TM-polarized light as shown in Fig. 1(b). However, as the incidence angle under TE polarization is increased, the $1^{st}$ order SP resonance peak blue-shifts slightly while the splitting of $2^{nd}$ order SP resonance peak tends to be larger (not shown here). For the purpose of understanding our experimental results qualitatively, SP resonance peak wavelengths can be calculated from momentum matching condition (black circle depicted in Fig. 2(b)), $k_{sp}=k_{\parallel}{\pm}iG_x{\pm}jG_y$, where $k_{sp}$ is the SP wavevector, $k_{\parallel}$ is the in-plane component of incident light wavevector, i and j are SP coupling order, and G is the grating momentum wavevector. Moreover, for better understanding we performed 3D full field electromagnetic simulations of SP structure using a finite integration technique (CST Microwave Studio). Fig. 1(b) shows an excellent agreement between the experimental, calculated and CST-simulated splitting of SP resonance peaks with various incidence angles under TM-polarized illumination (TE results are not shown here). The simulated z-component electric field (Ez) distribution at incident angle, $4^{\circ}$ and $16^{\circ}$ under TM polarization and at the corresponding SP resonance wavelength is shown in Fig. 1(c). The analysis and comparison of theoretical results with experiment indicates a good agreement of the splitting behavior of the surface plasmon resonance modes at oblique incidence both in TE and TM polarization.
표면 플라즈몬 공명 센서에서 센서의 성능은 민감도(nm/RIU)와 분해능인 공명 픽의 형태에 의해서 결정된다. 이러한 특성은 센서에 활용되는 구조체의 물질과 구조적 특성에 따라 달라진다. 본 연구에서는 insulator-metal-insulator (IMI) 다중 층 구조를 기반으로 한 표면 플라즈몬 공명 센서 구조의 최적화 과정을 통해 센싱 레이어의 굴절률 변화에 대한 높은 민감도 달성과 동시에 좁은 full width at half maximum (FWHM)과 픽의 깊이 이 두 가지의 요소를 기반으로 한 분해능이 큰 공명 픽을 형성하도록 하는 구조를 찾았다. 이 구조를 통해 센싱 레이어의 굴절률이 1.45-1.46 범위에서 변화할 때 FWHM = 11.92 nm, 픽 깊이 93.1%의 공명 픽이 형성되었고 최대 8,390 nm/RIU의 민감도 성능을 확인했다. 특히 금 박막을 활용한 파장 기반의 표면 플라즈몬 센서는 공명 픽의 너비 확장이 발생하나 금 박막을 사용하고도 좁은 FWHM을 달성함에 의의가 있다. 본 연구에서 제안하는 다중 층 설계를 기반으로 한 센서는 미세한 굴절률 변화 값에 대한 높은 민감도와 더불어 높은 분해능을 가지는 파장 기반 표면 플라즈몬 센서로 활용 가능하다.
Metal nano-crystals have been received much attentions owing to their excellent catalytic property and surface plasmon effect. In the last decade, many studies on synthesizing well-dispersive nanoparticles and on understanding their distinct physical properties have been performed. There were tremendous reports revealing the electrochemical activities and enhancement of surface plasmonic effect were dependent mainly on the size, shape, and composition. So far, most fabrication methods have been based on vacuum based deposition techniques, such as chemical vapor deposition and electron-beam evaporation, and then annealed them to transform into the nanoparticles. Recently, there were several reports regarding to the photoinduced nano-crystal synthesis as an effective way to produce the metal nanoparticles. In this study, we report synchrotron x-ray mediated synthesis of Au nanoparticles on ZnO nanowires. ZnO nanowires were fabricated by hydrothermal method, and then they were dip into a solution having Au clusters. Detailed structural evolution of Au nanoparticles was investigated using scanning electron microscopy and photoluminescence measurements. The results on formation of well-dispersive Au nanoparticles on ZnO nanowires will be presented.
Kim, Shin-Ae;Kim, Sung-June;Lee, Sang-Hun;Park, Tai-Hyun;Byun, Kyung-Min;Kim, Sung-Guk;Shuler, Michael L.
Journal of the Optical Society of Korea
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제13권3호
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pp.392-397
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2009
We designed a wavelength interrogation-based surface plasmon resonance (SPR) biosensor to detect avian influenza DNA (AI-DNA). Hybridization reactions between target AI-DNA probes and capture probes immobilized on a gold surface were monitored quantitatively by measuring the resonance wavelength in the visible waveband. The experimental results were consistent with numerical calculations. Although the SPR detection technique does not require the DNA to be labeled, we also evaluated fluorescently-labeled targets to verify the hybridization behavior of the AI-DNA. Changes in resonance were found to be linearly proportional to the amount of bound analyte. A wavelength interrogation-type SPR biosensor can be used for rapid measurement and high-throughput detection of highly pathogenic AI viruses.
Silver nanoparticles production by the green chemistry approach was investigated using an isolated marine actinomycetes strain. The isolated strain was identified as Streptomyces albidoflavus based on chemotaxonomic and ribotyping properties. The strain revealed production of silver nanoparticles both extracellular and intracellularly. Surface Plasmon Resonance analysis with the function of time revealed that particle synthesis by this strain is reaction time dependent. The produced particles were spherical shaped and monodispersive in nature and showed a single surface plasmon resonance peak at 410 nm. Size distribution histograms indicated production of 10-40-nm-size nanoparticles with a mean size of 14.5 nm. FT-IR spectra of nanopartilces showed N-H, C-H, and C-N stretching vibrations, denoting the presence of amino acid/peptide compounds on the surface of silver nanoparticles produced by S. albidoflavus. Synthesized nanoparticles revealed a mean negative zeta potential and electrophoretic mobility of -8.5 mV and -0.000066 $cm^2/Vs$, respectively. The nanoparticles produced were proteinaceous compounds as capping agents with -8.5 mV zeta potential and revealed antimicrobial activity against both Gram-negative and -positive bacterial strains. Owing to their small size, these particles have greater impact on industrial application spectra.
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