나노기공 센서의 온도 제어

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-19

온도를 나노크기에서 국부적으로 제어하는 것은 어렵지만, 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 연구진은 나노기공으로 만들어진 플라즈몬 나노구조와 나노안테나 속에서 이것을 수행하는데 성공했다. 이 구조는 금과 실리콘 질화물로 만들어지고, 특정 파장의 레이저 빛을 사용해서 가열될 수 있다. 이 구조는 단백질, DNA와 같은 단일 분자와 생체분자를 검출하고 그들의 특성들을 분석하는데 사용될 수 있다. 나노기공은 단일 분자들을 검출하기 위해서 센서와 바이오센서 등에 사용되는 나노미터 크기의 구멍이다. 그들은 분자들이 이동하거나 홀을 통해서 전좌(轉座)될 때 서로 다른 유형의 분석물의 특성을 평가할 수 있다. 분석물의 특성을 평가하기 위해서는 분자가 나노기공을 통과할 때 이온 전류, 터널링 전류, 나노기공의 형광의 변화를 측정한다. 나노기공 속의 국부적인 환경은 분석물을 검출할 때 중요한다. 예를 들어, 나노기공이 가열되면, 이것은 나노기공 속의 조건을 변화시키고 분자를 검출할 수 있게 할 뿐만 아니라 다양한 조건을 분석할 수 있게 한다. 예를 들어, 이것은 온도가 증가할 때 얼마나 안정적인지를 알 수 있다. 실제로, 과학자들은 레이저의 인입 방사선을 흡수하기 위한 “안테나”로서 금 나노입자를 사용했다. 금 나노입자는 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton) 때문에 이 구조를 가열한다. 표면 플라즈몬 폴라리톤은 특정 공진 하에서 빛을 강하게 흡수하는 금속 표면에서의 전자들의 집단적인 진동이다. 과녁 구조는 플라즈몬적으로 활성 재료로 만들어졌고, 인입 레이저 광을 위한 초점 역할을 한다. 과녁 구조가 흡수하는 광 파장은 대부분 재료에 의존한다. 이것은 서로 다른 재료 성분이 어떻게 배열되는지에 따라서 달라진다. 지금까지, 과학자들은 나노기공과 이런 플라즈몬 구조를 결합시키는데 거의 성공하지 못했지만, 이번 연구진은 금 나노입자를 이용해서 고체 상태 기공을 만들었고 매우 얇은 실리콘 질화물 층으로 만들어진 과녁 구조로 이 나노기공을 둘러싸게 했다. 이 구조는 632.8 nm 파장의 단색광을 매우 잘 흡수한다. 광은 나노기공을 가열하지만, 주위 멤브레인은 가열하지 않는다. 이번 연구진은 이온 전도성의 변화로 나노기공 속의 온도가 증가한다는 것을 관찰했다. 이 측정결과는 매우 민감하다. “우리는 집속 이온빔 밀링(focused ion beam milling)이라고 불리는 기술을 사용해서 나노기공과 과녁 구조를 제조했다"고 Edel은 말했다. “100 nm 두께의 SiN 위에 100nm 두께의 금으로 구성된 멤브레인을 표준 포토리소그래피로 만들었다. 그 후에 과녁 구조는 집속 이온빔 밀링을 사용해서 멤브레인의 금 층 속으로 분쇄되었다”고 Edel은 덧붙였다.  이 구조를 SEM으로 관찰했을 때, 기공의 중심은 전체 멤브레인으로 절단되고 과녁의 고리들은 금 박막으로만 존재한다. “기공 크기, 고리의 간격, 고리의 폭은 각각 80nm, 518nm, 80nm이다. 고리 간격은 632.8nm의 레이저 여기 파장에서 과녁 구조 위의 표면 플라즈몬 폴라리톤의 여기와 일치한다”고 이번 연구진은 말했다. 나노기공은 이것을 통과하는 플라즈몬에 의해서 가열되고 온도 변화는 과녁의 중심 영역에서 발생한다. “더 중요한 것은 온도 변화가 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤에 의해서 발생되기 때문에, 고리 주기성을 간단하게 변화시킴으로써 구조를 더 효율적으로 가열할 수 있다는 점”이라고 Edel이 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Precise Attoliter Temperature Control of Nanopore Sensors Using a Nanoplasmonic Bullseye”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl504536j 그림 1. 과녁처럼 보이는 장치 구조. 그림 2. 가열되었을 때 색상이 변하는 나노기공. pic1.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59632