| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2017년 봄 (05/17 ~ 05/19, 목포 현대호텔) |
| 권호 | 23권 1호 |
| 발표분야 | 7. 플라즈모닉 소재의 응용(Applications of Plasmonic Materials) |
| 제목 | 표면 플라즈몬으로 인해 증대된 빛-물질 상호작용 연구 (Surface plasmon-enhanced light-matter interaction) |
| 초록 | 표면 플라즈몬 (surface plasmon) 은 금속표면의 자유전자와 전자기파가 결합한 형태로서 특정한 위상을 갖고 금속과 유전체의 경계면에서 발생된다 [1]. 표면 플라즈몬은 빛의 회절한계에 제한을 받지 않으며 금속표면으로부터 멀어짐에 따라 감쇄적 특성을 갖기 때문에, 표면 플라즈몬을 이용하여 빛 에너지를 파장보다 작은 영역에 집중시키는 것이 가능하다. 표면 플라즈몬의 공진 특성을 갖는 금속 구조물을 유전체나 반도체와 결합할 경우, 자연상태에 존재하는 물질이 갖지 못하는 광학적 특성을 갖는 물질 (메타물질)을 구현할 수 있다. 최근 그 실현 가능성이 부분적으로 증명된 투명물질 (cloaking material) [2] 이나 음굴절 물질 (negative refractive index material) [3] 은 대표적인 예이다. 또한, 표면 플라즈몬의 강한 전기장 집속 효과를 이용하여 빛-물질의 반응성을 증대하여, 반도체나 분자의 빛 흡수성 및 발광성을 개선할 수 있다 [4,5]. 본 발표에서는 먼저, 표면 플라즈몬의 물리적 특성을 설명하고, 표면 플라즈몬을 분자와 반도체에 적용하여 물질의 선형 및 비선형 광 특성을 증대한 결과에 대해 논의 할 것이다. 1. 테라 주파수 (Terahertz frequency) 영역 대에서 공진특성을 갖는 분자의 흡수 단면적 (absorption cross section) 은 매우 작기 때문에, 반사나 투과 스펙트럼을 이용하여 미량의 분자 존재 유무를 판단하기는 매우 어렵다. 공항이나 항만의 검색대에서 실용화된 테라파 스캔너를 이용하여 RDX (1,3,5- trinitroperhydro-1,3,5-triazine) 와 같은 폭발물을 검출하기 위해서는 그 양이 최소 수 mg 이상이어야 한다. 이와 같은 테라파를 이용한 검출의 한계를 극복하기 위해서 다양한 방법이 소개 되었다. 대부분의 경우, 조사하는 테라파와 검출하려는 물질 사이의 반응거리를 늘려 물질의 총 테라파 흡수량을 증가 시키는 방법으로 문제를 해결하고자 한다. 이 경우에도, 반응거리는 테라파 파장에 상응해야하기 때문에 최소 수 백 마이크론에 이른다. 테라파 주파수 영역 대에서 광 흡수성을 갖는 폭발물질 RDX 분자를 기존 방식으로 검출하기 위해서는 최소 수 mg 이 필요한 반면, 수십 나노 선폭을 갖는 공진기를 이용할 경우 수십 ng의 RDX가 검출 가능함을 보인다 [6]. 2. 상온에서 약 1.5 μm에 발광 파장을 갖는 InGaAs 반도체 박막 위에 일정한 주기를 갖는 금속 격자를 제조하여 슈퍼 발광 특성을 갖는 새로운 형태의 표면 플라즈몬 광원을 구현하였다. 슈퍼 발광 (superradiance) 은 비간섭성 (incohrent) 발광 (photoluminescence) 과 구별되어 결맞는 광자의 방출현상이다 [7]. 여기된 원자의 밀도가 충분히 클 경우, 여기상태에 놓인 전자들은 가상 광자 (virtual photon) 의 상호교환을 통해 집단적으로 매우 짧은 시간동안 광자를 방출하고 기저상태로 복귀한다. 비간섭성 발광은 수 나노초~마이크로초 동안 지수 함수적으로 감소하는 반면, 슈퍼발광은 수 피코초 동안 펄스의 형태로 방출되며, 펄스의 세기는 여기된 원자수의 제곱에 비례하고 펄스의 지속시간 및 지연시간은 여기된 원자수에 반비례한다. 본 연구에서 우리는 가상 광자 대신 가상 표면 플라즈몬을 이용할 경우, 슈퍼 발광 현상이 보다 효율적으로 상온에서 발생될 수 있음을 보인다. 우리가 제시하는 새로운 광원은 금속 격자의 주기변환을 통하여 400 nm 선폭 대에서 발광 파장 조절이 가능하며, 수 피코초의 매우 짧은 지속시간을 갖기 때문에 광 정보 처리에 응용될 수 있다. Reference [1] H. Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and Gratings, Springer (1988). [2] T. Ergin et al., Sciene 328, 337 (2010). [3] H. J. Lezec et al., Science 316, 430(2007). [4] G. Konstantatos and E. H. Sargent, Nature Nanotech. 5, 391 (2010). [5] J. A. Schuller et al., Nature Mater. 9, 193 (2010). [6] H. R. Park et al., Nano Lett. 13, 1782 (2013). [7] M. Gross and S. Haroche, Phys. Rep. 93, 301 (1982). |
| 저자 | 안광준 |
| 소속 | 아주대 |
| 키워드 | <P>표면플라즈몬; 빛-물질 상호작용; 빛흡수 및 방출 증대</P> |
