팽이로 제작한 은나노링 어레이를 이용한 적외선 광흡수체 설계

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7770(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 논문은 분할 링 갭이 있는 은 나노링으로 구성된 메타표면의 수치 시뮬레이션 및 제작을 제시합니다. 이러한 나노구조는 광학 주파수에서 흡수를 제어할 수 있는 독특한 가능성을 통해 광학적으로 유도된 자기 반응을 나타낼 수 있습니다. 은 나노링의 흡수 계수는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 시뮬레이션을 통한 매개변수 연구를 수행하여 최적화되었습니다. 나노구조의 흡수 및 산란 단면은 내부 및 외부 반경의 영향, 하나의 나노링의 두께 및 분할 링 간격뿐만 아니라 4개의 나노링 그룹에 대한 주기성 인자를 평가하기 위해 수치적으로 계산됩니다. 이는 근적외선 스펙트럼 범위에서 공명 피크와 흡수 향상에 대한 완전한 제어를 보여주었습니다. 은 나노링 배열로 만들어진 이 메타표면의 실험적 제작은 전자빔 리소그래피와 금속화를 통해 이루어졌습니다. 그런 다음 광학적 특성화가 수행되고 수치 시뮬레이션과 비교됩니다. 문헌에 보고된 일반적인 마이크로파 분할 링 공진기 메타표면과 달리, 본 연구는 하향식 프로세스에 의한 구현과 적외선 주파수 범위에서 수행된 모델링을 모두 보여줍니다.

가시광선 및 적외선 범위에서 메타표면을 흡수하는 설계는 태양열 및 광전지, 광전자공학(광검출기, 센서 등)과 같은 다양한 영역 또는 선택적 흡수체가 필요한 기능성 재료의 핵심입니다1,2,3,4,5,6 ,7. 빛-물질 상호 작용을 조정하기 위해 파장 이하 나노구조를 사용할 수 있는 기회는 정의상 자연에서는 볼 수 없는 메타물질 또는 메타표면으로 달성할 수 있는 수많은 고유한 광학 특성 덕분에 지난 10년 동안 엄청난 관심을 불러일으켰습니다8,9 ,10,11,12,13,14. 이러한 가능성 중에서 금속 분할 링 공진기는 가시광선15,16,17 및 적외선 대역[근적외선(NIR) 및 단파 적외선( SWIR)]18,19,20. 전기 특성의 공명 외에도 금속 분할 링 공진기는 원형 모양으로 인해 광학적으로 유도된 자기 공명을 지원합니다. 전기장과 자기장은 강화될 수 있으며 결과적으로 공명 파장에서 흡수 특성이 향상됩니다. 또한 분할 링 공진기는 기하학적 매개변수에 따라 광 반응을 정밀하게 제어할 수 있는 고유한 가능성을 제공합니다. 나노링 디자인은 내부 및 외부 반경, 분할 링 간격 및 구조 두께와 같은 정확한 매개변수 세트 덕분에 플라즈몬 공명 특성을 쉽게 조정할 수 있는 훌륭한 플랫폼을 제공합니다. 이러한 분할 링 공진기 구현을 위해 여러 가지 기술적 접근 방식이 연구되었습니다. 예를 들어, 우리는 최근 콜로이드 나노큐브 빌딩 블록으로부터 나노광자 표면을 제조하기 위한 혁신적인 상향식 접근법을 제안하여 메타표면 저비용 제조의 판도를 바꿀 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 이 이전 연구를 통해 이전 보고서에서는 고려되지 않은 메타표면 디자인에 대한 제한 사항을 정의할 수 있었습니다. 본 연구에서는 이러한 기술적 제약이 고려되었으며, 이번에는 하향식 프로세스를 사용합니다. 여기서, 은 나노링 어레이의 제조는 전자빔 리소그래피 및 금속화에 의해 달성됩니다. 목표는 FDTD 시뮬레이션 덕분에 메타표면 디자인을 최적화하고 잘 알려진 신뢰할 수 있는 제작 방법 덕분에 모델을 검증하는 것입니다. 결과적으로 FDTD 시뮬레이션과 하향식 제작은 모두 설계 제약 조건을 고려하여 수행됩니다. 우리는 다수의 광전자 응용 분야에 매력적일 수 있는 근적외선 범위(λ = 1000-2000 nm)에서 흡수 향상을 달성하기 위해 나노링 어레이의 현실적인 매개변수 세트를 제안합니다. 은은 우수한 광학적 및 전자적 특성으로 인해 구성 재료로 선택되었습니다.