KR101382258B1 - 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노안테나 및 이를 포함하는 나노 광학장치 - Google Patents
단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노안테나 및 이를 포함하는 나노 광학장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 단결정 은 나노판(Single-Crystalline Ag Nanoplate)를 포함하는 광학 나노 안테나로서, 상기 은 나노판의 일측단부에 위치하며, 입사광을 수신하는 수신단과 상기 은 나노판의 타측단부에 위치하며, 은 나노판의 표면을 따라 전파되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파를 송신하는 송신단이 분리되어 위치하고, 상기 은 나노판의 표면을 따라 상기 수신단에서 수신된 입사광에 의해 유발되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파가 전파되어 상기 송신단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 광학나노 안테나에 관한 것이다.
Description
본 발명은 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노안테나 및 이를 포함하는 나노 광학장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입사광을 수신하는 수신단과 이로부터 야기된 표면 플라즈몬을 자유공간상으로 송신하는 송신단이 적절하게 공간적으로 분리된 플라즈모닉 광학 나노안테나 및 이를 포함하는 나노 광학장치에 관한 것이다.
광학 나노 안테나는 자유롭게 진행하는 광학 방사 패턴을 국소장으로 전환시키거나 반대로 국소장의 광학 방사 패턴을 자유롭게 진행하도록 전환시킬 수 있으며, 나노 과학 분야에 널리 이용되고 있다.
한편, 금속 나노 입자들은 표면 플라즈몬으로 알려진 집단적인 전자 진동들을 형성시켜 파장한계 이하의 영역으로 강력하게 전자기장을 집광시키는 것을 가능하게 한다. 이를 이용한 광학 나노 안테나의 일종인 플라즈모닉 광학 나노 안테나는 빛의 전자기장을 파장 이하의 레벨에서 조절하는 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 플라즈모닉 광학 나노 안테나는 다양한 나노스케일(nanoscale)의 물체에 적용될 수 있으며, 형광 분자나 광 발광 양자점의 흡수 및 방출(emission)을 조절할 수 있다.
이에 따라, 최근에는 다양한 종류의 플라즈모닉 광학 나노 안테나가 연구되고 있다. 하지만, 종래기술로서. 열 또는 전자 빔 증착을 통해 형성된 일반적인 금속층들은 본질적으로 거친 표면과 다결정성을 가지고 있고, 또한 전통적인 탑-다운(top-down) 제작 기법, 포커스드 이온빔(FIB) 또는 전자빔 인쇄(electron-beam lithography) 와 같은 방법에 의한 금속층들도 아주 매끄러운 금속 나노구조들을 만들어주지 못한다. 이들 제법의 불완전성에서 기인하는 불균일한 다결정 표면들은 심각한 굴절과 표면 플라즈몬의 디페이징(dephasing)을 야기시키고, 금속 나노재료들이 이상적인 플라즈모닉 집단을 구성하며, 신뢰도 높은 특성을 제공하는 것을 방해한다.
상기 플라즈모닉 광학 나노 안테나에 제조와 관련하여, Nano Lett., 12, 2331 (2012)에서는 기상이송방법에 따라 나노 금속선(wire)를 제조하고 이를 통해 멀티-로브 형태의 원거리장 패턴을 출력하며, 가시광선 영역 내의 파장 범위에서 작동할 수 있고 다중 공명 및 넓은 스펙트럼 범위를 가질 수 있는 안테나에 관해 기재되어 있다.
한편, 등록특허 제10-1126086호(2012.03.29)에서는 전통적인 물리적 증착방법 또는 탑-다운 제작방법에 의해 형성되는 금속 나노판보다 향상된 균일한 표면을 제공하는 금속 나노판을 제공할 수 있는 방법으로서, 기상이송 방법에 의한 금속 나노판을 제조하는 방법에 관해 기재되어 있다.
그러나, 상기 기상이송 방법에 의한 금속 나노판은 2차원 결함 및 불순물을 포함하지 않는 고 결정성 및 고순도 단결정 상태의 금속 나노판을 제공하고 있지만, 이의 응용에 관한 연구는 아직 보고되지 않고 있어 이를 다양한 응용분야에서 적용할 수 있도록 연구 개발이 요구되고 있다.
Nano Lett., 12, 2331 (2012)
본 발명의 일 목적은 단결정 은 나노판을 포함하는 광학 나노 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 단결정 은 나노판을 포함하는 광학 나노 안테나의 응용으로서, 상기 광학 나노 안테나를 포함하는 나노 광학장치를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 단결정 은 나노판(Single-Crystalline Ag Nanoplate)를 포함하는 광학 나노 안테나로서, 상기 은 나노판의 일측단부에 위치하며, 입사광을 수신하는 수신단;과 상기 은 나노판의 타측단부에 위치하며, 은 나노판의 표면을 따라 전파되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파를 자유공간 상으로 송신하는 송신단; 이 분리되어 위치하고, 상기 은 나노판의 표면을 따라 상기 수신단에서 수신된 입사광에 의해 유발되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파가 전파되어 상기 송신단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 광학나노 안테나를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 입사광은 임의의 파장을 갖는 레이저 광으로 이루어지고, 바람직하게는 가시광선 영역대 파장을 갖는 레이저 광으로 이루어질 수 있다. 또한 상기 입사광은 수신단의 장축에 대해 특정각도를 갖는 편광일 수 있다. 이때, 수신단에 대해 수직 편광일 때 커플링(coupling) 효율이 최대가 된다.
일 실시예로서, 상기 은 나노판의 수신단; 또는 송신단; 또는 송신단과 수신단 사이에는, 임의의 형상으로 이루어지는 나노입자 또는 임의의 형상으로 이루어지는 빈 공간이 포함될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 임의의 형상으로 이루어지는 나노입자는 길이방향으로 철(凸)형태로 이루어진 은 나노벨트 또는 나노선이고, 임의의 형상으로 이루어지는 빈 공간은 길이방향으로 요(凹)홈 형태의 빈 공간을 포함하는 나노스케일의 갭일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 단결정 은 나노판은 기상 이송 방법을 이용하여 얻어질 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 단결정 은 나노판은 반응로 내에서 선구물질(precursor)인 은 슬러그(Ag slug)를 열 기화시키고, 불활성 기체를 이용하여 상기 기화된 은을 상기 선구물질보다 낮은 온도로 유지되고 상기 반응로 내에 위치하는 단결정 기판 상에 이송시킴으로써 합성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 은 나노판이 형성되는 단결정 기판의 물질 및 표면 방향을 제어하여, 상기 은 나노판의 형상; 상기 단결정 기판의 표면에 대한 은 나노판의 배향성; 또는 이들의 조합이 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 은 나노판은 면심입방구조(FCC)이며, 상기 은 나노판의 판 면은 {111}면이며, 상기 나노판의 변의 방향은 <110>방향을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 기재된 본 발명의 광학 나노 안테나를 포함하는 나노 광학 측정장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 기판; 상기 기재된 본 발명의 광학 나노 안테나, 상기 광학 나노 안테나의 수신단에 입사광을 제공하는 입사광원 및 상기 광학 나노 안테나의 송신단으로부터 방출되는 출력광을 수신하는 광수신기를 포함하는 나노 광학장치를 제공할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 광학 나노 안테나와 입사광원의 사이와, 광학 나노 안테나와 광수신기의 사이에 빛을 수신안테나에 집중하도록 하며, 또한 동시에 출력광을 수집하기 위한 용도로서 대물렌즈가 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 광학 나노 안테나와 입사광원의 사이와, 광학 나노 안테나와 광수신기의 사이에 빛의 편광을 제어하기 위한 선형 편광기가 각각 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 입사광원은 레이저 일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 기판은 실리콘, 플라스틱 재료, 금속 또는 산화막으로 코팅된 금속재료, 세라믹 재료, 유리 로부터 선택되는 어느 하나 일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 입사광은 상기 은 나노판 수신단에 입사되는 레이저 편광을 조절함으로써 상기 은 나노판 표면위에서 SPP파의 전파방향을 제어할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 나노 광학장치는 상기 광학 나노 안테나내 은 나노판의 송신부, 수신부 또는 상기 송신부와 수신부 사이의 공간에 측정하고자 하는 샘플을 위치시킴으로써, 상기 샘플의 물리화학적 특성을 측정할 수 있다.
또한 본 발명은 기상 이송 방법을 이용하여 단결정 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장된 단결정 금속 나노판(Single-Crystalline Metal Nanoplate)를 포함하는 광학 나노 안테나로서, 상기 금속 나노판의 일측단부에 위치하며, 입사광을 수신하는 수신단;과 상기 금속 나노판의 타측단부에 위치하며, 금속 나노판의 표면을 따라 전파되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파를 자유공간 상으로 송신하는 송신단;이 분리되어 위치하고, 상기 금속 나노판의 표면을 따라 상기 수신단에서 수신된 입사광에 의해 유발되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파가 전파되어 상기 송신단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 광학나노 안테나를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 상기 단결정 금속 나노판은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노 안테나는 은 나노판이 매우 깨끗한 표면과 함께 잘 정의된 기하학적 형태(geometry )를 가지고 있어, 본 발명의 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노 안테나는 송신 및 수신 모두에 적합한 특성을 가질 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 은 나노판을 포함하는 광학 나노 안테나는 수신과 송신부가 공간적으로 분리되어 있어 원하지 않는 입출력 신호가 섞이는 것을 최소화 할 수 있어서 잡음을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 은 나노판을 포함하는 광학 나노 안테나는 화학기상증착의 방법에 의해 저비용으로 용이하게 제조할 수 있어 경제적인 방법에 의해 상기 광학나노 안테나를 양산가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 나노 안테나에 이용되는 단결정 은 나노판의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a, 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노판의 주사전자현미경(SEM) 사진이고 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노판의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3a 는 본 발명의 단결정 은 나노판을 포함하는 안테나가 동작하는 모식도를 나타내고 있고 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 Si기판상에 광학 나노 안테나가 형성된 것은 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 나노 안테나를 포함하는 광학장치의 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따라 사다리꼴 은 나노판으로 제작한 광학 나노 안테나에서 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 5d 내지 도 5f는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있으며, 도 5g는 이론적으로 계산된 은 나노판 표면위로 전파하는 SPP 전기장 세기 윤곽의 단면도를 나타내고 있다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 평행사변형 은 나노판으로 제작한 광학 나노 안테나에서 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 6d 내지 도 6f는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노벨트가 은나노판 표면상에 존재하는 경우의 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 7c 내지 도 7e는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭이 은나노판에 형성된 경우의 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 8c는 SPP 들이 터널링 효과를 이용하여 나노판을 투과하는 것을 이론적으로 계산한 전기장 세기 윤곽의 단면도를 도시하고 있다.
도 2a, 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노판의 주사전자현미경(SEM) 사진이고 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노판의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3a 는 본 발명의 단결정 은 나노판을 포함하는 안테나가 동작하는 모식도를 나타내고 있고 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 Si기판상에 광학 나노 안테나가 형성된 것은 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 나노 안테나를 포함하는 광학장치의 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따라 사다리꼴 은 나노판으로 제작한 광학 나노 안테나에서 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 5d 내지 도 5f는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있으며, 도 5g는 이론적으로 계산된 은 나노판 표면위로 전파하는 SPP 전기장 세기 윤곽의 단면도를 나타내고 있다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 평행사변형 은 나노판으로 제작한 광학 나노 안테나에서 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 6d 내지 도 6f는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노벨트가 은나노판 표면상에 존재하는 경우의 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 7c 내지 도 7e는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭이 은나노판에 형성된 경우의 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 8c는 SPP 들이 터널링 효과를 이용하여 나노판을 투과하는 것을 이론적으로 계산한 전기장 세기 윤곽의 단면도를 도시하고 있다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예들에 따른 광학 나노 안테나는 단결정 은 나노판(Single-Crystalline Ag Nanoplate)를 이용하여 구현된다. 은(Ag)은 가시광선의 파장 범위(예를 들어, 약 400 내지 700 ㎚)에서 인터밴드 전자 전이(interband electronic transition)를 가지지 않으며, 상기 은 나노판은 상대적으로 넓은 파장 범위에서 다수의 표면 플라즈모닉 폴라리톤(Surface Plasmonic Polariton; SPP) 파를 유지시킬 수 있는 특징이 있어, 나노 안테나를 제조하는데 적합하다. 따라서 은 나노판을 이용하는 경우에, 가시광선 영역 내의 모든 파장 범위에서 작동하는 광학 나노 안테나를 효율적으로 구현할 수 있다.
하지만, 종래의 물리적 증착 등의 방법을 이용하여 합성된 은 나노판은 상대적으로 거친(rough) 표면을 가지며, 상기와 같은 거친 표면으로 인하여 광학 나노 안테나의 성능이 열화될 수 있다. 따라서 도 1을 참조하여 후술하는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 광학 나노 안테나는, 기상 이송 방법(Vapor Transportation Method)을 이용하여 합성되어 상대적으로 매끄러운(smooth) 표면을 가지는 상기 단결정 은 나노판을 이용하여 구현될 수 있다.
이하에서는 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노 안테나를 중심으로 본 발명의 실시예들을 설명하지만, 본 발명의 실시예들에 따른 광학 나노 안테나는 다양한 금속 및 합금을 이용하여 합성되는 단결정 금속 나노판을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 금은 520 nm 이상의 입사광 파장대에서 플라즈몬 효과를 가질 수 있어, 이를 이용하여 광학 나노 안테나를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 나노 안테나에 이용되는 단결정 은 나노판의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 단결정 은 나노판은 기상 이송 방법을 이용하여 합성된다.
상기 단결정 은 나노판은 상기 등록특허 제 10-1126086호에 기재된 방법과 동일하거나, 또는 온도 압력 조건등의 공정조건만을 최적화하여 변경한 제조방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 기상 이송 방법을 수행하기 위한 장치인 반응로(Furnace)는 수평으로 배치된 석영관(Quartz tube)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 석영관의 지름은 약 1인치일 수 있다. 상기 반응로는, 전단부에 선구물질(precursor)인 은 슬러그(Ag slug)를 투입하기 위한 알루미나 재질의 보트형 용기(Alumina boat)를 포함하며, 후단부에 상기 단결정 은 나노판이 합성되는 단결정 기판(Substrate)(예를 들어, 사파이어 기판)을 포함할 수 있다. 불활성 기체(예를 들어, 아르곤(Ar) 기체)는 상기 반응로의 전단부로 투입되어 후단부로 배기될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 반응로는 후단부에 배치되는 진공 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 발열 장치(미도시) 및 온도 조절 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 반응로 내에서 상기 선구물질(예를 들어, 은 슬러그)을 약 820℃ 로 가열하여 열 기화시키고, 상기 불활성 기체(예를 들어, 아르곤 기체)를 이용하여 상기 기화된 은을 상기 단결정 기판 상에 이송시켜 상기 단결정 은 나노판이 합성될 수 있다. 상기 단결정 기판은 상기 선구물질보다 낮은 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미나 재질의 보트형 용기와 상기 단결정 기판 사이의 거리는 약 5cm 이고, 상기 불활성 기체는 상기 반응로 내에서 약 100sccm 으로 흐르고, 상기 반응로 내의 압력은 약 5 내지 15torr 으로 유지되며, 합성 시간(reaction time)은 약 30분일 수 있다.
본 발명에서 상기 단결정 은 나노판은 R-cut sapphire 기판에서 다양한 모양으로 성장하는데, 삼각형, 사다리꼴, 평행사변형 등의 모양으로 반응시간에 따라 100 ~ 200 nm 의 두께를 가질 수 있다. 이때 은 나노판의 모서리 길이는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터까지 이 반응시간 변화에 따라 조절 가능하다.
본 발명에 의해 제조되는 단결정 은 나노판들은 원자적으로 매끄러운 표면과 말단 부들, 그리고 모서리들을 가지고 있다.
한편, 상기 은 나노판의 형상; 상기 단결정 기판의 표면에 대한 은 나노판의 배향성; 또는 이들의 조합은 상기 은 나노판이 형성되는 단결정 기판의 물질 및 결정면, 공급되는 금속 증기유량, 반응 시간 등으로부터 제어될 수 있다.
도 2a 내지 2b는 상기 등록특허공보 제10-1126086호의 실시예 3 및 실시예 4에 따른, 도 1의 방법을 이용하여 합성된 단결정 은 나노판을 나타내는 도면들이다. 도 2a는 상기 실시예 3에 따른 합성방법에 의해 합성된 단결정 은 나노판의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진(단결정 기판을 45도 틸트시켜 관찰함)이고, 도 2b는 상기 실시예 4에 따른 합성방법에 의해 합성된 단결정 은 나노판의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진(단결정 기판을 45도 틸트시켜 관찰함)이며, 도 2c는 상기 은 나노판의 TEM 사진으로서 은 나노판이 단결정과 잘 정의된 결정구조를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
상기 은 나노판을 제조하기 위한 구체적인 방법은 아래와 같다.
Ag 단결정 나노판의 제조(도 2a : a-plane 사파이어 단결정 기판이용)
상기 반응로는 전단부와 후단부로 구별이 되고 독립적으로 가열체(heating element) 및 온도 조절 장치를 구비하고 있다. 반응로내의 관은 직경 1인치, 길이 60cm 크기의 석영 (Quzrtz) 재질로 된 것을 사용하였다.
반응로 전단부의 가운데에 선구물질인 Ag lump(Sigma Aldrich, 373249) 4.1g을 담은 고순도 알루미나 재질의 보트형 용기를 위치시키고, 반응로 후단부의 가운데에는 a-plane 사파이어 단결정 기판을 위치시켰다.
아르곤 기체는 반응로 전단부로 투입되어 반응로 후단부로 배기되며 반응로 후단부에는 진공펌프가 구비되어 있다. 상기 진공펌프를 이용하여 석영 관내 압력을 5 torr로 유지하였으며, MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 100 sccm의 Ar이 흐르도록 하였다.
반응로 전단부(선구물질이 담긴 알루미나 보트)의 온도는 820 ℃로 유지하였으며, 반응로 후단부(사파이어 단결정 기판)의 온도는 630 ℃로 유지한 상태에서 2시간 동안 열처리 하여 Ag 단결정 나노판을 제조하였다.
얻어지는 은 나노판은 단결정 기판 상에 에피텍시얼(epitaxial) 성장하여 방향성 있게 배열될 수 있다. 최종적으로 얻어지는 은나노판은 단결정 내부구조 및 원자적으로 매끄러운 무결점 표면을 가진다.
Ag 단결정 나노판의 제조(도 2b : r-plane의 사파이어 단결정 기판 이용)
단결정 기판으로 r-plane의 사파이어 단결정 기판을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일한 장치 및 조건으로 Ag 단결정 나노판을 제조하였다
상기 나노판은 한 변의 길이가 10 ㎛이상인 매우 거대한 Ag 나노판이 제조되었으며, 기판에 대해 에피텍샬 관계를 갖는 다각판형의 나노판이 제조됨을 알 수 있다. 대체적으로 오각형의 나노판이 주로 제조되었으며, 삼각형, 평행사변형, 사다리꼴의 나노판도 제조됨을 알 수 있다.
또한 상기 나노판은 모두 기판 표면에 대해 수직 성장한 Ag 나노판이 제조되었으며, 단일한 나노판이 이차원 결함을 포함하지 않는 단일한 단결정체로 이루어져 있음을 알 수 있다.
또한, 제조된 Ag 나노판의 형상과 무관하게 나노판간 서로 평행한 관계를 가짐을 알 수 있으며, 단결정 기판의 표면 방향이 달라짐에 따라, 제조된 Ag 나노판의 밀도, 크기, 및 형상이 달라짐을 알 수 있다. a-plane, r-plane 상 주로 오각형의 Ag 나노판들이 형성되나, m-plane 에서는 주로 사다리꼴의 Ag 나노판이 형성됨을 알 수 있다.
얻어지는 은 나노판은 면심입방구조(FCC)이며, 상기 은 나노판의 in-plane면은 {111}면이며, 상기 나노판의 변의 방향은 <110>방향을 포함하는 것일 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른, Si기판상에 매우 깨끗한 표면과 함께 잘 정의된 기하학적 구조를 갖는 은 나노판으로 이루어진 광학 나노 안테나를 보여주고 있으며, 도 3b는 본 발명의 상기 단결정 은 나노판을 포함하는 안테나가 동작하는 모식도를 나타내고 있다.
여기서, 상기 은 나노판 말단 부들의 배향과 면각들은 모든 단결정 나노판들 내에서 고정되어야만 한다. 본 발명에서의 은 나노판들의 면각들은 0, 60, 그리고 120 도가 될 수 있고, 서로 이어져 있거나 떨어져 있거나 어느 쪽이든지 관계없이 두 말단 부간의 고정된 각도들은 입출력 안테나에 대응하는 말단 부들의 굉장히 정밀한 정렬(alignment)을 가능하게 한다.
일반적으로 표면 플라즈몬은 계면과 매우 가깝게 존재하기 때문에, 금속 또는 유전체의 계면에서의 SPP 전류의 전달 특성은 금속 또는 유전체의 표면이 매끄러울수록 향상된다. 또한 금속 또는 유전체가 단결정 구조를 가지는 경우에 다결정 구조를 가지는 경우보다 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파에 대한 높은 전도도를 가질 수 있으며, 입사광의 파장이 짧을수록 더 큰 산란 손실이 발생할 수 있다. 따라서 상술한 바와 같이, 단결정 은 나노판을 이용하는 경우에, 산란 손실 없이 가시광선 영역 내의 모든 파장 범위에서 작동하는 광학 나노 안테나를 효율적으로 구현할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 금속 나노판을 은 대신에 금을 사용하는 경우에도 광학 나노 안테나를 구현할 수 있다. 상기 금은 520 nm 이상의 입사광 파장대에서 플라즈몬 효과를 가질 수 있어, 이를 이용하여 광학 나노 안테나를 구현이 가능하다.
상기 도 3b에서 보는 바와 같이 본 발명의 나노 안테나는 Si 위에 올려진 은 나노판이 한 쪽 모서리는 수신 안테나(수신단)로 동작하고, 반대편에 위치한 모서리는 송신 안테나(송신단)로 동작하는 것을 보여주며, 그리고 송수신 안테나 사이에 위치한 넓은 면(in-plane)으로 수신안테나에서 여기된 SPP파가 전파되고 있는 것을 보여주고 있다.
즉, 상기 은 나노판의 일측단부인 수신단은 수신 안테나로 동작할 수 있어서 입사광을 나노판 표면 위로 전파하는 SPP파로 변환해준다. 즉. 본 발명의 상기 광학 나노 안테나는 입사광을 전하밀도파(Charge Density Wave; CDW), 즉 SPP파로 변환하고, 이는 상기 단결정 은 나노판의 타측 단부인 송신단에서 자유공간상으로 방출될 수 있다. 구체적으로, 상기 방출되는 상기 SPP파는 상기 단결정 은 나노판의 출력단에서 자유공간상으로 전달된다.
상기 입사광을 수신단에 조사광의 초점을 맞추고 편광이 은나노판의 상기 일측단부에 대해 수직일 때, 전파되는 SPP파와 커플링되는 효율이 커지면서 더 강한 플라즈모닉 소산파 필드를 은 나노판 표면에 유도할 수 있다. 이는 은 나노판 표면에 위치한 활성 매질들과의 양호한 모드 오버랩을 제공해주고, SERS, 형광 방출, 그리고 이차하모닉 제너레이션(second harmonic generation)과 같은 비선형 반응들을 가속시켜 줄 수 잇다.
한편, 전파하던 SPP파는 개별적으로 송신 안테나로 작동 가능한 나노판의 반대편 일측단부에서 자유 공간으로 재-방출된다. 상기 송신 방출의 특성들은 수신단에 대한 입사광의 편광 상태, 입/출력단간의 각도, 그리고 SPP파의 전파 방향에 의해 조절 가능하다.
만약 상기 은나노판의 표면부근에 검출 재료(target material) 등을 위치시키고 이의 특성을 측정하려는 경우에, 수신단으로부터 전파된 SPP 소산파 필드로부터 검출 재료들을 여기시킬 수 있다. 검출 재료들의 여기 결과 형광 또는 비선형 플라즈모닉 신호 등 특징적인 광학 신호들이 발생할 수 있는데, 이것은 송신 안테나를 통해 상용화된 일반 광학장치에서 효율적으로 관측될 수 있다,
또한 본 발명은 상기 은 나노판에서 상기 입사광을 수신하는 수신단과 표면 플라즈몬 신호를 송신하는 송신단이 공간적으로 분리된 것을 특징으로 한다. 상기 수신단과 송신단의 공간적 분리는 원하지 않는 입출력 신호가 섞이는 것을 최소화 할 수 있어서 잡음을 줄일 수 있다. 이러한 분리는 또한 목표 물질들이 입사 레이저에 의한 열로부터 얻는 데미지를 줄여주는 장점을 가질 수 있다. 결과적으로 본 발명의 광학 나노 안테나는 상기 수신단과 송신단을 공간적으로 분리함과 동시에 플라즈모닉 활성 공간을 그 사이에 위치시킴으로써 센싱과 측정의 품질을 개선시키기 위한 이상적인 플라즈모닉 유도 플랫폼(guiding platform)을 제공한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 나노 안테나를 포함하는 나노 광학장치의 도면을 나타내고 있다.
상기 나노 광학장치는 기판, 상기 은 나노판을 포함하는 광학 나노 안테나, 상기 광학 나노 안테나의 수신단에 입사광을 제공하는 입사광원, 및 상기 광학 나노 안테나의 송신단으로부터 방출되는 출력광을 수신하는 광수신기를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 입사광은 임의의 파장을 갖는 레이저 광으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 가시광선 대역의 레이저 광으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 광학 나노 안테나와 입사광원의 사이에 입력되는 빛의 편광을 제어하기 위한 편광기가 구비될 수 있고, 광학 나노 안테나와 광수신기의 사이에 출력되는 빛의 편광상태를 체크하거나 제아하기 위한 편광기가 구비되어 각각의 빛의 편광을 독립적으로 제어할 수 있다.
또한 상기 광학 나노 안테나와 입사광원의 사이와, 광학 나노 안테나와 광수신기의 사이에 빛을 수신안테나에 집중하도록 하며, 또한 동시에 출력광을 수집하기 위한 용도로서 대물렌즈가 구비될 수 있으며, 이의 배율은 ×50 내지 ×1500의 범위를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 기판은 은 나노판을 고정하는 기능을 하는 것이면 종류에 상관없이 사용가능하며, 바람직하게는 실리콘, 플라스틱 재료, 금속 또는 산화막으로 코팅된 금속재료, 세라믹 재료, 유리 로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 본 발명에서의 실시예로서 상기 은 나노판을 실리콘 기판상에 고정하였다.
일 실시예로서, 상기 나노광학장치는 N.A 0.7 의 100 배의 건식 대물렌즈로 레이저 빛의 빔을 수신 안테나인 말단에 집중시켜주고, 동시에 송신 안테나인 다른 쪽 말단들로부터 방출되는 표면 플라즈몬 신호를 수집하였다. SPP파 발생과 표면 플라즈몬 신호 방출의 특성들은 CCD 카메라를 이용해 측정되었고, 상기 은 나노판으로부터 나오는 출력 방출의 편광 상태는 CCD 카메라 전면에 있는 선형 편광기(polarizer)를 통해 제어되도록 하였다. 또 다른 선형 편광기와 반파장판(half-wave plate)은 632.8 nm 의 파장을 가지는 지속파 HeNe 레이저로부터 입사광의 편광 상태를 제어하는데 사용되었다.
본 발명에서 상기 단결정 은 나노판은 homebuilt 나노제어기 등을 이용하여 실리콘 기판 위에 위치시킬 수 있다. 이때, 상기 나노제어기는 3축 피에조일렉트릭 스테이지(three-axes piezoelectric stage)에 장착된, 말단에서 직경이 ~ 100 nm 인 텅스텐 팁(tungsten tip을 포함하여 구성된다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따라 사다리꼴 은 나노판으로 제작한 광학 나노 안테나에서 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 5d 내지 도 5f는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있으며, 5g는 이론적으로 계산된 은 나노판 표면위로 전파하는 SPP 전기장 세기 윤곽의 단면도를 나타내고 있다.
보다 구체적으로 도 5a에서 등변 사다리꼴 형태의 은나노판 안테나에 대해 오른쪽 수신단인 가장 긴 모서리에 초점이 맞추어지도록 레이저광을 조사하였을 때 왼쪽 송신단쪽으로 SPP파가 전파되어 빛으로 나오는 것을 나타내고 있다. 여기서 상기 레이저 스팟은 은 나노판의 가장 긴 모서리에 초점이 맞추어져 있고, 레이저 스팟 크기는 1 마이크로미터 이하가 되도록 조절된다.
상기 등변 사다리꼴 구조는, 은 나노판의 가능한 모양들 중에서, 한 쌍의 마주보는 말단부들이 서로 평행하고 나머지 쌍은 동일한 길이로 내각을 이루는, 대표적인 플라즈모닉 표면과 안테나 말단 특성을 제공한다.
한편 상기 수신단에서 송신단에 이르기까지 SPP파의 전파 길이는 약 7.4 마이크로미터로, 이것은 다양한 나노 광학 응용들을 위한 은 나노판 표면 위의 플라즈모닉 안테나를 구현하기 위해 충분히 긴 거리이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노 안테나는 가시광선 영역 내의 모든 파장 범위에서 작동할 수 있고, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 등의 일부 또는 전부를 모두 포함하는 혼합광이 입사될 수도 있다.
또한 상기 입사광은 임의의 파장을 갖는 레이저 광으로 이루어지고, 수신단으로 작용하는 은 나노판 모서리 장축에 대해 특정각도를 갖는 편광일 수 있다. 이때, 수신단에 대해 수직 편광일 때 커플링(coupling) 효율이 최대가 되어 최대의 플라즈몬 여기 효율을 가진다. 참고로 수신단으로 작용하는 은 나노판 모서리 장축에 대해 수평 편광인 입사광은 표면위로 전파되는 SPP파 대신에 수신단을 따라 모서리내에서 앞뒤로 이동하는 모서리 플라즈몬을 발생시킬 수 있고, 상기 모서리 플라즈몬 안테나 구동 역시 넓은 스펙트럼 범위에서 다중 플라즈모닉 공명을 요구하는 다양한 응용에 사용될 수 있다.
상기 수신단으로 작용하는 은 나노판 모서리 장축에 대해 수직 편광을 주었을 때(이때는 입력광 편광조절) 이러한 SPP파의 여기 및 전파가 도 5a의 녹색 화살표와 같이 분명하게 보이며, 마찬가지로 송신단에 대해 수직한 편광일 때(이때는 출력광 편광조절) 플라즈몬 송출 신호들을 관찰할 수 있다.
도 5b 및 도 5c는 은 나노판을 통한 입사광 수신, 나노판 표면에 SPP파의 발생, 그리고 송신단에서의 표면 플라즈몬 신호 방출까지의 일련의 측정들을 보여준다.
입사광 레이저 일부는 Ag/air 계면위에서 SPP파로 연결되고, 이는 다시 빛으로 변환되어 일반적인 광학 측정장치(현미경)에서 측정된다. 송신 방출의 편광 상태가 송신단에 대해서 수직인 것은, 그들이 표면에 대해 수직하게 배향되어 있는 소산파 전기장의 SPP파로부터 유래된 것을 의미한다.
만약 출력광의 편광을 송신단에 대해 수평으로 취하면 관찰되었던 신호들이 보이지 않는 결과를 나타내며, 이를 도 5c에서 나타내고 있다. 상기 도 5c에서의 촬영된 이미지는 사용된 선형 편광기의 여기 비율 이하의 레이저 스팟을 확인할 수 있을 정도로 강화시킨 것이다. 상기 도 5c에서 Intensified image 라는 뜻은 입출력광에 대해 서로 수직으로 선형 평광기들이 배치되면 CCD 상으로는 광신호가 매우 약해지는데, 이를 밝게 키웠다는 의미로서, 상기와 같이 밝게 키웠음에도 출력단에 대해 수평인 편광에서는 송신안테나에서 SPP 신호를 얻을 수 없었으며, 이것은 CCD 로 관찰된 플라즈몬 신호들이 단순히 입사광이 산란되어 나오는 신호가 아니라 분명한 편광을 가지고 전파된 SPP파를 거친 표면 플라즈몬 신호인 것을 나타낸다.
한편 도 5c 내지 5f는 도 5a 내지 5c에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
상기 은 나노판의 플라즈모닉 특성을 더 이해하기 위해서, 상기 실험에 사용된 은 나노판과 동일한 크기로 전영역(full-field) 시뮬레이션을 FDTD 방법을 이용해 수행하였고, 실험과 동일한 편광조건에서 송신 안테나 부분의 SPP 송출이 계산되었다.
500 nm 크기로 초점이 맞추어진 가우시안 빔이 오른쪽 말단에 조사되면 왼쪽 말단으로 전파되는 SPP파로 연계된다. 계산된 포인팅 벡터 분포들은 나노판 표면으로부터 150 nm 떨어진 평면에서 얻어졌다. 도 5e 의 시뮬레이션 결과는 도 5b 의 실험 결과들의 훌륭한 재연을 보여준다
송신 방출은 송신단에 대해 수직하게 편광되었고 산란된 입사광으로부터 완전하게 분리되었다. 추가적으로, 상기 도 5g에서의 전기장 세기 윤곽의 단면도는 SPP파가 Ag/air 계면에서 강력하게 붙잡혀 있고 수 마이크로미터 이상으로 송수신 안테나 말단들간에 전파되는 것을 분명하게 보여준다. 500 nm 로 스팟크기를 추정했을 때, 초점이 맞추어진 가우시안 입사광에서 SPP파로의 연계효율은 약 33 % 이다. 따라서 어떠한 추가적인 최적화가 없이도, 상기 은 나노판의 말단은 자유공간 입사광을 SPP파로 효율적으로 연계시켜줄 수 있는 훌륭한 수신 안테나의 역할을 하는 것을 보여주고 있다.
은 나노판은 결정 축에 따라 여러 가지 기하학적 형태들을 제공하고 여러 다른 방식으로 입출력 안테나 쌍의 다양한 조합을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 6a 내지 도 6f 에서 보여지는 것처럼, 180 도의 rotational 대칭을 가지고 있는 평행사변형 나노판은 입력 안테나 단에 대해 각각 0도, 60도의 각도를 가지는 두 개의 다른 출력 안테나 단들을 동시에 제공한다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 평행사변형 은 나노판으로 제작한 광학 나노 안테나에서 측정된 실험적 결과로서, 은 나노판이 평행사변형의 모양을 나타내고 있다.
여기서, 나노판은 약 5도 정도 약간 회전되어서 입력 레이저 편광과 입력 안테나 말단부 사이의 각도는 약 85 도로 설정되었다. SPPs 는 입사 레이저 스팟으로부터 나노판 표면으로 퍼져나가고 다시 송신단에서 자유 공간으로 재-방출 될 수 있다. 또한 특정의 송신단으로부터의 출력 방출은 언제나 말단에 대해 수직 편광이므로 도 6b에서 보여주듯이 광수신기측(observation)의 편광기의 적절한 각도를 설정함으로써 선택적으로 획득될 수 있다.
상기 표면 플라즈몬 특성은 오직 금속 표면에서 나노미터 단위로 매우 가까운 지역에 대해서만 활성을 가진다. 따라서 각 송신단 (출력 안테나)에서 출력되는 플라즈몬 신호들은 서로 영향을 미치지 않는다. 이 특성을 활용하여 각 송신단 마다 다른 표적 물질을 검출할 수 있도록 표면개질 한다면, 하나의 은 나노판이 표면 플라즈몬을 이용한 다중 물질 검출 센서로 작동할 수 있다.
한편, 도 6d 내지 도 6f는 상기 6a 내지 6c에서의 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다. 상기 도 6a 내지 6f를 통해 실험적인 그리고 이론적인 방출 분포들 간에 방출 위치, 평광 특성 등이 정확하게 일치함을 보여주고 있다. 이는 단결정 은 나노판이 원자적으로 정밀한 플라즈모닉 구조로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다.
한편, 상기 도 6c가 도 5c 와 다른 점은 수신단에 대해 평행한 편광의 그림 (도 6c)을 밝게 강조하였을 때 반대편 모서리에서 SPP파의 신호가 나오고 있는 것을 볼 수 있다. 이는 편광기의 조절을 통해 통해 SPP 전파 방향을 조절할 수 있음을 의미하는 것으로 앞서 기재된 사다리꼴 은 나노판과 평행사변형 은 나노판 안테나 실험결과를 합쳐서 이론적으로 계산하는 경우의 결과와 완벽하게 합치한다.
즉, 본 발명은 상기 송신단에서 표면 플라즈몬 신호의 편광을 은 나노판내 송신단의 장축에 대해 특정각도를 갖는 편광이 되도록 함으로써 수신단으로부터 전파된 SPP파를 서로 다른 송신단에서 선택적으로 관측이 가능하다.
한편, 본 발명의 또 다른 특징은 은 나노판 표면에 위치한 다양한 구조들 또는 재료들과 SPP 소산파 필드를 밀접되게 인터페이스 할 수 있다는 점이다. 이에 관한 일 실시예로서, 본 발명의 상기 은 나노판의 수신단; 또는 송신단; 또는 송신단과 수신단 사이에는, 임의의 형상으로 이루어지는 나노입자 또는 임의의 형상으로 이루어지는 빈 공간이 포함될 수 있다. 이 경우에 상기 임의의 형상으로 이루어지는 나노입자는 길이방향으로 철(凸)형태로 이루어진 은 나노벨트 또는 나노선이고, 임의의 형상으로 이루어지는 빈 공간은 길이방향으로 요(凹)홈 형태의 빈 공간을 포함하는 나노스케일의 갭일 수 있다.
즉, 본 발명은 상기 은 나노판 상에 추가적인 플라즈모닉 구조를 올림으로써 안테나 복합체를 형성할 수 있음을 의미한다. 상기 추가적인 구조는 나노 구조의 재료일 수 도 있고, 나노 구조를 갖는 빈 공간의 형태로 제공될 수도 있다.
도 7a 및 7b는 길이방향으로 철(凸)형태의 나노벨트가 은 나노판 표면상에 존재하는 경우의 측정된 실험적 결과를 나타내고 있고, 도 7c 내지 도 7e는 상기 실험적 결과에 대응하는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
도 7a 에서는 은 나노판 위에 올려진 은 나노벨트에 의한 SPPs 의 산란 거동을 관찰할 수 있다. 상기 나노벨트는 은 나노판상에 임의의 형태로 형성될 수 있으며, 일 실시예로서 너비, 두께, 그리고 길이가 각각 600 nm, 120 nm, 그리고 5 um 인 치수를 가지고 나노판 상에 위치한다.
일반적으로 SPP파가 금속 표면에 강력하게 붙잡혀있고 나노판의 불연속점에서만 자유공간과 연계되므로, 산란된 방출은 입사 레이저 스팟으로부터 약 12.7 mm 떨어진 은 나노벨트의 근접부근(근접점)에서 분명하게 압축되는 것을 도 7b에서는 보여주고 있다. 상기 산란된 방출은 나노벨트에 대해 수직하게 편광 되었고, 이것은 나노벨트가 송신 안테나로 작용해서 SPP파가 자유 공간으로 방출할 수 있는 것을 보여준다. 이를 통해 본 발명은 상기 은 나노판의 표면에 유도된 나노 구조 또는 나노재료 또는 생화학 물질들의 고유한 특성을 세심하게 평가할 수 있음을 나타낸다. 도 7b에서 볼 수 있듯이, 상기 은나노 판의 원자적으로 매끄러운 표면 거칠기로부터 기인하는, 일반적인 배경(background) 잡음이 완벽하게 차단될 수 있다. 현재 개발된 SPR 센서는 빛과 플라즈몬의 커플링(coupling)을 위해 반드시 프리즘을 도입해야 하므로 넓은 금속 필름을 기초 재료로 사용한다. 하지만 이 경우 거친 금속 표면위에서의 불규칙적인 검출 물질 배열에 의해 잡음이 심하다. 따라서 본 발명에서와 같이 은 나노판은 그 자체로 빛을 수신 받아 SPP 형성에 유용하게 활용될 수 있으므로 소형화된 SPR 플랫폼(platform)으로 작동하여 SPR 측정의 감도를 개선시킬 수 있다.
한편, 기존의 알려진 방법에 의해 상기 은 나노판은 일정 부분을 제거하는 과정을 통해 나노 구조화된 빈 공간을 형성할 수 있는데, 일예로서 나노 스케일 갭(gaps), 나노 스케일 그르부(grooves) 등이 이에 해당할 수 잇다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 사다리꼴 은 나노판에 FIB 를 이용해 90 nm 너비의 홈을 파서 사다리꼴 나노판의 두 주요 말단 부들에 대하여 평행하게 갭을 형성한 경우의 측정된 실험적 결과를 나타내고 있다.
도 8b에서, SPP파는 나노갭과, 수신단에 대한 반대편 송신단 모두에서 연계된 것을 보여준다. 이는 상기 SPP파중 일부가 나노갭을 통해 터널링 효과를 통해 상기 나노판의 반대쪽 말단까지 도달하는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에서의 상기 나노-갭에서, SPP파는 반사되거나, 터널링 효과에 의해 전달되거나, 또는 자유공간과 연계될 수 있다.
여기서 상기 터널링 효율은 갭의 너비를 바꿈에 따라 쉽게 조절 가능하므로, 본 발명에서의 상기 갭이 일정 폭내의 범위내라면 터널링 효과로 인해 SPP파가 효율적으로 전달될 수 있는 것이다.
상기 도 8c에서는 SPP 들이 터널링 효과를 이용하여 나노판을 투과하는 것을 이론적으로 계산한 전기장 세기 윤곽의 단면도를 나타내고 있는데, 상기 90 nm의 폭을 가진 갭이 있는 경우에도 갭을 지나서 전기장 세기가 크게 차이가 없는 것을 나타내고 있다. 이는 매우 매끄러운 은 나노판 표면으로 인하여, SPP 산란이 매우 감소되기 때문에 90 nm 갭에서도 터널링 효과로 인하여 반대편 모서리까지 SPP 신호가 전달됨을 보여준다.
한편, 상기 SPP파의 터널링과 산란은 갭 내의 물질의 광학적 성질 변화에 매우 민감하므로, 상기 나노 갭이 다양한 생화학 나노 물질들을 그 내부에 둘 수 있고 나노 갭을 통한 SPP파 터널링에 의해 그들의 거동을 측정할 수 있어 다양한 응용이 가능하다.
또한, SPP파는 입사 에너지의 낭비 없이 나노 갭에 위치한 나노크기의 재료들의 형광 또는 라만 산란을 여기할 수 있는데, 이는 SPP 소산파 필드가 이미 서브-파장(sub-wavelength) 스케일로 압축되었기 때문이다. 여기서, 목표 재료들로부터 나오는 출력 신호들은 입사광으로부터 잘 격리 시킬 수 있는데, 이는 SPP파가 활성공간과, 나노 갭과 같은, 입력 안테나 말단을 원격으로 서로 다른 공간에서 제어하는 방법으로 가능하다. 이러한 분리는 입사광이 퍼져서 나오는 잡음을 차단시켜 분광 측정의 신호 품질을 개선시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들에 따른 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노 안테나에 대하여 설명, 측정 및 시뮬레이션의 편의를 위하여 가시광선 영역 내의 모든 파장 범위에서 작동하는 것으로 제한하여 설명하였으나, 본 발명의 실시예들에 따른 단결정 은 나노판을 이용한 광학 나노 안테나는 가시광선이외의 임의의 파장 범위에서 작동할 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
또한 본 발명의 실시예들에 따른 광학 나노 안테나가 단결정 은 나노판을 이용하여 구현되는 것으로 제한하여 설명하였으나, 본 발명의 실시예들에 따른 광학 나노 안테나는 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 알루미늄(Al) 등과 같은 다양한 금속 및 합금을 이용하여 합성되는 단결정 금속 나노판을 이용하여 구현될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
본 발명은 상기 광학 나노 안테나를 포함하는 임의의 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다.
특히 본 발명의 실시예들은 양자 시스템을 이용한 물리, 생화학적 응용에 사용되는 나노 광학 센서 등의 나노 광학 측정장치를 제공할 수 있으며, 광 발광 양자점과 형광 분자를 이용한 분광학 및 검출을 포함하는 물리, 생화학적 응용에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (16)
- 단결정 은 나노판(Single-Crystalline Ag Nanoplate)을 포함하는 광학 나노 안테나로서,
상기 은 나노판의 일측단부에 위치하며, 입사광을 수신하는 수신단;과 상기 은 나노판의 타측단부에 위치하며, 은 나노판의 표면을 따라 전파되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파를 송신하는 송신단; 이 분리되어 위치하고, 상기 은 나노판의 표면을 따라 상기 수신단에서 수신된 입사광에 의해 유발되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파가 전파되어 상기 송신단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 광학나노 안테나 - 제 1 항에 있어서,
상기 입사광은 임의의 파장을 갖는 레이저 광으로 이루어지고, 수신단의 장축에 대해 특정각도를 갖는 편광인 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 1 항에 있어서,
상기 은 나노판의 수신단; 또는 송신단; 또는 송신단과 수신단 사이에는, 임의의 형상으로 이루어지는 나노입자 또는 임의의 형상으로 이루어지는 빈 공간이 포함되는 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 3 항에 있어서,
상기 임의의 형상으로 이루어지는 나노입자는 길이방향으로 철(凸)형태로 이루어진 은 나노벨트 또는 은 나노선이고, 임의의 형상으로 이루어지는 빈 공간은 길이방향으로 요(凹)홈 형태의 빈 공간을 포함하는 갭인 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 1 항에 있어서,
상기 단결정 은 나노판은 기상 이송 방법을 이용하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 5 항에 있어서,
상기 단결정 은 나노판은 반응로 내에서 선구물질(precursor)인 은 슬러그(Ag slug)를 열 기화시키고, 불활성 기체를 이용하여 상기 기화된 은을 상기 선구물질보다 낮은 온도로 유지되고 상기 반응로 내에 위치하는 단결정 기판 상에 이송시킴으로써 합성되는 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 6 항에 있어서,
상기 은 나노판이 형성되는 단결정 기판의 물질 및 표면 방향을 제어하여, 상기 은 나노판의 형상; 상기 단결정 기판의 표면에 대한 은 나노판의 배향성; 또는 이들의 조합이 제어되는 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 6 항에 있어서,
상기 은 나노판은 면심입방구조(FCC)이며, 상기 은 나노판의 판 면은 {111}면이며, 상기 나노판의 변의 방향은 <110>방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나. - 제 1항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 나노 안테나를 포함하는 나노 광학 측정장치
- 기판;
제 1항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 나노 안테나;
상기 광학 나노 안테나의 수신단에 입사광을 제공하는 입사광원; 및
상기 광학 나노 안테나의 송신단으로부터 방출되는 출력광을 수신하는 광수신기를 포함하는 나노 광학장치 - 제 10 항에 있어서,
상기 광학 나노 안테나와 입사광원의 사이와, 광학 나노 안테나와 광수신기의 사이에 빛을 수신안테나에 집중하도록 하며, 또한 동시에 출력광을 수집하기 위한 용도로서 대물렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 나노 광학장치 - 제 10 항에 있어서,
상기 광학 나노 안테나와 입사광원의 사이와, 광학 나노 안테나와 광수신기의 사이에 빛의 편광을 제어하기 위한 선형 편광기가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 나노 광학장치 - 제 10 항에 있어서,
상기 입사광은 상기 은 나노판내 수신단에 입사되는 레이저 편광을 조절함으로써 상기 은 나노판 표면위에서 SPP파의 전파방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 나노 광학장치 - 제10항에 있어서,
상기 광학 나노 안테나내 은 나노판의 송신부, 수신부 또는 상기 송신부와 수신부 사이의 공간에 측정하고자 하는 샘플을 위치시킴으로써, 상기 샘플의 물리화학적 특성을 측정하는 것을 특징으로 하는 나노 광학장치 - 기상 이송 방법을 이용하여 단결정 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장된 단결정 금속 나노판(Single-Crystalline Metal Nanoplate)을 포함하는 광학 나노 안테나로서,
상기 금속 나노판의 일측단부에 위치하며, 입사광을 수신하는 수신단;과 상기 금속 나노판의 타측단부에 위치하며, 금속 나노판의 표면을 따라 전파되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파를 자유공간 상으로 송신하는 송신단;이 분리되어 위치하고, 상기 금속 나노판의 표면을 따라 상기 수신단에서 수신된 입사광에 의해 유발되는 표면플라즈몬-폴라리톤(SPP)파가 전파되어 상기 송신단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 광학나노 안테나 - 제 15 항에 있어서,
상기 단결정 금속 나노판은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광학 나노 안테나.
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