KR101505123B1 - Broadbadn visible light absorption nanostructure using plasmon - Google Patents
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Abstract
나노구조체는 기판, 기판 위에 위치하는 제1 금속층, 그리고 제1 금속층 위에 위치하는 단위 구조물(unit structure)을 포함하고, 단위 구조물은 제1 금속층 위에 위치하는 제1 유전체층, 제1 유전체층 위에 위치하는 제2 금속층, 제2 금속층 위에 위치하는 제2 유전체층, 제2 유전체층 위에 위치하는 제3 금속층, 제3 금속층 위에 위치하는 제3 유전체층, 그리고 제3 유전체층 위에 위치하는 제4 금속층을 포함하고, 제1 유전체층, 제2 유전체층, 그리고 제3 유전체층은 서로 두께가 다르다.The nanostructure includes a substrate, a first metal layer disposed on the substrate, and a unit structure disposed on the first metal layer. The unit structure includes a first dielectric layer disposed on the first metal layer, a first dielectric layer disposed on the first dielectric layer, 2 metal layer, a second dielectric layer positioned over the second metal layer, a third metal layer positioned over the second dielectric layer, a third dielectric layer positioned over the third metal layer, and a fourth metal layer positioned over the third dielectric layer, , The second dielectric layer, and the third dielectric layer have different thicknesses from each other.
Description
플라즈몬을 이용한 광대역 가시광선 흡수 나노구조체가 제공된다.
A broadband visible light absorbing nanostructure using plasmon is provided.
금속 표면의 전하 밀도의 집단적 진동이 양자화된 것을 표면 플라즈몬이라고 한다. 표면 플라즈몬은 어느 특정한 조건에서 가시 광선이나 적외선 등을 포함하는 전가지파와 결합하여 금속과 유전체의 경계면을 따라 전파되는 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)을 형성하게 된다. 금속 나노 입자의 경우, 전자기파에 의해 표면 플라즈몬이 금속 나노 입자에 구속되어 진동하여, 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance)이 발생한다. 이러한 플라즈몬을 이용하여 최근 회절 한계 이하의 나노 포토닉스 소자를 구현하거나, 강한 전자기장 증강의 효과로 LED, 태양전지, 센서 등으로의 응용 연구가 진행되어 왔다.
Quantization of the collective oscillations of the charge density on the metal surface is called surface plasmon. Surface plasmons form a surface plasmon polariton that propagates along the interface between the metal and the dielectric in combination with a full wave including visible light and infrared rays under certain conditions. In the case of metal nanoparticles, surface plasmons are confined to metal nanoparticles by electromagnetic waves to vibrate, resulting in localized surface plasmon resonance. Recently, application of such plasmon has been advanced to LED, solar cell, sensor and the like by implementing a nanophotonics device below the diffraction limit or by the effect of strong electromagnetic field enhancement.
본 발명에 따른 한 실시예는 약 400 nm 내지 약 750 nm에 이르는 가시 광선의 전 영역에서의 빛을 효과적으로 흡수하기 위한 것이다.One embodiment according to the present invention is for effectively absorbing light in the entire range of visible light from about 400 nm to about 750 nm.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 사용될 수 있다.
And can be used to achieve other tasks not specifically mentioned other than the above tasks.
본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체는 기판, 기판 위에 위치하는 제1 금속층, 그리고 제1 금속층 위에 위치하는 단위 구조물(unit structure)을 포함하고, 단위 구조물은 제1 금속층 위에 위치하는 제1 유전체층, 제1 유전체층 위에 위치하는 제2 금속층, 제2 금속층 위에 위치하는 제2 유전체층, 제2 유전체층 위에 위치하는 제3 금속층, 제3 금속층 위에 위치하는 제3 유전체층, 그리고 제3 유전체층 위에 위치하는 제4 금속층을 포함하고, 제1 유전체층, 제2 유전체층, 그리고 제3 유전체층은 서로 두께가 다르다.A nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a substrate, a first metal layer disposed on the substrate, and a unit structure disposed on the first metal layer. The unit structure includes a first dielectric layer positioned on the first metal layer, A second dielectric layer overlying the first dielectric layer, a second dielectric layer overlying the second dielectric layer, a third dielectric layer overlying the second dielectric layer, a third dielectric layer overlying the third dielectric layer, and a fourth dielectric layer overlying the third dielectric layer. And the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer have different thicknesses from each other.
제1 유전체층의 두께보다 제2 유전체층의 두께가 더 클 수 있고, 제2 유전체층의 두께보다 제3 유전체층의 두께가 더 클 수 있다.The thickness of the second dielectric layer may be larger than the thickness of the first dielectric layer and the thickness of the third dielectric layer may be larger than the thickness of the second dielectric layer.
제1 유전체층의 두께는 약 10 nm 내지 약 30 nm일 수 있으며, 인접한 유전체층들의 두께의 차이는 약 10 nm 내지 약 30 nm일 수 있다.The thickness of the first dielectric layer may be between about 10 nm and about 30 nm, and the difference in thickness between adjacent dielectric layers may be between about 10 nm and about 30 nm.
제2 금속층의 두께, 제3 금속층의 두께, 그리고 제4 금속층의 두께는 각각 약 10 nm 내지 약 50 nm일 수 있다.The thickness of the second metal layer, the thickness of the third metal layer, and the thickness of the fourth metal layer may be about 10 nm to about 50 nm, respectively.
제2 금속층, 제3 금속층, 그리고 제4 금속층은 두께가 서로 동일할 수 있다.The second metal layer, the third metal layer, and the fourth metal layer may have the same thickness.
나노구조체는 복수개의 단위 구조물들을 포함할 수 있고, 복수개의 단위 구조물들은 주기적(periodic)으로 위치할 수 있다.The nanostructure may include a plurality of unit structures, and the plurality of unit structures may be positioned periodically.
복수개의 단위 구조물들의 간격(pitch)은 약 380 nm 내지 약 450 nm일 수 있다.The pitch of the plurality of unit structures may be from about 380 nm to about 450 nm.
단위 구조물의 직경은 약 260 nm 내지 약 330 nm일 수 있다.The diameter of the unit structure may be from about 260 nm to about 330 nm.
본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체는 기판, 기판 위에 위치하는 제1 금속층, 제1 금속층 위에 위치하는 제1 유전체층, 제1 유전체층 위에 위치하는 제2 금속층, 제2 금속층 위에 위치하는 제2 유전체층, 제2 유전체층 위에 위치하는 제3 금속층, 제3 금속층 위에 위치하는 제3 유전체층, 제3 유전체층 위에 위치하는 제4 금속층을 포함하고, 제1 유전체층, 제2 유전체층, 그리고 제3 유전체층은 서로 두께가 다르고, 제1 유전체층, 제2 금속층, 제2 유전체층, 제3 금속층, 제3 유전체층, 그리고 제4 금속층은 제1 금속층을 노출하는 홀을 포함한다.
A nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a substrate, a first metal layer disposed on the substrate, a first dielectric layer positioned on the first metal layer, a second metal layer positioned on the first dielectric layer, a second dielectric layer positioned on the second metal layer, A third metal layer overlying the second dielectric layer, a third dielectric layer overlying the third metal layer, and a fourth metal layer overlying the third dielectric layer, wherein the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer have a thickness The first dielectric layer, the second metal layer, the second dielectric layer, the third metal layer, the third dielectric layer, and the fourth metal layer include holes that expose the first metal layer.
본 발명에 따른 한 실시예는 약 400 nm 내지 약 750 nm에 이르는 가시 광선의 전 영역에서의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다.
One embodiment in accordance with the present invention is capable of effectively absorbing light in the entire range of visible light from about 400 nm to about 750 nm.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체의 광흡수 스펙트럼 그래프이다.
도 4는 종래의 나노구조체의 개략도이다.
도 5는 종래의 나노구조체의 광흡수 스펙트럼 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 약 680 nm의 공명 파장에서의 전기장 |E|, 전기장 Ex, 그리고 z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)을 각각 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 약 648 nm의 공명 파장에서의 전기장 |E|, 전기장 Ex, 그리고 z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)을 각각 나타내는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 약 601 nm의 공명 파장에서의 전기장 |E|, 전기장 Ex, 그리고 z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)을 각각 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 16은 나노 패턴의 크기(D)에 따른 광흡수 스펙트럼 그래프와 약 400 nm 내지 약 750 nm의 파장에서의 평균 광흡수율 그래프이다.
도 17 및 도 18은 나노 패턴의 간격(P)에 따른 광흡수 스펙트럼 그래프와 약 400 nm 내지 약 750 nm의 파장에서의 평균 광흡수율 그래프이다.1 is a schematic view of a nanostructure according to one embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
3 is a light absorption spectrum graph of a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view of a conventional nanostructure.
5 is a light absorption spectrum graph of a conventional nanostructure.
6 to 8 are diagrams showing an electric field | E |, an electric field Ex at a resonance wavelength of about 680 nm, and an Ex profile (x = 0) along the z direction, respectively.
Figs. 9 to 11 are diagrams respectively showing an electric field | E |, an electric field Ex, and an Ex profile (x = 0) along the z direction at a resonance wavelength of about 648 nm.
Figs. 12 to 14 are diagrams respectively showing an electric field | E |, an electric field Ex at a resonance wavelength of about 601 nm, and an Ex profile (x = 0) along the z direction.
15 and 16 are graphs of light absorption spectra according to the size (D) of the nanopattern and graphs of average light absorption at wavelengths of about 400 nm to about 750 nm.
FIGS. 17 and 18 are graphs of light absorption spectra according to the interval (P) of the nanopatterns and graphs of average light absorption at wavelengths of about 400 nm to about 750 nm.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In the case of publicly known technologies, a detailed description thereof will be omitted.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. It will be understood that when an element such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the element directly over another element, On the other hand, when a part is "directly on" another part, it means that there is no other part in the middle. On the contrary, when a portion such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "under" another portion, this includes not only the case where the other portion is "directly underneath" On the other hand, when a part is "directly beneath" another part, it means that there is no other part in the middle.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체에 대하여 도 1 내지 도 3을 참고하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a nanostructure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체의 광흡수 스펙트럼 그래프이다.FIG. 1 is a schematic view of a nanostructure according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a nanostructure according to an embodiment of the present invention. FIG. Spectral graph.
본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체는 기판 위에 제1 금속층, 제1 유전체층, 제2 금속층, 제2 유전체층, 제3 금속층, 제3 유전체층, 그리고 제4 금속층이 차례로 위치한다. 여기서 금속층들 사이에 위치하는 유전체층들은 서로 다른 두께를 가질 수 있으며, 이에 따라 각 유전체들 사이에서 발생하는 다중 갭 표면 플라즈몬(multiple gap surface plasmon)들이 가시 광선 파장들을 효과적으로 흡수할 수 있다. 서로 다른 두께를 갖는 유전체들이 금속층들 사이에 위치함으로써 다중 공명 파장(multiple resonance wavelength)을 유도하여 광대역 흡수가 발생할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따른 나노구조체는 약 400 nm 내지 약 700 nm의 파장에서 평균 광흡수율이 약 93 %이상일 수 있으며, 국부적인 파장 영역(예를 들어 약 541 nm의 파장 영역)에서는 약 99.8 %의 완전 흡수(perfect absorption)가 일어날 수 있다. A nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a first metal layer, a first dielectric layer, a second metal layer, a second dielectric layer, a third metal layer, a third dielectric layer, and a fourth metal layer sequentially on a substrate. Wherein the dielectric layers located between the metal layers can have different thicknesses and thus multiple gap surface plasmons occurring between the dielectrics can effectively absorb visible light wavelengths. Dielectrics having different thicknesses may be located between the metal layers to induce multiple resonance wavelengths, resulting in broadband absorption. For example, a nanostructure according to one embodiment of the present invention may have an average light absorptivity of about 93% or greater at a wavelength of about 400 nm to about 700 nm, and may have a local wavelength range (e.g., a wavelength range of about 541 nm ), A perfect absorption of about 99.8% may occur.
또한 나노 패턴의 크기 또는 나노 패턴들 간의 간격을 조절함으로써 나노구조체는 선택적으로 가시 광선을 흡수 또는 반사할 수 있다. 나노 패턴은 단위 구조물(unit structure)이라고도 한다. 나노 패턴들은 규칙적 또는 주기적이거나 등방성(isotropic) 패턴들로 설게될 수 있으며, 이에 따라 반도체 공정에서의 공정 제어가 수월할 수 있으며, 광흡수가 튜닝될(tunable) 수 있다. 여기서 금속층들은 귀금속을 하나 이상 포함할 수 있으며, 유전체층들은 SiOx, SiNx 등의 절연체, Al2O3, ZnO 등의 금속 산화물, 또는 Si, AlN 등의 반도체를 하나 이상 포함할 수 있다.Also, by controlling the size of the nanopattern or the spacing between the nanopatterns, the nanostructure can selectively absorb or reflect visible light. The nanopattern is also referred to as a unit structure. The nanopatterns can be ordered, periodic, or isotropic patterns, which makes process control in a semiconductor process easier and allows optical absorption to be tunable. The metal layers may include one or more of the noble metal, the dielectric layer may include SiOx, an insulator such as SiNx, Al 2 O 3, metal oxide such as ZnO, or one or more of a semiconductor such as Si, AlN.
도 1을 참고하면, 제1 금속층(Au1) 위에 단위 구조물이 위치하며, 이 단위 구조물은 대략 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 제1 유전체층(d1), 제2 금속층(Au2), 제2 유전체층(d2), 제3 금속층(Au3), 제3 유전체층(d3), 그리고 제4 금속층(Au4)을 아래서부터 위까지 순서대로 포함할 수 있다. 도 2를 참고하면, 단위 구조물 여러 개가 모여서 규칙적인 패턴을 갖는 나노구조체가 형성될 수 있다. 도 1과 같이 단위 구조물이 양각으로 패턴화될 수도 있지만, 이외에도 음각으로 패턴화될 수도 있다. 단위 구조물이 음각으로 패턴화되는 경우, 여러 개의 금속층들과 유전체층들은 도 1의 단위 구조물과 실질적으로 동일한 순서로 위치하지만, 원기둥 형상을 갖는 홀(hole)들이 형성되어 있다. Referring to FIG. 1, a unit structure is disposed on a first metal layer Au1. The unit structure may have a substantially cylindrical shape. The first dielectric layer d1, the second metal layer Au2, the second dielectric layer d2 ), A third metal layer (Au3), a third dielectric layer (d3), and a fourth metal layer (Au4) in this order from bottom to top. Referring to FIG. 2, a plurality of unit structures may be gathered to form a nanostructure having a regular pattern. As shown in FIG. 1, the unit structure may be patterned in an embossed pattern, but may also be patterned in an engraved pattern. When the unit structure is patterned at a negative angle, a plurality of metal layers and dielectric layers are arranged in substantially the same order as the unit structure of FIG. 1, but holes having a cylindrical shape are formed.
제1 유전체층의 두께(td1), 제2 유전체층의 두께(td2), 그리고 제3 유전체층의 두께(td3)는 서로 다르다. 예를 들어, 제1 유전체층의 두께(td1)보다 제2 유전체층의 두께(td2)가 더 클 수 있고, 제2 유전체층의 두께(td2)보다 제3 유전체층의 두께(td3)가 더 클 수 있다. 제1 유전체층의 두께(td1)가 약 10 nm 내지 약 30 nm일 수 있으며, 인접한 유전체층들의 두께의 차이는 약 10 nm 내지 약 30 nm일 수 있으며, 이러한 범위 안에 있을 때, 더 넓은 파장 범위의 가시광선이 더 높은 광흡수율로 흡수될 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체층의 두께(td1)가 약 20 nm이고 인접한 유전체층들의 두께의 차이가 약 20 nm일 때, 제2 유전체층의 두께(td2)는 약 40 nm이고, 그리고 제3 유전체층의 두께(td3)는 약 60 nm이다. 제1 유전체층의 두께(td1)가 약 10 nm이고 인접한 유전체층들의 두께의 차이가 약 20 nm일 때, 제2 유전체층의 두께(td2)는 약 30 nm이고, 그리고 제3 유전체층의 두께(td3)는 약 50 nm이다. 제1 유전체층의 두께(td1)가 약 10 nm이고 인접한 유전체층들의 두께의 차이가 약 10 nm일 때, 제2 유전체층의 두께(td2)는 약 20 nm이고, 그리고 제3 유전체층의 두께(td3)는 약 30 nm이다.The thickness t d1 of the first dielectric layer, the thickness t d2 of the second dielectric layer, and the thickness t d3 of the third dielectric layer are different from each other. For example, the thickness t d2 of the second dielectric layer may be greater than the thickness t d1 of the first dielectric layer, and the thickness t d3 of the third dielectric layer may be greater than the thickness t d2 of the second dielectric layer. It can be big. The thickness t d1 of the first dielectric layer may be from about 10 nm to about 30 nm and the difference in thickness of the adjacent dielectric layers may be from about 10 nm to about 30 nm and, when in this range, Visible light can be absorbed with a higher light absorption rate. For example, when the thickness t d1 of the first dielectric layer is about 20 nm and the difference in thickness between adjacent dielectric layers is about 20 nm, the thickness t d2 of the second dielectric layer is about 40 nm, (T d3 ) is about 60 nm. When the thickness t d1 of the first dielectric layer is about 10 nm and the difference in thickness between adjacent dielectric layers is about 20 nm, the thickness t d2 of the second dielectric layer is about 30 nm, and the thickness t t2 of the third dielectric layer d3 ) is about 50 nm. The thickness t d2 of the second dielectric layer is about 20 nm when the thickness t d1 of the first dielectric layer is about 10 nm and the difference in thickness between adjacent dielectric layers is about 10 nm and the thickness t t2 of the third dielectric layer d3 ) is about 30 nm.
제1 금속층의 두께(tAu1)는 약 100 nm이상일 수 있으며, 약 100 nm이상일 때 입사된 빛의 투과가 거의 일어나지 않을 수 있다.The thickness t Au1 of the first metal layer may be about 100 nm or more, and when the thickness is about 100 nm or more, incident light may hardly be transmitted.
제2 금속층의 두께(tAu2), 제3 금속층의 두께(tAu3), 그리고 제4 금속층의 두께(tAu4)는 각각 약 10 nm 내지 약 50 nm일 수 있으며, 약 10 nm보다 작을 때 표면 플라즈몬 공명이 잘 일어나지 않을 수 있으며, 약 50 nm보다 클 때 빛의 반사가 너무 많이 일어날 수 있다. The thickness of the second metal layer (t Au2 ), the thickness of the third metal layer (t Au3 ), and the thickness of the fourth metal layer (t Au4 ) can each be from about 10 nm to about 50 nm, Plasmon resonance may not occur well, and light reflection may occur too much when it is greater than about 50 nm.
또한, 제2 금속층의 두께(tAu2), 제3 금속층의 두께(tAu3), 그리고 제4 금속층의 두께(tAu4)는 서로 실질적으로 동일할 수 있으며, 이 경우 플라즈몬 공명으로 발생하는 파장들을 제어하기가 용이하다. In addition, the thickness t Au2 of the second metal layer, the thickness t Au3 of the third metal layer, and the thickness t Au4 of the fourth metal layer may be substantially equal to each other. In this case, the wavelengths generated by plasmon resonance It is easy to control.
도 3은 도 1에서 P는 약 420 nm, D는 약 290 nm, tAu1은 약 200 nm, tAu2는 약 20 nm, td1은 약 20 nm, td2는 약 40 nm, td3은 약 60 nm, 제1 금속층 내지 제4 금속층은 Au이며, 제1 유전체층 내지 제3 유전체층은 SiO2일 때의 파장에 따른 흡수 스펙트럼이다. 도 3을 참고하면, 약 400 nm 내지 약 700 nm의 가시 광선 영역에서 매우 높은 광대역 광흡수율을 나타냈으며, 평균적으로 약 93 % 이상의 높은 광흡수율을 나타냈다. FIG. 3 shows that in FIG. 1, P is about 420 nm, D is about 290 nm, t Au1 is about 200 nm, t Au2 about 20 nm, t d1 about 20 nm, t d2 about 40 nm, t d3 about 60 nm, the first to fourth metal layers are Au, and the first dielectric layer to the third dielectric layer are absorption spectra corresponding to the wavelength when SiO 2 is used. Referring to FIG. 3, a very high broadband light absorption rate was exhibited in the visible light region of about 400 nm to about 700 nm, and on the average, the light absorption rate was about 93% or more.
도 3은 단위 구조물이 td1, td2, td3 각각에 대하여 약 680 nm, 648 nm, 그리고 601 nm의 파장에서 3 개의 갭 표면 플라즈몬 공명을 갖는 것을 나타낸다. Figure 3 shows that the unit structure has three gap surface plasmon resonances at wavelengths of about 680 nm, 648 nm, and 601 nm for t d1 , t d2 , and t d3, respectively.
반면, 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 종래의 나노구조체는 금속층, 유전체층, 그리고 금속층을 포함하며, 특정한 단일 파장 영역에서만 플라즈몬이 여기되어 종래의 나노구조체가 광을 흡수할 수 있다. On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 5, the conventional nanostructure includes a metal layer, a dielectric layer, and a metal layer. Plasmons are excited only in a specific single wavelength region, and conventional nanostructures can absorb light.
도 6 내지 도 8은 약 680 nm의 공명 파장에서의 전기장 |E|, 전기장 Ex, 그리고 z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)을 각각 나타내는 도면이며, 도 9 내지 도 11은 약 648 nm의 공명 파장에서의 전기장 |E|, 전기장 Ex, 그리고 z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)을 각각 나타내는 도면이며, 도 12 내지 도 14는 약 601 nm의 공명 파장에서의 전기장 |E|, 전기장 Ex, 그리고 z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)을 각각 나타내는 도면이다.FIGS. 6 to 8 are diagrams showing an electric field | E |, an electric field Ex, and an Ex profile (x = 0) along the z direction at a resonance wavelength of about 680 nm, (X = 0) along the z direction, and Figs. 12 to 14 show the electric field | E | at the resonance wavelength of about 601 nm, the electric field at the resonance wavelength Ex, and an Ex profile (x = 0) along the z direction, respectively.
도 6 내지 도 14는 도 3의 측정에서 사용된 나노구조체와 동일한 나노구조체가 사용되었을 때의 그래프들이다. 도 6 내지 도 7을 참고하면, 약 680 nm의 파장에서의 제1차 공명(first-order resonance)은 제1 금속층에서 강하게 발생한다. 이는 제2 유전체층 및 제3 유전체층의 전기장의 구속(confinement)은 매우 약하지만, 제1 유전체층의 전기장의 구속이 매우 강한 것으로부터 알 수 있다. 도 8은 강한 반대칭 공명 모드(strong anti-symmetric resonance)가 약 20 nm 두께의 제1 유전체층에서 존재한다는 것을 나타낸다. 비슷하게, 도 9 내지 도 10을 참고하며, 약 648 nm의 파장에서의 제2차 공명(second-order resonance)은 제2 금속층에서 강하게 발생한다. 이는 제1 유전체층 및 제3 유전체층의 전기장의 구속은 매우 약하지만, 제2 유전체층의 전기장의 구속이 매우 강한 것으로부터 알 수 있다. 도 11은 강한 반대칭 공명 모드(strong anti-symmetric resonance)가 약 40 nm 두께의 제2 유전체층에서 존재한다는 것을 나타낸다. 도 12 내지 도 14를 참고하면 제3 유전체층에서 전기장 구속이 약 601 nm의 파장에서 발생하기 시작하는 것을 알 수 있다. 도 8, 도 11, 그리고 도 14를 참고하면, z 방향에 따른 Ex 프로파일(x=0)은 각각의 유전체층들에서 발생하는 강한 반대칭 공명 모드에 의해 나타났다는 것을 알 수 있다.FIGS. 6 to 14 are graphs when the same nanostructure as the nanostructure used in the measurement of FIG. 3 is used. Referring to Figs. 6-7, the first-order resonance at a wavelength of about 680 nm occurs strongly in the first metal layer. This is because the confinement of the electric field of the second dielectric layer and the third dielectric layer is very weak but the restraint of the electric field of the first dielectric layer is very strong. Figure 8 shows that a strong anti-symmetric resonance is present in the first dielectric layer of about 20 nm thickness. Similarly, referring to Figures 9 to 10, the second-order resonance at a wavelength of about 648 nm occurs strongly in the second metal layer. This is because the restraint of the electric field of the first dielectric layer and the third dielectric layer is very weak, but the restraint of the electric field of the second dielectric layer is very strong. Figure 11 shows that a strong anti-symmetric resonance is present in a second dielectric layer of about 40 nm thickness. Referring to FIGS. 12 to 14, it can be seen that the electric field constraint in the third dielectric layer begins to occur at a wavelength of about 601 nm. Referring to Figs. 8, 11 and 14, it can be seen that the Ex profile (x = 0) along the z direction is exhibited by the strong opposite resonance mode occurring in the respective dielectric layers.
플라즈몬 공명 파장은 금속의 종류, 나노 패턴의 크기, 유전체의 두께 등에 의해 결정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조체는 서로 다른 파장의 플라즈몬 공명을 유도하기 위하여 서로 다른 두께를 갖는 유전체층들을 금속층들 사이에 적층함으로써, 다중 플라즈몬 공명이 유도될 수 있으며, 이에 따라 광대역 광흡수가 효과적으로 유도될 수 있다.The plasmon resonance wavelength can be determined by the kind of the metal, the size of the nanopattern, the thickness of the dielectric, and the like. In order to induce plasmon resonance of different wavelengths, the nanostructure according to an embodiment of the present invention may induce multiple plasmon resonance by laminating dielectric layers having different thicknesses between metal layers, Can be effectively induced.
도 15 및 도 16은 나노 패턴의 크기(D)에 따른 광흡수 스펙트럼 그래프와 약 400 nm 내지 약 750 nm의 파장에서의 평균 광흡수율 그래프이다.15 and 16 are graphs of light absorption spectra according to the size (D) of the nanopattern and graphs of average light absorption at wavelengths of about 400 nm to about 750 nm.
도 15 및 도 16은 도 3의 측정에서 사용된 나노구조체와 동일한 나노구조체에서 직경이 변할 때의 그래프들이다. 도 15 및 도 16을 참고하면, 나노 패턴의 크기에 따라 플라즈몬 공명이 발생하는 파장이 제어될 수 있으며, 이에 따라 평균 광흡수율이 변화될 수 있다. 예를 들어 단위 구조물의 직경은 약 260 nm 내지 약 330 nm일 수 있으며, 이러한 범위 안에 있을 때 평균 광흡수율이 약 90 % 이상이 될 수 있으며, 이에 따라 나노구조체가 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다. 단위 구조물의 직경(D)이 약 250 nm일 때, 단파장과 중파장의 빛은 효과적으로 흡수될 수 있으며 장파장의 빛은 반사될 수 있으며, 이에 따라 선택적 흡수 및 반사가 일어날 수 있다. 단위 구조물의 직경(D)이 약 330 nm일 때, 다중 공명(multiple resonance)이 뚜렷하게 나타날 수 있으므로, 다중 감지(multiple sensing)가 가능하다.Figs. 15 and 16 are graphs when diameters are changed in the same nanostructure as the nanostructure used in the measurement of Fig. Referring to FIG. 15 and FIG. 16, the wavelength at which plasmon resonance occurs can be controlled according to the size of the nanopattern, and thus the average light absorption rate can be changed. For example, the diameter of the unit structure may be from about 260 nm to about 330 nm, and within this range, the average light absorption rate can be about 90% or more, and thus the nanostructure can effectively absorb light. When the diameter (D) of the unit structure is about 250 nm, light of a short wavelength and a medium wavelength can be effectively absorbed and light of a long wavelength can be reflected, so that selective absorption and reflection can occur. When the diameter (D) of the unit structure is about 330 nm, multiple resonance may be conspicuous, so that multiple sensing is possible.
도 17 및 도 18은 나노 패턴의 간격(P)에 따른 광흡수 스펙트럼 그래프와 약 400 nm 내지 약 750 nm의 파장에서의 평균 광흡수율 그래프이다.FIGS. 17 and 18 are graphs of light absorption spectra according to the interval (P) of the nanopatterns and graphs of average light absorption at wavelengths of about 400 nm to about 750 nm.
도 17 및 도 18은 도 3의 측정에서 사용된 나노구조체와 동일한 나노구조체에서 단위 구조물들의 간격이 변할 때의 그래프들이다. 도 17 및 도 18을 참고하면, 단위 구조물들 간의 간격(pitch)의 변화에 따라, 플라즈몬 공명이 발생하는 파장의 변화는 크지 않을 수 있지만, 각 공명 파장에서 발생하는 광흡수율은 제어될 수 있으며, 이에 따라 평균 광흡수율도 제어될 수 있다. 예를 들어 단위 구조물들 간의 간격은 약 380 nm 내지 약 450 nm일 수 있으며, 이러한 범위 안에 있을 때 평균 광흡수율이 약 90 % 이상이 될 수 있으며, 이에 따라 나노구조체가 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다.FIGS. 17 and 18 are graphs when the intervals of unit structures in the same nanostructure as the nanostructure used in the measurement of FIG. 3 are changed. 17 and 18, the variation of the wavelength at which the plasmon resonance occurs may not be large according to the change of the pitch between the unit structures, but the light absorption rate occurring at each resonance wavelength can be controlled, Whereby the average light absorption rate can also be controlled. For example, the spacing between unit structures can be from about 380 nm to about 450 nm, and within this range the average light absorption rate can be at least about 90%, which allows the nanostructures to effectively absorb light .
본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조체는 반사형 디스플레이에 적용될 수 있으며, 박막 또는 유기 태양 전지의 흡수율 증대를 위하여 적용될 수 있으며, 바이오 센서, 화학 센서, 열 방출기(thermal emitter) 등에 적용될 수 있다.The nanostructure according to an embodiment of the present invention can be applied to a reflective display and can be applied to increase the absorption rate of a thin film or an organic solar cell and can be applied to a biosensor, a chemical sensor, a thermal emitter, or the like.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
Claims (9)
상기 기판 위에 위치하는 제1 금속층, 그리고
상기 제1 금속층 위에 위치하는 단위 구조물(unit structure)
을 포함하고,
상기 단위 구조물은 상기 제1 금속층 위에 위치하는 제1 유전체층, 상기 제1 유전체층 위에 위치하는 제2 금속층, 상기 제2 금속층 위에 위치하는 제2 유전체층, 상기 제2 유전체층 위에 위치하는 제3 금속층, 상기 제3 금속층 위에 위치하는 제3 유전체층, 그리고 상기 제3 유전체층 위에 위치하는 제4 금속층을 포함하고,
상기 제1 유전체층, 상기 제2 유전체층, 그리고 상기 제3 유전체층은 서로 두께가 다르고,
상기 제1 유전체층의 두께보다 상기 제2 유전체층의 두께가 더 크고, 상기 제2 유전체층의 두께보다 상기 제3 유전체층의 두께가 더 크고,
680 nm 파장에서, 상기 제1 금속층은 제1차 공명(first-order resonance)을 포함하고, 상기 제1 유전체층은 반대칭 공명(anti-symmetric resonance)을 포함하고, 그리고
648 nm 파장에서, 상기 제2 금속층은 제2차 공명(second-order resonance)을 포함하고, 상기 제2 유전체층은 반대칭 공명을 포함하는 나노구조체.
Board,
A first metal layer located on the substrate, and
A unit structure disposed on the first metal layer,
/ RTI >
The unit structure includes a first dielectric layer positioned on the first metal layer, a second metal layer positioned on the first dielectric layer, a second dielectric layer positioned on the second metal layer, a third metal layer positioned on the second dielectric layer, A third dielectric layer overlying the third dielectric layer, and a fourth metal layer overlying the third dielectric layer,
The first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer have different thicknesses from each other,
The thickness of the second dielectric layer is larger than the thickness of the first dielectric layer, the thickness of the third dielectric layer is larger than the thickness of the second dielectric layer,
At a wavelength of 680 nm, the first metal layer comprises a first-order resonance, the first dielectric layer comprises an anti-symmetric resonance, and
At a wavelength of 648 nm, the second metal layer comprises a second-order resonance, and the second dielectric layer comprises an opposite resonance.
상기 제1 유전체층의 두께는 10 nm 내지 30 nm이며, 인접한 유전체층들의 두께의 차이는 10 nm 내지 30 nm인 나노구조체.
The method of claim 1,
Wherein the first dielectric layer has a thickness of 10 nm to 30 nm and the difference in thickness of adjacent dielectric layers is 10 nm to 30 nm.
상기 제2 금속층의 두께, 상기 제3 금속층의 두께, 그리고 상기 제4 금속층의 두께는 각각 10 nm 내지 50 nm인 나노구조체.
The method of claim 1,
Wherein the thickness of the second metal layer, the thickness of the third metal layer, and the thickness of the fourth metal layer are 10 nm to 50 nm, respectively.
상기 제2 금속층, 상기 제3 금속층, 그리고 상기 제4 금속층은 두께가 서로 동일한 나노구조체.
5. The method of claim 4,
Wherein the second metal layer, the third metal layer, and the fourth metal layer have the same thickness.
상기 나노구조체는 복수개의 단위 구조물들을 포함하고, 상기 복수개의 단위 구조물들은 주기적(periodic)으로 위치하는 나노구조체.
The method of claim 1,
The nanostructure includes a plurality of unit structures, and the plurality of unit structures are periodically positioned.
상기 복수개의 단위 구조물들의 간격(pitch)은 380 nm 내지 450 nm인 나노구조체.
The method of claim 6,
Wherein the plurality of unit structures have a pitch of 380 nm to 450 nm.
상기 단위 구조물의 직경은 260 nm 내지 330 nm인 나노구조체.
The method of claim 1,
Wherein the unit structure has a diameter of 260 nm to 330 nm.
상기 기판 위에 위치하는 제1 금속층,
상기 제1 금속층 위에 위치하는 제1 유전체층,
상기 제1 유전체층 위에 위치하는 제2 금속층,
상기 제2 금속층 위에 위치하는 제2 유전체층,
상기 제2 유전체층 위에 위치하는 제3 금속층,
상기 제3 금속층 위에 위치하는 제3 유전체층,
상기 제3 유전체층 위에 위치하는 제4 금속층을 포함하고,
상기 제1 유전체층, 상기 제2 유전체층, 그리고 상기 제3 유전체층은 서로 두께가 다르고,
상기 제1 유전체층, 상기 제2 금속층, 상기 제2 유전체층, 상기 제3 금속층, 상기 제3 유전체층, 그리고 상기 제4 금속층은 상기 제1 금속층을 노출하는 홀을 포함하고,
상기 제1 유전체층의 두께보다 상기 제2 유전체층의 두께가 더 크고, 상기 제2 유전체층의 두께보다 상기 제3 유전체층의 두께가 더 크고,
680 nm 파장에서, 상기 제1 금속층은 제1차 공명(first-order resonance)을 포함하고, 상기 제1 유전체층은 반대칭 공명(anti-symmetric resonance)을 포함하고, 그리고
648 nm 파장에서, 상기 제2 금속층은 제2차 공명(second-order resonance)을 포함하고, 상기 제2 유전체층은 반대칭 공명을 포함하는 나노구조체.Board,
A first metal layer located on the substrate,
A first dielectric layer overlying the first metal layer,
A second metal layer overlying the first dielectric layer,
A second dielectric layer disposed on the second metal layer,
A third metal layer overlying the second dielectric layer,
A third dielectric layer overlying the third metal layer,
And a fourth metal layer overlying the third dielectric layer,
The first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer have different thicknesses from each other,
Wherein the first dielectric layer, the second metal layer, the second dielectric layer, the third metal layer, the third dielectric layer, and the fourth metal layer include holes that expose the first metal layer,
The thickness of the second dielectric layer is larger than the thickness of the first dielectric layer, the thickness of the third dielectric layer is larger than the thickness of the second dielectric layer,
At a wavelength of 680 nm, the first metal layer comprises a first-order resonance, the first dielectric layer comprises an anti-symmetric resonance, and
At a wavelength of 648 nm, the second metal layer comprises a second-order resonance, and the second dielectric layer comprises an opposite resonance.
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