KR101069607B1 - 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스 및 이를 이용하여 나노입자를 검출하기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스로서, 전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 필름;및 상기 필름 상에 형성되고, 상기 전자기파 및 상기 전도성 물질에 따라 결정되는 토마스 페르미 차폐 길이와 표피 깊이 사이의 폭을 갖는 나노갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스 및 이를 이용한 나노입자 검출을 위한 시스템이 제공된다.

금속, 플라즈몬, 구멍, 전기장, 집속, 증폭

Description

전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스 및 이를 이용하여 나노입자를 검출하기 위한 시스템{A nanogap device for field enhancement and a system for nanoparticle detection using the same}

본 발명은 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스 및 이를 이용하여 나노입자를 검출하기 위한 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 유사 플라즈몬을 여기하는 금속 구조를 나노공명구조의 개념으로 접근하여, 특히 테라헤르쯔 내지 원적외선 영역의 전자기파의 전기장을 나노스케일에서 집속시키기 위한 나노갭 디바이스 및 이를 이용하여 나노입자를 검출하기 위한 시스템에 관한 것이다.

금속의 독특한 광학적 성질들은 플라즈몬(plasmonics), 메타물질(metamaterials), 슈퍼렌징 및 서브디프렉션 포커싱(superlensing and subdiffraction focusing), 옵티컬 안테나(optical antennas) 및 표면 증폭 라만 산란(surface enhanced Raman scattering)을 포함한 많은 연구 영역들 및 응용들의 근저에 있다. 마이크로파(microwave), 테라헤르쯔(terahertz), 적외선(infrared), 가시광선(visible) 및 자외선(ultraviolet) 영역의 메타물질 및 플라즈몬 연구 활 동에 내재한 하나의 중요한 길이 스케일(length scale)은 금속의 표피 깊이(skin depth)이고, 이 표피 깊이는 브로드 스펙트럼의 범위(broad spectral range) 전체에 걸쳐 서브-마이크로미터 수준에 머물러 있다.

서브-표피 깊이 체제(sub-skin depth regime)에서 새로운 기능성을 달성하도록, 테라헤르쯔 전자기파(이하 "테라파")를 작은 나노스케일로 제어할 수 있는지가 중요한 문제이다.

일반적으로 주기적으로 배열된 구멍구조를 가진 금속막에서의 표면 플라즈몬에 의한 투과 특성의 향상은 가시광 영역대에서 깊이 연구되어 왔다. 이런 구조에서 입사광은 파장의 절반크기보다 현저히 작은 구멍을 효율적으로 투과하게 된다. 최근 이런 투과 특성에 대한 연구는 적외선파나 테라파, 마이크로파 영역대까지 확대되어 왔다. 이런 영역대에서의 투과 공진은 금속막 위에서의 표면파 뿐 아니라, 구멍 구조에 따르는 다양한 현상들과 깊이 관련되어 진다는 사실이 알려져 있다.

테라파에서는 기존에 가시광 영역대에서 연구된 현상과 비슷한 투과 공진이 나타나지만, 그 원리는 매우 다르다. 하지만, 아직까지 테라파에서의 투과 공진의 원리에 대한 이해는 부족한 것이 현실이었다. 최근 테라파에 대한 연구가 활발해지는 이유는 인체에 무해한 파장대역이면서 인체 내에 여러 세포들이 방출하는 빛의 파장대가 테라파 영역에 있기 때문이고, 이에 따라 의료 장비나 보안, 검색 장비와 같은 응용 사례도 점점 늘어나고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 일 목적은 전자기파, 보다 상세하게는 테라헤르쯔 내지 원적외선 영역의 전자기파의 전기장을 나노갭에서 집속시키기 위한 나노갭 디바이스를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 나노갭 디바이스를 이용한 나노입자 검출을 위한 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 구성은,

전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스로서,

전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 필름;및

상기 필름 상에 형성되고, 상기 전자기파 및 상기 전도성 물질에 따라 결정되는 토마스 페르미 차폐 길이와 표피 깊이 사이의 폭을 갖는 나노갭을 포함한다.

바람직하게는, 상기 전자기파는 테라헤르쯔 내지 원적외선 영역의 파장을 갖는다.

바람직하게는, 상기 전자기파는 단일 사이클 테라헤르쯔 펄스이다.

바람직하게는, 상기 전도성의 물질은 금속 또는 탄소나노튜브이다.

바람직하게는, 상기 금속은 금이다.

바람직하게는, 상기 나노갭의 형상는 직사각형 또는 슬릿형이다.

바람직하게는, 상기 필름은 상기 나노갭의 상기 폭의 2배 정도의 두께를 갖는다.

바람직하게는, 상기 나노갭은 상기 전자기파의 공명 파장의 1/2 정도의 길이를 갖는다.

바람직하게는, 테라헤르쯔 비선형성 유도, 천문학의 소 테라헤르쯔 신호 검출, 나노-입자 검출 또는 표면 증폭 라만 산란을 위한 발진대로서 이용된다.

본 발명의 다른 측면에 따른 구성은,

나노입자 검출을 위한 시스템으로서,

전자기파를 발생시키기 위한 전자기파 원;

전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 필름;

상기 필름 상에 형성되고, 상기 전자기파 및 상기 전도성 물질에 따라 결정되는 토마스 페르미 차폐 길이와 표피 깊이 사이의 폭을 갖는 나노갭;및

상기 나노갭을 통해 투과된 상기 전자기파를 측정하는 측정 수단을 포함한다.

바람직하게는, 상기 전자기파는 테라파 내지 원적외선 영역의 파장을 갖는다.

바람직하게는, 상기 전자기파는 단일 사이클 테라헤르쯔 펄스이다.

바람직하게는, 상기 전도성의 물질은 금속 또는 탄소나노튜브이다.

바람직하게는, 상기 금속은 금이다.

바람직하게는, 상기 나노갭의 형상은 직사각형 또는 슬릿형이다.

바람직하게는, 상기 필름은 상기 나노갭의 상기 폭의 2배 정도의 두께를 갖는다.

바람직하게는, 상기 나노갭은 상기 전자기파의 공명 파장의 1/2 정도의 길이를 갖는다.

바람직하게는, 상기 측정 수단은 일렉트로-옵틱 샘플링을 이용하여 상기 투과 전자기파를 측정한다.

본 발명에 따른 나노갭 디바이스에 의하면, 종래에 시도되지 않았던 토마스-페르미 길이(Thomas-Fermi length) 영역에서의 광집속, 즉 λ/10,000 혹은 그 이상의 집속도를 구현할 수 있는 가에 대한 궁극적이고 원천적인 문제의 답을 찾을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 나노입자를 검출하기 위한 시스템은 통상적인 광 산란 방법으로는 검출하기 힘든 10 nm 이하의 아주 작은 나노입자를 검출 할 수 있고, 나노슬릿-나노입자의 상호작용을 심화 응용하여 단일나노입자의 단순한 검출뿐 아니라 입자의 위치 및 배향을 알아낼 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서는 전자기파의 파장 중 테라파-원적외선 영역에 초점을 둘 것이다. 그 이유는 이 영역이 위에서 언급된 나노갭-광집속의 연관을 현실화하기 가장 적합한 파장대역이기 때문이다. 이 파장대역에서도 전도성 물질 예 를 들면, 금속은 가시광 영역과 거의 유사한 표피 깊이(수십 나노미터 정도)를 가지고 있으므로 파장 대비 선폭을 최고 λ/10,000 까지 축소 시킬 수 있다. 이는 전자기파의 세기 또는 에너지를 기준으로 했을 때 1억 배에 달하는 어마 어마한 집속도이다.

도 1은 본 발명에 따른 나노갭 디바이스(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 나노갭 디바이스(100)에는 전도성 필름(110)상에 길이(l), 폭(a) 및 높이(h)를 갖는 직사각형 구멍 구조의 나노갭(120)이 형성되어 있다. 직사각형 구멍 구조의 나노갭(120)를 갖는 전도성 필름(110) 상에 입사 전자기파(10)가 입사할 때 나노갭(120) 안으로 투과 전자기파(11)가 강하게 집속된다. 강하게 집속된다는 표현을 초집속(super-focusing), 광학 깔대기(optical funneling) 등으로 표현할 수 있다.

이하에서, 본 발명자들은 금속 필름 상의 λ/30,000 슬릿이 광-유도 전류에 의해 대전된 나노갭-커패시터(nanogap-capacitor)로서 작용하며, 전기장을 수 자리 크기(orders of magnitudes) 정도 증폭시킨다는 것을 보인다.

테라헤르쯔 및 마이크로웨이브 영역에서 특정 전기적 또는 자기적 성질들에 맞춰진 메타물질들의 피처 사이즈(feature size)는 파장 보다 훨씬 작지만 그럼에도 불구하고 표피 깊이 보다는 훨씬 크다. 구멍(aperture)형태의, 파장이하 금속 구조들은 전기장을 집속할 수 있고 플라즈몬, 반파장 또는 패브리-페로 공명으로 광투과를 증폭시킬 수 있다. 파장 보다 작지만 표피 깊이 보다 훨씬 큰 길이 스케일에서 공명 집속(resonant focusing)이 조사되어 왔다. 이러한 체제에서, 완벽 전 도체 근사법(perfect conductor approximation)이 1-차원 및 2-차원 구멍들에서의 필드 증폭을 설명하는데 이용되었으며, 여기서 갭-폭이 감소할수록 필드 증폭은 계속 증가함이 보여졌다. 감소 폭이 표피 깊이 한계를 깨고 서브-표피 깊이 나노갭의 새로운 체제에 들어갈 때, 갭 내부의 전기장은 계속 증가하는지에 관하여 물음이 존재한다.

서브-표피 깊이 나노갭에서의 필드 증폭을 규명하기 위하여, 테라헤르쯔 시간 영역 분광법(terahertz time domain spectroscopy)이 0.1㎔ 내지 1.1㎔의 주파수 범위(파장=3㎜ 내지 0.27㎜)에 대해 수행된다. 나노갭의 존재는 공명-결여 1/f-타입 의존성을 나타내는 투과도를 깊게 변경한다는 사실을 알아냈다. 필드 증폭의 수준과 등가인, 면적-표준화 투과도(area-normalized transmittance)는 갭 폭이 감소함에 따라 계속 증가하고, 최종적으로 70㎚ 갭에 대해 0.1㎔에서 800의 값에 이른다. 갭이 좁아질 때, 전하들은 갭의 가까이에 집중되고, 전하 밀도를 증가시켜 이에 의해 전기장을 증폭시킨다. 컷-오프(cut-off)가 존재하지 않기 때문에, 갭에서의 증폭된 장은 전적으로 원격장(far field)쪽으로 산란한다. 브로드 1/f 스펙트럼 응답, 10⁵의 최대 |E|² 증폭 및 10¹¹의 비선형 |E|⁴ 증폭으로, 본 발명자들의 나노갭 디바이스는 테라헤르쯔 비선형성 유도, 천문학의 소 테라헤르쯔 신호 검출, 나노-입자 검출 및 표면 증폭 라만 산란을 위한 탁월한 발진대(launching pad)가 될 수 있다.

전자기파가 수직 입사하여 전도 평면상에 부딪칠때, 빛을 반사시키는 표면상 에 전류가 유도되며, 전하는 어디에도 축적되지 않는다. 이 평면이 두개의 좀머펠트 반 평면(Sommerfeld half plane)들로 절단될 때, 전하는 한 파장의 길이 스케일을 갖는 모서리에 축적되고, 그결과 표면 전하 밀도는 χ ≪ λ의 작은 값에 대한 다음의 의존성을 갖는다:

. 여기서 ε₀ 및 Ε₀은 진공 유전율 및 입사 전기장을 각각 나타내고, ω 및 χ는 각 주파수 및 모서리로부터 거리를 각각 나타낸다. 이 반 평면에 대한 χ=0에서의 전하 특이성(charge singularity)은 강하지 않은데, 통합에 의해 전하 특이성이 사라지기 때문이다.

2개의 금속 반 평면들을 다시 합치고, 그 결과 전하들이 갭을 가로질러 서로 반대되는 요소들의 인력을 느끼기 시작하는 경우에, 전하들은 모서리쪽으로 더 가깝게 이동하여 보다 강한 전기장을 발생시킬 것으로 예상된다. 갭이 서브-표피 깊이 및 그 아래쪽으로 계속 접근할 때, 광-유도 전류는 계속 갭 쪽으로 흐르고, 이는 모서리에서 심지어 더 집중된 전하를 유도한다(도 2a). 비록 정성적이기는 하나, 광-유도 교류 전류에 의해 구동되는 효과적인 라인-커패시터(도 2a)의 간단한 그림은 심지어 갭-사이즈가 표피 깊이 보다 더 작아질 때도 장 증폭은 계속 증가함을 도시한다.

도 2b는 본 발명에 따른 실험의 개요를 나타낸다. 샘플은 500 미크론-두께의 Si 기판 상에 퇴적된 h=150㎚ 두께의 금 필름상에 FIB(focused ion beam, FIB200, FEI) 머신을 이용하여 제조된 a=70㎚ 갭으로 이루어진다. 본 발명자들은 일렉트로- 옵틱 샘플링을 이용한 테라헤르쯔 시간 영역 분광법에 의해 갭을 통한 투과를 조사한다. 바이어스된 GaAs 결정은 p-편광 ㎔ 파를 발생시키고, 이 p-편광 ㎔ 파는 2㎜ × 2㎜ 구멍을 통과한 후에 샘플 상에 부딪친다. (110) 방향 ZnTe 결정은 일렉트로-옵틱 샘플링을 거쳐 수평의 전기장 성분을 검출한다.

도 2c는 갭 샘플(맨위)및 Si 상의 무패턴의 금(중간)을 통한 일렉트로-옵틱 신호를 나타낸다. 맨 아래에는, 무패턴의 Si상의 동일한 구멍을 통한 기준 신호(맨아래)가 나타나 있다. 작지만 무시할 수 없는 직접 투과는 본 발명의 샘플 두께가 표피-깊이 정도라는 사실을 반영한다. 이러한 직접 투과의 기여는, 1 ㎔에서 약 80㎚의 표피 깊이와 일관되며, 갭에서의 필드 강화를 평가할 때, 공제될 필요가 있다.

테라파가 2mm*2mm 면적으로 입사하였을 때 2mm*70nm 구멍에 70nm/2mm, 약, 1/30000에 해당하는 빛만 통과해야 하지만 도 2c에서 보는 것과 같이 입사한 전기장의 1/10이 통과함을 알 수 있으며 이를 통해 실제로 3000배나 많은 전기장이 나노 슬릿 안에 집속되어 있음을 알 수 있다. 이 현상은 키르히호프 회절 이론(Kirchhoff diffraction theory)과 좀머펠트 반평면 원리(Sommerfeld's half plane principle)를 이용하여 이론적 설명이 가능하다.

시간 자취(time trace)의 퓨리에-변환 및 이들을 기준 신호로 나눈 것은 주파수-의존성 투과 스펙트럼들에 귀착된다. 무-패턴 금을 통한 직접 투과를 공제한 후, 갭을 통한 투과 스펙트럼이 도 2d에 나타나 있다. 또한 시간-자취들에서 분명한 패브리-페로(Fabry-Perot) 타입 다중 반사 때문에 스펙트럼은 다소 복잡할지라 도 약 1%의 투과도는 갭 커버리지(gap coverage) β=α/2㎜ 보다 훨씬 크고, 갭 커버리지는 단지 0.0035%=70㎚/2㎜이다. 이러한 증폭된 투과도는 갭에서의 증폭된 장으로부터 비롯되고, 우측상에 표시되는, 면적 표준화 투과도(area-normalized transmittance) t/β는 키르히호프 적분 수식체계(Kirchhoff integral formalism)를 통한 갭에서의 수평 전기장 증폭으로 변화된다.

나노갭에 대해 도 2d에 포함된 장 증폭은 10 정도의 장 증폭이 관측된 테라헤르쯔 및 마이크로파 범위의 미크론- 및 밀리미터-크기 갭에서 보다 더 큰 1 내지 2 자리 크기이다. 나노갭에서 장 증폭 및 그의 주파수 의존성을 정확히 측정하기 위하여, Si 기판의 패브리-페로 효과를 제거할 필요가 있다. 도 3은 나노갭 디바이스 샘플의 구성도 및 실험 결과를 보여준다. 거의 프리-스탠딩(free-standing)의 나노갭이 SiO₂의 1.2㎛ 층에 SiN의 0.5㎛ 두께 층 다음에 퇴적된 60㎚-두께의 금 필름상에 제조된다(도 3a). 나노갭을 통하여 시간-영역에서 투과된 신호는 도 3b(맨위)에, 무-패턴의 금에 대한 신호(가운데) 및 기준 신호(맨아래)와 함께 나타나 있다: 다중 반사는 보이지 않는다.

3개의 나노갭들, a=70㎚(적색; h=60㎚), 150㎚(회색; h=150㎚), 및 500㎚(녹색; h=60㎚)을 통한 장 증폭 스펙트럼들이, 다시 직접 투과를 공제한 후에 도 3c에 나타나 있다. 비교를 위해, h=17㎛를 갖는 a=14㎛ 샘플을 통한 면적 표준화 투과(파란색)가 나타나 있다. 4개의 샘플들에 대한 주파수 의존성 장 증폭의 로그-로그 플롯(log-log plot)들이 삽입도에 나타나 있다. 장 증폭은 주파수가 감소함에 따라 계속 증가하고, 검정색 선들로 표시된 1/f-타입 주파수 의존성을 증명한다. 또한 본 발명자들은 14-미크론 갭 샘플에 대한 장 증폭은 심지어 증폭이 최대가 되는 가장 낮은 주파수에서, 기껏해야 10이고, 이는 이전의 결과들(J.W.Lee, M.A.SEO, D.H.Kang, K.S.Khim, S.C.Jeoung, and D.S. Kim, "Terahertz electromagnetic wave transmission through random arrays of single rectangular holes and slits in thin metallic sheets", Phys. Rev. Lett. 99, 137401 (2007))과 일관됨을 알았다. 가장 작은 서브-표피 깊이 갭 사이즈 a=70㎚에 대해 증폭은 가장 크고, 0.1㎔에서 전례가 없는 800의 값에 이른다.

장 증폭의 공명-결여 1/f 주파수 의존성은 교류 전류 원에 의한 갭의 커패시터-형 대전을 내포하고, 여기서 전기장은 대전 시간에 비례하고 따라서 1/f에 비례한다. 나노갭 디바이스 파라미터들인 필름 두께 h 및 폭 a는 표피 깊이 또는 이보다 작은 범위에 있으므로, 테라헤르쯔 메타물질에 정상적으로 이용되는 완벽 전도체 가정은 적용되지 않는다. 본 발명의 나노갭 디바이스를 보다 잘 이해하고 최적화하기 위해, 2-차원 FDTD(Finite Difference Time Domain) 분석이 수행되었다. ㎝ 스케일(샘플 치수)에서 아래로 ㎚(금속 격자) 범위까지 크기를 확장하는 문제와 관련하여, 점근선으로 변하는 격자 크기들이 쓰여졌음을 아는 것은 중요하다. 2.5㎚ 격자 크기가 금속 내부와 갭에서 이용되었고, 공정이 금속/갭 영역으로부터 계속 공기쪽으로 25㎛까지 옮겨감에 따라, 격자는 점진적으로 더 커진다. 이러한 격자 크기 제어 세팅 및 전체 시뮬레이션 공간(10㎜×2.5㎜)에 대해 2% 보다 작은 장 진폭 에러를 확인하기 위해 컨버젼스(convergence)를 테스트한다. 관심있는 주파수 범위 내에서, 금속(금)의 유전 파라미터들을 계산하는데 드루드 모델(Drude model)을 채택하였다. 특히, 0.1㎔에서의 표피 깊이는 250㎚이고, 70㎚ 갭 폭 또는 60㎚ 필름 두께보다 분명히 더 크다.

도 4a는 500㎚ 갭 샘플(h=60㎚)를 갖는 700㎚×700㎚의 면적에 대해 확대된, 0.1㎔(파장 3㎜)에서 수치 분석으로부터 얻어진 수평의 전기장 패턴을 나타낸다. 갭에서의 장 증폭은 입사 장에 관하여 대략 200이다. 이제 본 발명자들은, 도 4b에 보여진 바와 같이, 갭을 70㎚로 좁힌다. 여기서 장 증폭은 500㎚에서 보다 훨씬 더 강하다; 장 증폭은 최대 1000보다 크다. 표피 깊이 체제를 넘어서 감소하는 갭에 따라 증가하는 장 증폭의 이러한 이론적 예측은 갭이 좁아짐에 따라 갭 영역쪽으로 전하가 집중한다는 간단한 개념과 일관된다. 또한 이것은 800의 실험적으로 얻어진 장 증폭과 잘 일관된다. 흥미롭게도, 갭 크기 70㎚가 250㎚의 표피 깊이 보다 훨씬 작음에도 불구하고 필드는 금속을 관통하지 않고 갭에 완전히 집중된다는 것을 알아냈다. 이는 갭에서의 수평의 전기장이 갭 벽에 수직하고, 그 점에서 수평의 전기장이 표면 전하에 의해 종결되기 때문이다. 도 4c에 나타낸 수직의 전기장은 갭의 바로 근처에 집중되고 금속 평면상의 표면 전하에 의해 종결된다. 표면 전하-전개의 크기는 갭-폭에 근접하고, 아마 반대 전하들의 인력 때문에 갭이 좁아짐에 따라 전하가 모서리에 점점더 가깝게 이동하는 본 도면과 일관된다.

갭 영역에 집속되는 강한 수평의 전기장과 완전히 반대로, 자기장 Hy(도 4d)은 본질적으로 증폭 없이 훨씬 더 많이 전개된다. 자기장은 표피 깊이와 일관된 금속 영역속으로 깊게 침투한다. 도 4e는 대수 스케일로 그려진 출구 평면 위의 2.5 ㎚의 유효 거리에서 계산된 E_x 및 H_y 장을 나타낸다. 자기장은 이 길이-스케일에서 대게 일정하게 머무르지만, 갭에서의 수평의 전기장은 자기장 보다 수 자리 크기 정도 더 강하다. 일단, 갭의 중심으로부터 금속 표면의 맨위쪽으로 이동하면, 전기장은 자기장 보다 더 약해진다. 나노갭을 통한 에너지 흐름을 알기 위해, 서브-표피 깊이 갭에서 광 에너지의 집중이 뚜렷이 보이는 시-평균 포인팅 벡터(time averaged Poynting vector) <S_z> (도 4f)를 그린다.

그 다음, 도 4g에 나타낸, 갭에서의 전기장의 주파수- 및 폭-의존성은, 정량 및 정성적으로, 1/f-타입 의존성 및 a 감소에 따라 증가하는 증폭을 포함하는 실험적으로 관측된 면적-표준화 투과도/장 증폭을 잘 재현한다. 필름 두께는 a=70㎚ 및 a=500㎚에 대해 60㎚에서 고정되었고, a=150㎚에 대해 h=150㎚에서 고정되었고, 그리고 a=14㎛를 갖는 h=17㎛ 샘플에서 고정되었다. 또한, 시뮬레이션에서, 보다 작은 갭 폭을 갖는 디바이스 성능을 향상시키는 가능성을 조사하기 위해 갭 크기 20㎚가 고려되었다. 실제로, 보다 큰 증폭이 20㎚ 갭에 의해 보이며, 심지어 보다 작은 갭 크기에 대해서도 본 발명의 구성이 작용함을 나타내는 1/f 의존성을 여전히 유지한다. 전도체 내 전류 분포 및 갭 근처의 표면 전하 분포를 분석하면, 전류 분포는 명백한 e^-iωt 의존성이 아닌 거의 주파수-비의존성일지라도, 갭에서의 표면 전하는 필요 1/f 항을 포함하는 것이 나타난다. 대전 시간이 구동 주파수에 반비례하므로, 교류 전류 원에 대한 임의의 커패시터 문제에서 보편적인 이러한 의존성은, 따라서 나노갭을 대전하는 자기장-유도, 조화 진동 전류와 일관된다.

다음으로, 나노갭 디바이스(단일 직사각형 구멍 구조)에 대한 투과 공진 효과를 살펴보겠다. 도 5에서 보는 것과 같이 직사각형 구멍의 길이(가로 길이)는 300 um(미도시)이며 폭(세로 길이)는 약 71 nm이다. 안테나 원리로 인해 갭의 길이의 2배되는 파장의 빛을 가장 많이 흡수한다. 또한 갭의 폭은 위의 단일 구조 슬릿에서와 같은 원리로 폭이 작아질수록 구멍 안에 전기장이 많이 모이게 된다.

도 5의 오른쪽 그림을 살펴보면 진동수에 따른 투과파의 크기를 나타낸다. 0.2 THz 근처에서 가장 많이 전기장이 통과됨을 알 수 있는데 실제로는 기판의 굴절률 때문에 공명 주파수가 실제보다 작게 나오므로 기판의 굴절률 2.5를 고려하면 0.5 THz가 공명 주파수가 된다. 여기서 공명 주파수란 여러 주파수의 빛이 금속막을 투과하였을 때 가장 많이 투과되는 주파수 대역을 말한다. 0.5 THz의 빛의 파장은 600 um이며 직사각형 갭의 폭의 2배가 됨을 알 수 있다. 공명 주파수 대역에서 투과된 빛의 상대적 크기가 25정도 나오는데 과거의 실험에서 갭의 폭이 커질 수록 투과된 빛의 상대적 크기는 작아짐을 알 수 있었다.

이 결과를 통하여 길이는 투과파의 파장의 절반이며 폭은 나노 크기의 굉장히 작은 직사각형 구멍을 나노 갭 반파장 안테나(Nano-gap half-wavelength antenna)로 생각할 수 있으며 이를 이용하면 갭안에 전기장을 강하게 집속시킴을 알 수 있다(도 6 참조).

상기한 바와 같이, 나노갭 구조 자체의 기하학적 형태가 광 집속도를 결정하게 되므로, 나노갭 구조의 폭(선폭)을 줄임으로써 에너지의 집속도를 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 나노슬릿 구조의 경우 공명 파장은 나노갭 구조의 두께나 폭이 아닌 순전히 길이에 의해서만 결정되게 되며, 나노갭 구조의 두께와 폭이 공명파장에 해당하는 전자기파의 표피 깊이에 이르기까지 작아지게 된다 할지라도 공명 특성이 변화하지 않게 된다.

이러한 결과들에 의해 증명되듯이, 밀리미터 파가 표피 깊이 보다 작은 나노갭상에 집중될 수 있으므로, 갭을 얼마정도 더 좁히는 것에 의해 전기장을 추가적으로 증폭하는 것이 가능할 것이다. 궁극의 갭 크기는 금속의 전하-차폐 길이 스케일에서 결정될 수 있으며, 이는 전형적으로 1㎚ 아래의 토마스-페르미 차폐 길이(Thomas-Fermi screening length)이다. 나노미터 스케일 및 그 아래에서 밀리미터-파장 광의 집속은 약 10,000의 장 증폭에 귀착될 수 있고, 이는 예를 들면, 테라헤르쯔 비선형성에서 응용들을 찾을 수 있다. 심지어, 천의 장 증폭을 가능하게 하는 현재의 갭 크기로도, 증폭 단계를 이용하거나 단지 건(Gunn) 다이오드 등의 연속-파 원을 이용하지 않고 반도체 나노-구조에서 비선형성을 유도할 필요가 있는 1 내지 10 ㎸/㎝의 장 진폭에 도달하는 것이 가능할 것이다. 또한, 공명 없이도 거의 3 자리 크기의 장 증폭을 얻을 수 있기 때문에, 반-파장 안테나에서 알려진 그러한 공명으로 심지어 더 장 증폭을 증가시키는 것이 가능할 것이다. 그러한 설계로, 나노갭 내부의 나노-입자들을 검출하거나 브리지(bridge)의 존재를 검출하는데 테라헤르쯔 복사 에너지를 사용하는 것은 가능해진다.

요컨데, 본 발명자들은 λ/30,000 나노갭이 밀리미터 범위의 파장을 갖는 테라헤르쯔 전자기파를 집속하고, 그결과 막대한 장 증폭에 귀착된다는 것을 보였다. 테라헤르쯔 작업에 맞춰진 금속 나노구조물들은 서브-표피 깊이 장 증폭 및 집속 디바이스로서 그리고 토마스-페르미 길이 스케일에서 서브-나노미터 광학에 대한 허용 구조로서 광범위한 응용을 찾을 수 있을 것이다.

본 발명에서는 이러한 특성을 가지는 나노갭 구조를 FIB (Focued Ion Beam) 방식을 이용하여 다양한 조합으로 구성하여 실험하였으며 여기서 측정된 현상들을 이용하여 나노입자 검출 시스템, 더 나아가 나노입자 초고감도센서(위치, 배향, 크기의 센싱), 즉 나노입자 검출을 위한 측정 장치로 발전시켰다.

가시광 플라즈몬과 마찬가지로 나노갭(나노슬릿)에 형성된 유사 플라즈몬은 나노갭 구조 주변의 국소유전조건 (나노입자의 유무, 유전상수의 변화등)의 변화에 따라 반응한다. 하지만 원적외선-테라파 영역에서는 감쇠정도가 가시광 플라즈몬의 경우보다 훨씬 약하기 때문에 가시광선 플라즈몬연구에서는 잘 드러나지 않는 여러 가지 흥미 있는 나노갭 구조간의 상호작용의 연구가 가능하였다. 특히 본 발명에서는 나노갭(나노슬릿)-나노입자간의 공간상 상호작용이 플라즈몬 공명조건, 위상변화, 광집속도의 세기등에 미치는 영향을 다각적으로 연구하였다.

공명조건에 있는 나노슬릿의 표면에 금속나노입자가 위치하게 되면 국소전류와 전하의 분포가 영향을 받게 된다. 우리는 이러한 국소적인 섭동이 어떻게 나노슬릿의 전체적인 광투과 세기, 공명파장, 위상, 광집속도 등에 영향을 주는가에 대한 체계적인 실험적, 이론적 연구를 진행하였다. 특히 여기서 흥미를 가지는 것은 흡착된 나노입자의 크기, 모양, 그리고 슬릿상의 위치/ 배향에 따라 나노슬릿전체의 공명스펙트럼이 어떻게 변화 하는가이다. 이와 더불어 공명스펙트럼으로부터 나노입자의 위치를 거꾸로 알아낼 수 있는가에 대한 실험 및 이론적 연구를 병행하 였다.

위에서 언급한 나노슬릿-나노입자 상호작용연구는 근본적인 학문적인 가치뿐 아니라 아주 작은 나노입자의 검출에 활용될 수 있다. 10 nm 이하의 아주 작은 나노입자는 통상적인 광 산란 방법으로는 검출하기 힘들다. 본 연구에서는 나노슬릿-나노입자의 상호작용을 심화 응용하여 단일나노입자의 단순한 검출뿐 아니라 입자의 위치 및 배향을 알아낼 수 있는 방법을 모색하였다.

도 7은 본 발명에 따른 나노입자를 검출하기 위한 시스템에 대한 개념도이다. 본 발명에 따른 나노입자 검출을 위한 시스템(700)은, 전자기파를 발생시키기 위한 전자기파 원(710); 전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 필름(721); 상기 필름(721) 상에 형성되고, 상기 전자기파 및 상기 전도성 물질에 따라 결정되는 토마스 페르미 차폐 길이와 표피 깊이 사이의 폭을 갖는 나노갭(723); 상기 나노갭을 통해 투과된 상기 전자기파를 측정하여 미리 측정된 기준 신호와 비교 분석하는 측정 수단(730)을 포함한다.

본 발명에 따른 나노입자를 검출하기 위한 구체적인 시스템 구성 및 작동 원리에 대해 설명한다. 본 발명자는 전자기파 원(710)으로서 바람직하게는 테라파 발생장치를 사용한다. 필름(721) 및 나노갭(723)을 포함하는 나노갭 디바이스(720)에 대해서는 이미 살펴본 바와 같다. 바람직하게는 측정 수단(730)은 일렉트로-옵틱 샘플링 장치를 포함한다. 나노갭(723) 위에 나노 크기의 입자(7)를 위치시킨 후 전자기파(테라파)을 아래에서 위로 투과시켰을 때 위쪽에서 투과된 전자기파(테라파)을 측정한다.

테라파 영역대의 투과 스펙트럼 특성을 연구하기 위하여, 시간 분해 테라파 분광법을 이용한다. 펨토초 레이저 (80 MHz 반복률, 150 fs 펄스폭, 780 nm 파장)를 두 방향으로 분리 시켜, 각각을 전자기파 원(710)과 측정 수단(730)으로 보낸다. 첫 번째 펄스 레이저가 전자기파 원(710)에서 테라파를 발생시키고, 샘플을 투과한 이 테라파는 측정 수단(730)의 측정 크리스탈에 포커스된다. 이 때, 동시에 미리 분리된 두 번째 (probe) 펄스가 측정 수단(730)의 측정 크리스탈에 포커스 되고 이 두 펄스의 시간차에 의해, 각 시간 (50 fs 간격) 에서의 테라파의 세기를 시간-스윕(time-sweep)하게 된다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 테라파 발생 장치로서 GaAs 반도체 크리스탈에 첫번 째펄스 레이저를 입사시켜, 전자들을 밴드갭 위의 에너지 상태로 여기 시킨다. 이때 150V 정도의 bias를 걸어주면, 여기된 전자들이 한 방향으로 가속되고, 가속된 전자는 수 테라에 해당하는 진동수의 전자기파를 발생시킨다 (안테나 효과).

상기한 바와 같이 두 방향으로 분리된 레이저 펄스 중 첫 번째는 테라파를 발생시키고 이 테라파는 측정 수단(730)의 측정 크리스탈의 표면에 포커스 된다. 두 번째 (probe, 프로브) 펄스는 측정 수단(730)의 측정 크리스탈 표면에 함께 포커스되며 이때, 테라파에 의해 변형된 크리스탈의 굴절율 변화를 프로브 펄스가 감지하게 되는 것이다. 크리스탈의 굴절율의 변화는 들어오는 테라파의 세기에 비례하는 관계이며, 전기장과 크리스탈의 굴절율의 정비례 변화 관계를 포켈스 효과(Pockels effect)라고도 한다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 프로브 펄스가 GaP( 혹은 ZnTe) 라는 반도체 크리 스탈 표면에 포커스된다. 이 프로브 펄스는 선형 편광되어 있으며, 이 선형 편광은 테라파의 세기에 비례하여 일정한 각도를 가지고 크리스탈의 광축에 수직으로 (azimuthal angle) 돌아간다. 처음에 비해 약간 각도가 돌아간 이 선편광 프로브 펄스는 1/4 파장 플레이트 (quater wave plate) 를 지나면서 타원 편광으로 바뀌며 이는 월라스톤 프리즘(Wollastone prism) 혹은 PBS (Polarizer Beam Splitter) 에 의해서 각각 수평 (horizontal), 수직 (vertical) 방향의 성분으로 분리되며 이는 두 개의 포토 다이오드 안으로 들어간다. 두 개의 포토 다이오드에 들어오는 프로브 펄스의 크기 차이는 처음 테라파의 크기에 정비례하므로, 포토 다이오드에 들어오는 프로브 빛의 차이를 잼으로써 테라파의 세기를 역으로 알 수 있다. 이 때 두 레이저 펄스의 시간 지연(time delay)를 주면 각 시간에서의 테라파의 세기를 잴 수 있고, 이것이 THz TDS (THz Time Domain Spectroscopy)의 기본 원리이다. 최종적으로 얻는 테라파의 데이터는 시간 축에서의 크기이며, +- 부호는 발생한 테라파의 위상 (phase)을 의미한다.

상기한 바와 같이, 측정한 테라파 데이터는 시간 축에서의 세기로 표현되며, 이를 다음과 같이 푸리에 변환 (Fourier Transform) 시키면 다음과 같다.

함수 X=fft(x) 및 x=ifft(X)는 다음에 의해 길이 N의 벡터에 의해 주어진 변환 및 역 변환 쌍을 실행한다:

여기서,

.

도 10에 나타낸 것 처럼, 시간축에서 세기로 표현되는 테라파 데이터는 위와 같은 푸리에 변환에 의해 주파수 상의 데이터로 변환시킬 수 있다.

도 11은 나노입자 검출을 위한 시스템에서 나노슬릿(나노갭)과 나노입자 간의 상호 작용 연구에 대한 개념도를 나타낸 것이다. 나노 슬릿 위에 나노 크기의 입자를 위치시킨 후 빛을 아래에서 위로 투과시켰을 때 위쪽에서 투과된 빛을 분석한다. 나노입자가 있을 때와 없을 때를 비교해 보면 오른쪽 그래프와 같은 결과가 나타나게 된다. 오른쪽 그래프에서 붉은색 실선은 나노입자가 없을 때 파장에 따른 투과파의 입사파에 대한 상대적 크기를 측정한 것이며 파란색 실선은 나노입자가 있을 때 측정한 것이다. 결과를 보면 알 수 있지만 그래프에서 나노입자가 있을 때와 없을 때 최고점(peak)이 다른 주파수값에서 나타난다는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 나노입자의 존재와 그 위치를 찾는 것에 응용될 수 있다.

예시적으로, 나노입자 검출을 위한 시스템은 크게 두가지 타입이 가능한데, 첫째는 단일 슬릿 구조에서의 나노입자 검출을 위한 시스템이며, 둘째는 단일 직사각형 구멍 구조에서의 나노입자 검출을 위한 시스템이다. 두 장치의 작동원리는 위에서 언급한 것과 같이 조금 차이는 있지만 둘 다 나노 입자에 테라파가 입사하여 산란된 빛을 측정할 수 있는 기능을 가지며 차이점을 살펴보면 직사각형 구멍 구조의 나노입자 검출을 위한 시스템의 경우 특정 주파수, 즉 공명 주파수의 빛을 선택하여 측정할 수 있다는 특징이 있다. 또한 두가지 타입의 나노입자 검출을 위한 시스템 모두 테라파처럼 가시광선 영역의 빛보다 큰 파장의 빛임에도 불구하고 나노 크기의 측정 장치를 만들 수 있다는 장점도 가지고 있다.

실험 방법

1. 나노갭 디바이스 제작

60㎚ 두께의 거의 프리-스탠딩 금속 필름을 포토리소그래피를 이용하여 제조한다(도 3a). 먼저,실리콘 기판을 두개의 포토-레지스트 스트립(photo-resist strip)으로 피복하고 이 패턴의 면을 화학 에칭을 이용하여 처리한다. 열 습식 산화와 50㎛의 실리콘을 남기는 배면 에칭후, 기판에 질화물을 퇴적시킨다. 한번 더 배면 에칭을 실행하여 전체 필름 두께를 작게 1.7㎛까지 감소시킨다. 금 필름을 퇴적하고, 그 후에 집속 이온 빔(FIB) 밀링을 이용하여 갭 구조를 정의한다.

2. 시간-영역 측정

본 발명자들은 파장 780㎚, 76㎒ 반복률 및 150fs 펄스 폭을 갖는 펨토초 Ti:사파이어 레이저 펄스 열에 의해 충돌되는 2㎸/㎝ 바이어스된 반-절연 GaAs 이미터로부터 발생된 단일-사이클 테라헤르쯔 원을 이용한다. 일렉트로-옵틱 샘플링 방법을 이용하여 시간-영역에서의 투과 ㎔ 파를 검출하고, 이 시간-영역에서 광학 프로브 펄스는 (110) 방향의 ZnTe 결정에서 동기화 테라헤르쯔 빔에 의해 약간의 편광 회전을 겪게되고, 수평의 전기장을 검출한다. ㎔ 파는, 2㎜×2㎜ 구멍을 통과한 후에 샘플에 충돌한다. 샘플이 없는 구멍을 통한 입사 빔은 기준 신호로서 나노갭을 통한 투과도를 얻는데 이용된다.

본 발명에 따른 나노갭 디바이스를 상용화시켜서 이용하게 되면 산업 전반에 응용될 수 있는 장점이 있다. 예를 들면,, 본 발명에 따른 나노입자를 검출하기 위한 시스템의 경우, 반도체 산업의 경우 반도체 공정에서 생길 수밖에 없는 먼지나 결함(defect) 등을 검출하는 장치로 적용될 수 있고, 나노 크기의 먼지나 결함의 위치나 종류까지 밝혀낼 수 있으며 그러한 장치가 적용된다면 반도체 공정에서 생기는 불량률을 많이 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 나노갭 디바이스는 의료 장비에도 도입이 될 수 있는데 테라파에 관심을 가지는 이유는 우리 몸속의 세포들마다 에너지가 주어졌을 때 고유 파장의 빛을 발산하는데 대부분이 테라헤르츠 영역대의 빛을 발산한다. 그러므로 우리의 장치를 이용하여 테라파를 측정할 수 있다면 각 세포들의 위치나 특성을 조사할 수 있다. 특히 대부분 세포들의 크기가 1 um 이하이기 때문에 이러한 세포들의 특성을 살펴보려면 나노 크기의 검출이 가능해야함을 알 수 있다. 그밖에 마약 검출과 관련한 보안 산업과 공해물질 검출 및 대기 분석과 관련한 환경 산업에도 이용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 나노갭 디바이스(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 나노갭 디바이스(100)에는 전도성 필름(110)상에 길이(l), 폭(a) 및 높이(h)를 갖는 직사각형 구멍 구조의 나노갭(120)이 형성되어 있다. 직사각형 구멍 구조의 나노갭(120)를 갖는 전도성 필름(110) 상에 입사 전자기파(10)가 입사할 때 나노갭(120) 안으로 투과 전자기파(11)가 강하게 집속된다.

도 2는 본 발명에 따른 나노갭 디바이스의 개념 및 시간 영역 분광법 결과를 나타낸다. 도 2a는 광-유도 교류 전류에 의해 구동되는 라인-커패시터에 해당하는 나노갭 디바이스의 개략도를 나타낸다. 도 2b는 나노갭 디바이스의 형상 및 크기 : 금 필름 상에 천공된 70㎚ 폭의 갭을 나타내는 SEM 사진이다. 나노갭을 통한 투과도는 ZnTe 결정을 통한 일렉트로-옵틱 샘플링을 이용한 ㎔ 시간 영역 분광법에 의해 측정된다. 도 2c는 70㎚ 갭(맨위), 무패턴의 금(중간) 및 2㎜×2㎜ 구멍만을 통한(기준 신호; 맨아래) 시간-영역에서 일렉트로-옵틱 샘플링 신호를 나타낸다. 도 2d는 무패턴의 금을 통한 직접 투과를 공제한 후의 시간-영역 신호의 푸리에-변환에 의해 얻어진 투과도 t를 나타낸다.

도 3은 나노갭의 FIB 가공 전 샘플 구조 및 거의 프리-스탠딩인 나노갭을 통한 테라헤르쯔 시간 영역 분광법 결과를 나타낸다. 도 3a는 나노갭의 FIB 가공 전 샘플 구조의 횡-단면도이다. 오른쪽에 확대된 영역의 SEM 이미지가 있다. 도 3b는 70㎚ 갭(맨위), 무패턴의 금(중간) 및 2㎜×2㎜ 구멍만을 통한(기준 신호; 맨아래) 시간-영역의 일렉트로-옵틱 샘플링 신호를 나타낸다. 도 3c는 a=70㎚, 150㎚, 500 ㎚ 및 14㎛를 갖는 샘플들을 통한 면적-표준화 투과도를 나타낸다. 핏트(fit, 검정선)은 1/f 의존성을 나타낸다. 삽입도는 면적-표준화 투과도의 로그-로그 플롯이다.

도 4는 나노갭 주변 전기장의 FDTD 시뮬레이션을 나타낸다. 도 4a는 0.1㎔에서 70㎚×700㎚의 면적 크기를 갖는 500㎚ 갭 주변의 시뮬레이션에 의한 수평의 전기장을 나타낸다. 도 4b는 70㎚ 갭 주변의 수평의 전기장을 나타낸다. 도 4c는 70㎚ 주변의 수직의 전기장을 나타낸다. 도 4d는 70㎚ 갭 주변의 시뮤레이션에 의한 자기장을 나타낸다. 도 4e는 출구 측에서의 수평의 전기장 및 자기장의 횡단면의 플롯(plot)을 나타낸다. 도 4f는 시간-평균 포인팅 벡터 성분 <S_x>을 나타낸다. 도 4g는 20㎚, 70㎚, 150㎚, 500㎚ 및 14㎛ 갭의 폭들 각각에 대한 갭의 중간에서 측정된 출구 평면에서의 주파수-의존성 수평의 전기장을 나타낸다.

도 5는 단일 구조 직사각형 구멍의 나노갭 디바이스의 샘플 및 그의 실험 결과를 나타낸다. 도 5의 좌측에는 직사각형 구멍의 길이(가로 길이)는 300um (미도시)이며 폭(세로 길이)는 약 71 nm 인 나노갭 디바이스 샘플이 나타나 있다. 도 5의 우측에는 안테나 원리로 인해 갭의 길이의 2배되는 파장의 빛을 가장 많이 흡수한다. 또한 갭의 폭은 위의 단일 구조 슬릿에서와 같은 원리로 폭이 작아질수록 구멍 안에 전기장이 많이 모이게 된다. 도 5의 오른쪽 그림을 살펴보면 진동수에 따른 투과파의 크기를 나타낸다.

도 6은 단일 구조 직사각형 구멍 샘플에서 구멍(갭)의 폭의 변화에 따른 투 과파의 특성을 나타낸다. 직사각형 구멍의 길이를 300 um로 고정시키고 폭을 100 um, 50 um, 10 um로 바꿔가면서 직사각형 구멍 주위의 전기장 크기를 나타낸 것이다. 도 6을 보면, 폭이 작아질수록 전기장이 강하게 집속됨을 알 수 있으며 구멍의 중심에 전기장이 가장 많이 모인다는 것도 알 수 있다. 투과된 전기장의 상대적인 크기도 나타냈는데 100 um, 50 um, 10 um에서 각각 1, 2, 6 정도의 크기가 나옴을 알 수 있다. 위에서 언급했던 나노 크기의 직사각형 구멍보다 작은 값이라는 사실도 알 수 있으며 위에서 언급한 폭의 변화에 대한 투과 공진 효과를 잘 설명해준다.

도 7은 본 발명에 따른 나노입자를 검출하기 위한 시스템에 대한 구성도이다.

도 8은 본 발명에서 바람직하게 이용될 수 있는 테라파 발생 장치의 개념도이다.

도 9은 본 발명에서 바람직하게 이용될 수 있는 일렉트릭-옵틱 샘플링 장치의 개념도이다.

도 10은 측정한 시간축상에서의 세기로 표현된 테라파 데이타에 의한 그래프와 푸리에 변환에 의해 주파수상의 데이터로 변환된 그래프를 나타낸다.

도 11은 나노입자 검출을 위한 시스템에서 나노슬릿(나노갭)과 나노입자 간의 상호 작용 연구에 대한 개념도를 나타낸 것이다. 나노 슬릿 위에 나노 크기의 입자를 위치시킨 후 빛을 아래에서 위로 투과시켰을 때 위쪽에서 투과된 빛을 분석한다. 나노입자가 있을 때와 없을 때를 비교해 보면 오른쪽 그래프와 같은 결과가 나타나게 된다. 오른쪽 그래프에서 붉은색 실선은 나노입자가 없을 때 파장에 따른 투과파의 입사파에 대한 상대적 크기를 측정한 것이며 파란색 실선은 나노입자가 있을 때 측정한 것이다. 결과를 보면 알 수 있지만 그래프에서 나노입자가 있을 때와 없을 때 최고점(peak)이 다른 주파수값에서 나타난다는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 나노입자의 존재와 그 위치를 찾는 것에 응용될 수 있다.

Claims (18)

1. 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스로서,

   전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 필름;및

   상기 필름 상에 형성되고, 상기 전자기파 및 상기 전도성 물질에 따라 결정되는 토마스 페르미 차폐 길이와 표피 깊이 사이의 폭을 갖는 나노갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자기파는 테라파 내지 원적외선 영역의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
3. 제2항에 있어서, 상기 전자기파는 단일 사이클 테라헤르쯔 펄스인 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 상기 전도성의 물질은 금속 또는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
5. 제4항에 있어서, 상기 금속은 금인 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 상기 나노갭의 형상은 직사각형 또는 슬릿형인 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
7. 제1항에 있어서, 상기 필름은 상기 나노갭 폭의 2배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
8. 제1항에 있어서, 상기 나노갭은 상기 전자기파의 공명 파장의 1/2의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
9. 제1항에 있어서, 테라헤르쯔 비선형성 유도, 천문학의 소 테라헤르쯔 신호 검출, 나노-입자 검출 또는 표면 증폭 라만 산란을 위한 발진대로서 이용되는 것을 특징으로 하는 전자기파의 전기장 집속을 위한 나노갭 디바이스.
10. 나노입자 검출을 위한 장치로서,

    전자기파를 발생시키기 위한 전자기파 원;

    전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 필름;

    상기 필름 상에 형성되고, 상기 전자기파 및 상기 전도성 물질에 따라 결정되는 토마스 페르미 차폐 길이와 표피 깊이 사이의 폭을 갖는 나노갭;및

    상기 나노갭을 통해 투과된 상기 전자기파를 측정하는 측정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 전자기파는 테라파 내지 원적외선 영역의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 전자기파는 단일 사이클 테라헤르쯔 펄스인 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
13. 제10항에 있어서, 상기 전도성의 물질은 금속 또는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 금속은 금인 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
15. 제10항에 있어서, 상기 나노갭의 형상은 직사각형또는 슬릿형인 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
16. 제10항에 있어서, 상기 필름은 상기 나노갭 폭의 2배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
17. 제10항에 있어서, 상기 나노갭은 상기 전자기파의 공명 파장의 1/2의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.
18. 제10항에 있어서, 상기 측정 수단은 일렉트로-옵틱 샘플링을 이용하여 상기 투과 전자기파를 측정하는 것을 특징으로 하는 나노입자 검출을 위한 장치.

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