KR102377110B1 - Perfect Absorption Efficiency Circular Nanodisk Array Integrated with a Reactive Impedance Surface with High Field Enhancement - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 필드 강화를 갖는 RIS와 통합된 완전 흡수 효과 원형 나노디스크 어레이에 관한 것으로, 제1 두께의 제1 금속 산화물층; 제2 두께의 제2 금속 산화물층; 상기 제1 금속 산화물층과 상기 제2 금속 산화물층 사이의 평면상에 일정한 간격으로 배치되는 복수의 패치 어레이들; 및 상기 제1 금속 산화물층상에 배치되는 나노디스크를 포함한다.The present invention relates to a fully absorptive effect circular nanodisk array integrated with RIS with high field enhancement, comprising: a first metal oxide layer of a first thickness; a second metal oxide layer of a second thickness; a plurality of patch arrays disposed at regular intervals on a plane between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer; and a nanodisk disposed on the first metal oxide layer.
Description
본 발명은 완벽한 IR(infrared) 흡수를 위한 나노디스크 어레이에 관한 것으로, 높은 필드 강화(high field enhancement)를 갖는 RIS(reactive impedance surface)와 통합된 완전 흡수 효과 원형 나노디스크 어레이에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
형태와 구조를 제어함으로써 높은 효율을 얻기 위해 IR 흡수체들의 구조는 활발하게 연구되어 왔다. MIM(metal-insulator-metal) 흡수체들은 단순한 구조들과 면외(out-of-plane) 근거리 커플링을 이용하여 높은 흡수를 실현하기 위한 능력을 제공한다. In order to obtain high efficiency by controlling the shape and structure, the structure of IR absorbers has been actively studied. Metal-insulator-metal (MIM) absorbers offer the ability to realize high absorption using simple structures and out-of-plane near-field coupling.
이와 같은 MIM 흡수체에서, 사각 또는 원형 패치들을 포함하는 금속 구조의 주기적 어레이는 바닥 금속 반사면에서 성장하는 유전체 스페이서 상에 패터닝된다. 여기서 얇은 스페이서는 마그네틱 다이폴 공진을 강하게 하며, 상기 패치 및 상기 반사면 상에서 반대 전류들로부터 효과적인 루프 전류가 흐르게 하기 때문에, 완벽한 흡수를 위해서는 상기 유전체 스페이서는 공진 파장보다 더 얇게 형성되어야 한다(~λ/100). 상기 패치의 측면들에서 LSPP(localized surface plasmon polariton)들에 기인한 진동 전하들(oscillating charges) 및 이미지 전하들(imaged charges)은 반평행(anti-parallel) 전기 다이폴들의 쌍을 여기시킨다. 다이폴 공진 모드 및 금속 손실에 의해 저장된 자기 및 전기 에너지는 완벽한 흡수를 달성하면서, 입사파의 입사 전력을 획득한다. In such a MIM absorber, a periodic array of metal structures comprising square or circular patches is patterned on a dielectric spacer growing on the bottom metal reflective surface. Here, the dielectric spacer must be formed thinner than the resonance wavelength (~λ/ 100). Oscillating charges and imaged charges due to localized surface plasmon polaritons (LSPPs) at the sides of the patch excite a pair of anti-parallel electrical dipoles. The magnetic and electrical energy stored by the dipole resonant mode and metal loss acquires the incident power of the incident wave, while achieving perfect absorption.
따라서 상기 MIM 흡수체로부터 집속된 LSPP들에 의해 야기된 흡수체 동작은 나노미터 스케일과 같은 주변 매체의 변화에도 민감하기 때문에 상기 MIM 흡수체들은 온도 IR 센서, 가스 센서, 바이오 센서, LSPR(localized surface Plasmon resonance) 센서 및 표면 강화 IR 분광기와 같은 센서로 응용될 수 있다.Therefore, because the absorber motion caused by the focused LSPPs from the MIM absorber is sensitive to changes in the surrounding medium such as nanometer scale, the MIM absorber is a temperature IR sensor, a gas sensor, a biosensor, and a localized surface plasma resonance (LSPR). It can be applied as sensors such as sensors and surface-enhanced IR spectrometers.
한편, 완전한 흡수를 위해 초-박형 스페이서를 사용하는 다양한 금속 패치 모양의 MIM 흡수체들이 연구되어 왔다. λ/530 이하의 유전체 스페이서 두께를 갖는 금 나노스트립-기반 MIM은 거의 1.5μm의 파장에서 90% 흡수율을 달성했다. 또한 유사한 스펙트럼에서, 원형, 사각, 및 삼각 패치들을 갖는 10nm 두께의 접지된 Al2O3 기판을 사용하여 95%의 거의 완벽한 흡수율을 달성할 수 있었다. Meanwhile, various metal patch-shaped MIM absorbers using ultra-thin spacers for complete absorption have been studied. A gold nanostrip-based MIM with a dielectric spacer thickness of λ/530 or less achieved 90% absorption at a wavelength of nearly 1.5 μm. Also in a similar spectrum, a near perfect absorption of 95% could be achieved using a 10 nm thick grounded Al 2 O 3 substrate with circular, square, and triangular patches.
그러나 서로 상쇄하기에는 너무 가까운 패치와 반사면들상의 반대 전류들 때문에, 초-박형 스페이서들을 갖는 MIM 흡수체들은 낮은 필드 강화(<100)를 나타낸다. 상기 필드 강화는 입사 필드 세기와 스펙트럼 근처의 여기 필드 사이의 비율(E/E0)로 정의된다.However, MIM absorbers with ultra-thin spacers exhibit low field enhancement (<100) because of opposing currents on the patch and reflective surfaces that are too close to cancel each other. The field enhancement is defined as the ratio (E/E 0 ) between the incident field intensity and the near-spectral excitation field.
MIM 흡수체의 필드 강화를 증가시키기 위한 하나의 방법으로, 금속 패치 영역과 단위 셀 영역 사이의 비율(충전율)을 제어하는 방식이 있다. 상기 목적을 위해, 충전율은 패치 어레이에서 집산 효과(collective effect)를 유지하기 위해 10%보다 더 낮게 설정된다. 즉 19.6%의 고 충전 요소를 갖는 10nm 두께의 접지된 Al2O3 스페이서 상에서의 원형 디스크 어레이는 70의 필드 강화를 제공하지만, 2.18%의 저 충전율을 갖는 접지된 SiO2 스페이서 상에서의 유사한 나노디스크 어레이는 860nm의 파장에서 85의 더 높은 필드 강화를 제공하기 때문이다. One way to increase the field reinforcement of the MIM absorber is to control the ratio (filling factor) between the metal patch area and the unit cell area. For this purpose, the fill factor is set lower than 10% to maintain a collective effect in the patch array. That is, a circular disk array on a 10 nm thick grounded Al 2 O 3 spacer with a high fill factor of 19.6% provides a field enhancement of 70, but similar nanodisks on a grounded SiO 2 spacer with a low fill factor of 2.18%. This is because the array provides a higher field enhancement of 85 at a wavelength of 860 nm.
이는 주어진 초-박형 스페이서에 대해 MIM 흡수체로부터 충전율을 변경시키는 것이 앞서 언급된 상쇄 효과 때문에 100을 훨씬 넘는 필드 강화를 신장시킬 수 없음을 의미한다.This means that, for a given ultra-thin spacer, varying the fill factor from the MIM absorber cannot elongate the field reinforcement well beyond 100 because of the aforementioned offsetting effects.
알려진 바와 같이 상대적으로 더 얇은 접지된 스페이서들 또는 접지 없는 스페이서들을 사용하는 어레이 경우들에 대해, 상기 충전 요소는 흡수율(absorption ratio) 또는 소광율(extinction ratio)을 증가시킬 수 있다. 이전 연구들은, 동상(in-phase) 커플링이 상기 어레이로 인한 산란파들과 개별 디스크 구조의 LSPP들 사이에서 유지될 때, 최대 상호 작용이 발생함을 제안하였다. As is known, for array cases using relatively thinner grounded or ungrounded spacers, the filling element may increase the absorption or extinction ratio. Previous studies have suggested that the maximum interaction occurs when in-phase coupling is maintained between the scattered waves due to the array and the LSPPs of the individual disk structure.
그러나 MIM 흡수체에서 개별 디스크가 가지는 LSPP의 최대 스펙트럼은 스페이서의 두께에 좌우되므로, 주어진 파장에서 흡수 및 필드 강화를 최대화하기 위해 두께 및 충전율이 모두 고려되어야 한다.However, since the maximum spectrum of LSPP of an individual disk in an MIM absorber depends on the thickness of the spacer, both thickness and fill factor must be considered to maximize absorption and field enhancement at a given wavelength.
금속-절연체-금속(metal-insulator-metal; MIM)에 기반한 IR(infrared) 흡수체는 높은 흡수 성능과 단순한 구조 때문에 널리 연구되어 왔다. 그러나 초-박형 스페이서(spacer)들에 기반한 MIM-기반 흡수체들은 필드 강화(low field enhancement)가 낮은 문제들이 있었다.Infrared (IR) absorbers based on metal-insulator-metal (MIM) have been widely studied because of their high absorption performance and simple structure. However, MIM-based absorbers based on ultra-thin spacers have problems with low field enhancement.
본 발명에서는 이러한 단점을 극복하기 위한 새로운 MIM 흡수체 구조를 제안하는 것이라 할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는, 초-박형 스페이서 기반 MIM 흡수체들에서 낮은 필드 강화의 제한을 극복할 수 있는 새로운 IR 흡수체 구조가 채용된 나노디스크 어레이를 제안한다. In the present invention, it can be said that a new MIM absorber structure is proposed to overcome these disadvantages. Accordingly, the present invention proposes a nanodisc array employing a novel IR absorber structure that can overcome the limitation of low field enhancement in ultra-thin spacer-based MIM absorbers.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 원형 나노디스크 어레이는, 제1 두께의 제1 금속 산화물층; 제2 두께의 제2 금속 산화물층; 상기 제1 금속 산화물층과 상기 제2 금속 산화물층 사이의 평면상에 일정한 간격으로 배치되는 복수의 패치 어레이들; 및 상기 제1 금속 산화물층상에 배치되는 나노디스크를 포함한다.A circular nanodisk array for achieving the above object includes a first metal oxide layer having a first thickness; a second metal oxide layer of a second thickness; a plurality of patch arrays disposed at regular intervals on a plane between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer; and a nanodisk disposed on the first metal oxide layer.
바람직하게는, 상기 제1 금속 산화물층은, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함한다.Preferably, the first metal oxide layer includes silicon oxide (SiO 2 ).
바람직하게는, 상기 제1 금속 산화물층은, 범위가 0.5 ~ 100 나노미터인 두께를 갖는다.Preferably, the first metal oxide layer has a thickness ranging from 0.5 to 100 nanometers.
바람직하게는, 상기 제1 금속 산화물층은, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함한다.Preferably, the first metal oxide layer includes silicon oxide (SiO 2 ).
바람직하게는, 상기 제2 금속 산화물층은, 범위가 0.5 ~ 100 나노미터인 두께를 갖는다.Preferably, the second metal oxide layer has a thickness in the range of 0.5 to 100 nanometers.
바람직하게는, 상기 제2 금속 산화물층의 하부에 배치되는 금속판;을 더 포함한다.Preferably, a metal plate disposed under the second metal oxide layer; further includes.
바람직하게는, 상기 금속판은 금(gold)을 포함한다.Preferably, the metal plate comprises gold.
바람직하게는, 상기 복수의 패치 어레이들 사이의 간격은, 0.5 ~ 200nm의 크기를 갖는다.Preferably, an interval between the plurality of patch arrays has a size of 0.5 to 200 nm.
바람직하게는, 각 패치 어레이의 폭은, 상기 패치 어레이들 사이의 간격보다 작으며, 0.5nm 이상의 폭을 갖는다.Preferably, a width of each patch array is smaller than an interval between the patch arrays, and has a width of 0.5 nm or more.
바람직하게는, 상기 복수의 패치 어레이들은, RIS(reactive impedance surface) 패치를 형성한다.Preferably, the plurality of patch arrays form a reactive impedance surface (RIS) patch.
바람직하게는, 제1 금속 산화물층의 제1 두께는, 상기 제2 금속 산화물층의 제2 두께와 동일한 것을 특징으로 한다.Preferably, the first thickness of the first metal oxide layer is the same as the second thickness of the second metal oxide layer.
바람직하게는, 상기 복수의 패치 어레이들 각각은, 정사각형의 형태인 것을 특징으로 한다.Preferably, each of the plurality of patch arrays is characterized in that it has a square shape.
본 발명의 제안된 구조에 따르면, MIM에 RIS(reactive impedance surface)를 이용함으로써 주변 매체와의 임피던스 매칭으로부터 완벽한 흡수를 유지할 수 있다.According to the proposed structure of the present invention, it is possible to maintain perfect absorption from impedance matching with the surrounding medium by using a reactive impedance surface (RIS) for the MIM.
본 발명에 따라 제안된 흡수체는 초-박형 스페이서 없이 필드 강화를 신장시키기 위해 RIS를 이용하며, 진공으로 임피던스 매칭에 의해 완벽에 가까운 흡수를 유지한다.The absorber proposed according to the present invention uses RIS to extend field reinforcement without ultra-thin spacers, and maintains near-perfect absorption by impedance matching with vacuum.
본 발명에 따라 최적의 RIS상에 장착된 최종 원형 나노 디스크 어레이는 230THz에서 98%의 거의 완벽한 흡수율로 180의 전계 강화 요소(electric field enhancement factor)를 제공한다. 또한, 본 발명에 따라 제안된 흡수체는 입사파의 편광 상태 변화에도 성능이 유지된다. The final circular nanodisc array mounted on the optimal RIS according to the present invention provides an electric field enhancement factor of 180 with an almost perfect absorption of 98% at 230 THz. In addition, the absorber proposed according to the present invention maintains its performance even when the polarization state of the incident wave changes.
아울러, 본 발명에 따른 RIS-통합 MIM 흡수체는 국부 표면 플라즈몬 공진 센서의 감도 및 표면 강화 적외선 분광의 감도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.In addition, the RIS-integrated MIM absorber according to the present invention can be used to improve the sensitivity of local surface plasmon resonance sensors and the sensitivity of surface-enhanced infrared spectroscopy.
도 1은 본 발명에 따른 주기적 경계 조건을 사용하는 원형 나노디스크 어레이의 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 SiO2 접지된 기판상에 장착된 원형 나노디스크의 개략도이다.
도 3a 내지 도3d는 본 발명에 따른 접지된 SiO2 기판상에서 단일 나노디스크 및 나노디스크 어레이의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 발명에 따른 PEC 및 PMC 경계 조건을 갖는 금속 패치 단위 셀 및 파형 포트 여기의 개략도이다.
도 4b 및 도 4c는 본 발명에 따른 도 4a의 평면도이다.
도 4d는 본 발명에 따른 도 4a의 반사 위상을 나타내는 도면이다.
도 4e는 본 발명에 따른 도 4a의 패치 너비(W) 및 RIS의 표면 반응을 나타내는 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따른 상부 8 × 8 RIS 패치들이 배치된 나노디스크의 개략도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 RIS 패치 어레이를 위해 60nm 패치 너비(W) 및 125nm 패치 주기(D)를 갖는 구조의 평면도이다.
도 5c는 본 발명에 따른 패치 어레이들의 상부 및 하부에서 SiO2 스페이서들에 대해 T1 = T2 = 50 nm의 두께를 갖는 측면도이다.
도 6a 내지도 도 6d는 본 발명에 따른 RIS 패치의 상부에 RIS 패치 어레이와 결합된 나노디스크 어레이들의 전계 증강 및 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 디스크 중심축을 따라 x-z 평면에서 전계의 z 성분(Ez)을 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따라 제안된 흡수체의 편광 독립성의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a conceptual diagram of a circular nanodisk array using periodic boundary conditions according to the present invention.
2a and 2b are schematic diagrams of a circular nanodisk mounted on a SiO 2 grounded substrate according to the present invention.
3A to 3D are graphs showing the performance of a single nanodisk and a nanodisk array on a grounded SiO 2 substrate according to the present invention.
4A is a schematic diagram of a metal patch unit cell and waveform port excitation with PEC and PMC boundary conditions in accordance with the present invention.
4B and 4C are plan views of FIG. 4A according to the present invention.
4D is a diagram illustrating a reflection phase of FIG. 4A according to the present invention.
Figure 4e is a view showing the patch width (W) and the surface response of the RIS of Figure 4a according to the present invention.
5A is a schematic diagram of a nanodisk on which top 8×8 RIS patches are disposed according to the present invention.
5B is a plan view of a structure having a 60 nm patch width (W) and a 125 nm patch period (D) for a RIS patch array according to the present invention.
5C is a side view with a thickness of T 1 =T 2 =50 nm for SiO 2 spacers at the top and bottom of patch arrays according to the present invention.
6A to 6D are graphs showing the electric field enhancement and absorption rates of the nanodisk arrays combined with the RIS patch array on top of the RIS patch according to the present invention.
7a and 7b are diagrams showing the z component (E z ) of the electric field in the xz plane along the disk central axis according to the present invention.
8A and 8B are graphs showing experimental results of polarization independence of the absorber proposed according to the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시 예에 기초하여 설명한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.Hereinafter, specific contents for carrying out the present invention will be described based on the embodiments with reference to the drawings. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있는 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백히 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless specifically defined explicitly.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily practice the present invention.
금속-절연체-금속(metal-insulator-metal; MIM)에 기반한 IR(infrared) 흡수체는 높은 흡수 성능과 단순한 구조 때문에 널리 연구되어 왔다. 그러나 초-박형 스페이서(spacer)들에 기반한 MIM-기반 흡수체들은 필드 강화(low field enhancement)가 낮은 단점이 있다. Infrared (IR) absorbers based on metal-insulator-metal (MIM) have been widely studied because of their high absorption performance and simple structure. However, MIM-based absorbers based on ultra-thin spacers have a disadvantage in that low field enhancement is low.
후술하는 본 발명에서는 이러한 단점을 극복하기 위한 새로운 MIM 흡수체 구조를 제안한다. 본 발명에 따라 제안된 흡수체는 초-박형 스페이서 구조 없이 필드 강화를 신장시키기 위해 RIS(reactive impedance surface)를 이용하는 것이고, 따라서 임피던스 매칭에 의해 완벽에 가까운 흡수율을 유지할 수 있게 된다. 상기 RIS는 일반적인 금속 반사면들과 달리, 그 표면 임피던스를 변화시킬 수 있는 접지된 유전체 기판상에서의 금속 패치 어레이를 말한다. In the present invention, which will be described later, a new MIM absorber structure is proposed to overcome these disadvantages. The absorber proposed according to the present invention uses a reactive impedance surface (RIS) to extend field reinforcement without an ultra-thin spacer structure, and thus it is possible to maintain a near-perfect absorption rate by impedance matching. The RIS refers to a metal patch array on a grounded dielectric substrate that can change its surface impedance, unlike general metal reflective surfaces.
본 발명에 따르면 이러한 RIS상에 장착된 최종 원형 나노 디스크 어레이는 230THz에서 98%의 거의 완벽한 흡수율로 180의 전계 강화 요소(electric field enhancement factor)를 제공할 수 있다. 아울러 제안된 흡수체는 입사파의 편광(polarization)을 변경시키면서 강한 성능을 제공하게 됨을 확인할 수 있을 것이다. 그리고 상기 RIS - 통합 MIM 흡수체는 국부 표면 플라즈몬 공진 센서의 감도 및 표면 강화 적외선 분광의 감도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.According to the present invention, the final circular nanodisk array mounted on this RIS can provide an electric field enhancement factor of 180 with an almost perfect absorption rate of 98% at 230THz. In addition, it can be confirmed that the proposed absorber provides strong performance while changing the polarization of the incident wave. And the RIS-integrated MIM absorber can be used to improve the sensitivity of local surface plasmon resonance sensors and the sensitivity of surface-enhanced infrared spectroscopy.
상대적으로 더 얇은 접지된 스페이서들 또는 접지 없는 스페이서들을 사용하는 어레이 경우들에 대해, 충전 요소(filling factor)는 흡수율(absorption ratio) 또는 소광율(extinction ratio)을 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여 상술한 바와 같이 이전 연구들은, 동상(in-phase) 커플링이 상기 어레이로 인한 산란파들과 각 엘리먼트의 LSPP들 사이에서 유지될 때, 최대 상호 작용이 발생함을 제안하고 있으며, 이때 MIM 흡수체에서 각 엘리먼트의 LSPP들의 최대 스펙트럼이 스페이서 두께에 좌우되므로, 주어진 파장에서 흡수 및 필드 강화를 최대화하기 위해 두께 및 충전 요소 둘 다 고려되어야 할 것이다. For array cases using relatively thinner grounded or ungrounded spacers, the filling factor may increase the absorption or extinction ratio. In this regard, as described above, previous studies have suggested that maximum interaction occurs when in-phase coupling is maintained between the scattered waves due to the array and the LSPPs of each element, where Since the maximum spectrum of the LSPPs of each element in a MIM absorber depends on the spacer thickness, both the thickness and filling factors will have to be considered to maximize absorption and field enhancement at a given wavelength.
따라서 본 발명에서는, 초-박형 스페이서 기반 MIM 흡수체들에서의 낮은 필드 강화의 제한을 극복할 수 있는 새로운 IR 흡수체 구조를 제안한 것이고, 이러한 구조는 RIS를 이용함으로써 주변 매체와의 임피던스 매칭으로부터 완벽한 흡수율을 유지하도록 한다. Therefore, in the present invention, a novel IR absorber structure that can overcome the limitation of low field enhancement in ultra-thin spacer-based MIM absorbers is proposed, and this structure achieves perfect absorption from impedance matching with the surrounding medium by using RIS. to keep
일반적으로 상기 RIS는 보통의 금속 반사면과 달리, 그 표면 임피던스를 변경할 수 있는 접지된 유전체 기반상의 금속 패치 어레이를 말한다. 이러한 RIS는 공학적으로 표면 임피던스를 통해 근거리 정전 용량 특성을 상쇄시킴으로써 초고주파 주파수들에서 안테나 성능을 개선시키기 위해 주로 안테나 접지 평면으로 사용되어 왔다.In general, the RIS refers to a metal patch array on a grounded dielectric base that can change its surface impedance, unlike a normal metal reflective surface. This RIS has been mainly used as the antenna ground plane to improve antenna performance at very high frequencies by engineering the near-field capacitive property cancellation through surface impedance.
본 발명의 실시예는, 상기 흡수체의 상부에서의 금속 구조는 원형 디스크 어레이를 사용하고, 상기 RIS는 상기 디스크의 정전 용량 본질을 보상하기 위해 사용된다. 이는 MIM-기반 IR 흡수체의 성능을 개선시키기 위해 RIS를 사용하기 위한 첫 번째 시도라 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the metal structure on top of the absorber uses a circular disk array, and the RIS is used to compensate for the capacitive nature of the disk. This is the first attempt to use RIS to improve the performance of MIM-based IR absorbers.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 시뮬레이션들은 4.33% 충전율로 초-박형 유전체 스페이서의 구조없이 원형 나노 디스크를 사용하여 230THz에서(1.3μm 파장에서) 98% 흡수율과 180의 높은 전기장 강화 요소를 달성함을 제시하고 있다. 이러한 구조로부터 전기장 강화의 값은 접지된 초-박형 스페이서들을 갖는 원형 나노디스크들과 연결된 거의 85의 최대 강화 값보다 훨씬 크다. 추가로, 본 발명의 실험에서는, 두 개의 다른 선형 편광 입사파들을 조사함으로써 제안된 흡수체의 편광-독립 특성을 시연하였다. 아울러 제안된 IR 흡수체의 뛰어난 성능은 LSPR 센서들 및 표면-강화 적외선 스펙트럼을 포함하는 센서들의 감도를 증가시키는 데 사용될 수 있다.Various simulations according to an embodiment of the present invention have shown that 98% absorption at 230 THz (at 1.3 μm wavelength) and a high electric field strengthening factor of 180 are achieved using circular nanodisks without the structure of ultra-thin dielectric spacers at 4.33% filling factor. is presenting The value of electric field enhancement from this structure is much greater than the maximum enhancement value of nearly 85 coupled with circular nanodisks with grounded ultra-thin spacers. In addition, in the experiment of the present invention, the polarization-independent properties of the proposed absorber were demonstrated by irradiating two different linearly polarized incident waves. In addition, the superior performance of the proposed IR absorber can be used to increase the sensitivity of LSPR sensors and sensors including surface-enhanced infrared spectra.
<시뮬레이션 방법><Simulation method>
본 발명의 수학적 시뮬레이션들은 유한 요소 방법에 기반한 HFSS(High-Frequency Structure Simulator)를 채용하였다. MIM 흡수체 설계에서, 금속 원소들 및 절연재들은 각각 금(gold) 및 이산화 규소(SiO2)이다. 근접 IR 영역에서의 적절한 모델링을 위해, 이전 실험적 연구들로부터 SiO2를 위한 주파수-의존 유전율값들이 사용되었다. IR 영역에서 금의 유전율 
단일 나노디스크 시뮬레이션들을 위한 에어 박스의 모든 외부 경계들은 방사선 경계에 의해 설정되었다. All outer boundaries of the air box for single nanodisk simulations were set by the radiation boundary.
한편, 원형 나노디스크들의 무한 어레이는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부에서 y-z 및 x-z 평면들 및 방사선 경계들을 따라 PBC(periodic boundary condition)에 의해 실현되었다. 그런 다음, 상기 구조는 정 방향(파형 벡터 k는 음의 z축을 따른다.)으로 x-편광된 입사 평면으로 조사된다. 상기 원형 나노디스크 어레이의 흡수율은 방정식 A=1-(Pr/Pi)-(Pt/Pi)이며, Pr, Pt, 및 Pi는 각각 반사된 전력, 전송된 전력, 입사된 전력이다. 상기 전계 강화 요소는 상기 나노디스크의 에지 아래 핫 스팟 1nm에서 계산된다. 필드 강화는 측정 지점에서의 전계 및 입사 전계의 크기들 사이의 비율(E/E0)로서 정의된다.On the other hand, an infinite array of circular nanodisks was realized by periodic boundary condition (PBC) along the yz and xz planes and radiation boundaries at the top and bottom, as shown in FIG. 1 . The structure is then irradiated with an x-polarized incidence plane in the positive direction (waveform vector k is along the negative z-axis). The absorption rate of the circular nanodisk array is the equation A=1-(P r /P i )-(P t /P i ), where P r , P t , and P i are reflected power, transmitted power, and incident power, respectively. is the power The field strengthening factor is calculated at a
<결과 및 논의들><Results and discussions>
먼저, 본 발명에서는 접지된 SiO2 기판상에 단일 원형 나노디스크를 설계하고, SiO2를 위한 비-초-박형 두께와 230THz에서 최대 필드 증강을 출력하는 디스크의 반경을 선택했다. 둘째로, 최적의 단일 원형 나노디스크를 사용하는 2차원 어레이가 설계되고, 필드 증강을 최대화하기 위해 충전율이 최적화된다. 시뮬레이션들에서, 상기 충전율을 안테나 엘리먼트들(어레이 피치) 사이의 거리를 조작함으로써 조절된다. 여기서, 설계된 나노디스크 어레이는 SiO2가 초-박형 구조가 아니기 때문에 완벽에 가까운 흡수율을 달성할 수 없다. 세 번째로, 본 발명에서는 단일 원형 나노디스크의 단일 셀 영역에 적합한 RIS가 선택된 어레이 피치에 의해 설정되도록 금속 패치 어레이를 설계했다. First, in the present invention, a single circular nanodisk on a grounded SiO 2 substrate was designed, and a non-ultra-thin thickness for SiO 2 and a radius of the disk that output maximum field enhancement at 230 THz were selected. Second, a two-dimensional array using an optimal single circular nanodisk is designed, and the fill factor is optimized to maximize field enhancement. In simulations, the filling factor is adjusted by manipulating the distance between antenna elements (array pitch). Here, the designed nanodisc array cannot achieve near-perfect absorption because SiO 2 is not an ultra-thin structure. Third, in the present invention, a metal patch array is designed so that the RIS suitable for a single cell region of a single circular nanodisk is set by the selected array pitch.
본 발명은 상기 원형 나노디스크 어레이를 RIS의 상부에 장착하고, 필드 증강 및 흡수율을 확인하며, 제안된 IR 흡수체의 특성을 분석했다.In the present invention, the circular nanodisc array was mounted on top of the RIS, the field enhancement and absorption rate were checked, and the characteristics of the proposed IR absorber were analyzed.
SiOSiO 22 기판 상의 원형 나노디스크 Circular nanodisk on a substrate
단일 원형 나노디스크는 방사선 경계에서 SiO2 접지된 기판 위에 설계된다. 설계의 개략도가 도 2에 도시된다. 기판 크기(S), 금 반사면의 두께(Tr) 및 디스크는 각각 1.3 μm, 200 nm, 및 10 nm로 고정된다. x-편광된 평면파(E0 = 1 V/m)는 상기 구조 위로부터 정방향으로 조사되고, 상기 나노디스크의 에지 아래에 전계(E) 1nm가 계산되며, E/E0는 필드 증강 요소를 위해 사용된다. 필드 증강 요소를 정확히 계산하기 위해, 상기 필드 계산 지점을 둘러싸는 10 nm × 10 nm × 10 nm SiO2 박스가 삽입되고, 1nm보다 더 작은 메쉬 크기들이 사용된다. 이러한 시뮬레이션 설정으로, 본 발명에서는 디스크 직경(D)이 235nm, SiO2 두께(Ts)가 40nm가 230THz에서 최대 필드 증강을 제공함을 확인하였다.A single circular nanodisk is designed on a SiO 2 grounded substrate at the radiation boundary. A schematic diagram of the design is shown in FIG. 2 . The substrate size (S), the thickness of the gold reflective surface (T r ), and the disk are fixed at 1.3 μm, 200 nm, and 10 nm, respectively. An x-polarized plane wave (E 0 = 1 V/m) is irradiated in the forward direction from above the structure, an electric field (E) 1 nm below the edge of the nanodisk is calculated, E/E 0 is for the field enhancement element used To accurately calculate the field enhancement factor, a 10 nm×10 nm×10 nm SiO 2 box surrounding the field calculation point is inserted, and mesh sizes smaller than 1 nm are used. With these simulation settings, in the present invention, it was confirmed that the disk diameter (D) of 235 nm and the SiO 2 thickness (T s ) of 40 nm provided the maximum field enhancement at 230 THz.
도 3a는 주파수에 대해 접지된 SiO2 기판상에서의 단일 나노디스크의 전계 증강을 나타낸다. 229THz에서 159의 최대 필드 증강이 발생한다. 본 발명에서는 정확히 230THz에서 공진을 구현하기 위해 나노미터 레벨로 구조를 튜닝하는 것은 피했다. 도 3b는 상기 디스크의 중심축을 따라 x-z 평면에서 전계 분포의 z 성분(Ez)을 디스플레이하며, 이는 강한 전계들이 나노디스크 및 SiO2 기판의 에지들 사이 접점에서 한정되었다. 이러한 전계 집속은 나노디스크 및 금 반사면 사이의 면외 커플링에 기인하였다.3A shows the electric field enhancement of a single nanodisk on a grounded SiO 2 substrate versus frequency. A maximum field enhancement of 159 occurs at 229 THz. In the present invention, tuning the structure to the nanometer level to realize resonance at exactly 230 THz is avoided. Figure 3b displays the z component (E z ) of the electric field distribution in the xz plane along the central axis of the disk, where strong electric fields were confined at the junction between the edges of the nanodisk and the SiO 2 substrate. This field focusing was due to out-of-plane coupling between the nanodisk and the gold reflective surface.
229 THz에서 최대 필드 증강을 갖는 단일 나노디스크를 사용하여, 본 발명에서는 시뮬레이션 경계의 x-z 및 y-z 평면을 따라 마스터 및 슬레이브 경계들을 갖는 2차원 어레이를 설계한다. 1 μm의 안테나 피치 크기(P)는 230THz에서 피크 필드 증강을 출력하며, 이러한 결과는 상기 어레이로부터의 회절 모드와 개별 나노디스크로부터의 LSPP들 사이의 동위상 커플링에 기인할 수 있다.Using a single nanodisk with maximum field enhancement at 229 THz, we design a two-dimensional array with master and slave boundaries along the x-z and y-z planes of the simulation boundary. An antenna pitch size (P) of 1 μm outputs a peak field enhancement at 230 THz, and this result can be attributed to the in-phase coupling between the diffraction mode from the array and the LSPPs from the individual nanodisks.
주어진 디스크 크기를 갖는 이러한 피치 크기는 이전 연구들로부터의 트랜드들을 따르는 4.33%의 충전율과 동일하다. 최적의 피치를 갖는 접지된 40nm-두께 SiO2 기판상에서의 나노디스크 어레이의 전계 증강 및 흡수율은 도 3c 및 도 3d에 제시된다. 상기 어레이 구조에서 나노디스크는 단일 나노디스크로부터의 159의 값과 비교할 때, 174의 더 높은 필드 증강 요소를 갖고 230THz 근처에서 공진을 보여준다. 230THz에서 81%의 흡수율은 상기 디스크가 높은 필드 증강을 달성하도록 설계되었고, 다만 자기 공명이 공기 중에 임피던스 매칭을 실현하기에 충분히 강하지 않기 때문에 완벽한 것은 아니다.This pitch size with a given disk size is equivalent to a fill factor of 4.33% following the trends from previous studies. The field enhancement and absorption rates of the nanodisc array on grounded 40 nm-thick SiO 2 substrates with optimal pitch are presented in FIGS. 3c and 3d. The nanodisks in the array structure show a resonance near 230 THz with a higher field enhancement factor of 174 when compared to a value of 159 from a single nanodisk. Absorption of 81% at 230 THz is not perfect since the disk is designed to achieve high field enhancement, but the magnetic resonance is not strong enough to realize impedance matching in air.
RIS 설계RIS design
본 발명은 완벽한 흡수율 및 높은 전계 증강을 달성하기 위해 나노디스크 어레이와 통합되는 RIS를 설계한다. 상기 RIS는 50 nm 두께 SiO2 접지된 기판(T2)상에서 정사각형 패치 어레이를 구성한다. 여기서 SiO2 의 50 nm 두께 층이 패치 어레이 및 상기 구조의 상부 사이에 스페이서(T1)로서 배치된다. The present invention designs a RIS that is integrated with a nanodisk array to achieve perfect absorption and high electric field enhancement. The RIS constitutes a square patch array on a 50 nm thick SiO 2 grounded substrate (T 2 ). Here a 50 nm thick layer of SiO 2 is disposed as a spacer (T 1 ) between the patch array and the top of the structure.
그리고 상기 SiO2 스페이서의 상부 표면은 반사 계수의 위상을 계산하기 위해 참조 평면으로서 사용되었고, 나노디스크 어레이는 그 위에 장착되었다. 개략도 및 상세 시뮬레이션 설정이 도 4a, 4b, 4c에 제시되었다. 상기 RIS는 표면 리액턴스가 표면 저항에 비해 두드러지기 때문에 공진 주파수 230THz에서 90˚ 반사 위상을 제공하도록 설계된다.And the upper surface of the SiO 2 spacer was used as a reference plane to calculate the phase of the reflection coefficient, and the nanodisk array was mounted thereon. Schematic and detailed simulation setups are presented in Figures 4a, 4b, 4c. The RIS is designed to provide a 90° reflection phase at a resonant frequency of 230 THz because the surface reactance is prominent compared to the surface resistance.
먼저, 본 발명은 나노디스크 어레이의 최적 피치(1μm) 이하로 조절하고 90˚ 반사 위상을 실현하기 위해 패치 너비(W)를 조정하도록 125nm에서 패치 주기(D)를 설정하였다. RIS를 위한 단위 셀 시뮬레이션에서, 금속 패치들의 무한 어레이는 시뮬레이션 경계의 y-z 및 x-z 평면들에서 PEC 및 PMC 경계를 사용하여 모델링되고, 파형 포트(wave port)는 상기 패치의 반사 계수의 크기 및 위상을 결정하기 위해 사용된다. RIS의 표면 리액턴스(Zsurf)는 방정식 
도 4d 및 도 4e는 125nm의 고정된 패치 주기(D)를 갖는 패치 너비(W) 및 주파수의 함수로서 반사 계수 및 표면 리액턴스의 위상을 나타낸다. 상기 반사 계수 및 표면 리액턴스의 위상은 각각 -100˚에서 +100˚으로, -2000 Ω에서 3000 Ω으로 변화된다. 본 발명에서는 230THz에서 90˚ 반사 위상을 제공하는 지점을 파란색 점선으로 표시하였으며, 60nm의 너비가 상기 조건을 만족하고, 해당 표면 리액턴스는 405Ω임을 확인하였다.Figures 4d and 4e show the phase of reflection coefficient and surface reactance as a function of frequency and patch width (W) with a fixed patch period (D) of 125 nm. The phases of the reflection coefficient and the surface reactance are changed from -100° to +100° and from -2000 Ω to 3000 Ω, respectively. In the present invention, a point providing a 90˚ reflection phase at 230 THz is indicated by a blue dotted line, and it was confirmed that a width of 60 nm satisfies the above conditions, and the corresponding surface reactance is 405 Ω.
RIS에서 원형 나노디스크Circular Nanodisk in RIS
마지막으로, 상기 나노디스크 어레이는 RIS로서 기능하는 금속 패치 어레이와 통합된다. 상기 나노디스크는 50 nm-두께 SiO2 스페이서(T1)을 갖는 패치 어레이 상부에 장착된다. 상기 패치 어레이 및 금 반사면 사이의 SiO2 두께(T2)는 50 nm로 설정된다. 도 5는 RIS와 결합된 원형 나노디스크 단위 셀의 개략도이다. 결합된 단위 셀의 전체 영역은 1 μm × 1 μm이며, 상기 나노디스크는 60 nm 패치 너비(W) 및 125 nm 주기 (D)를 갖는 8 × 8 RIS 패치 상에 배치된다.Finally, the nanodisk array is integrated with a metal patch array that functions as a RIS. The nanodisks are mounted on top of a patch array with 50 nm-thick SiO 2 spacers (T 1 ). The SiO 2 thickness (T 2 ) between the patch array and the gold reflective surface is set to 50 nm. 5 is a schematic diagram of a circular nanodisc unit cell coupled with RIS. The total area of the combined unit cell is 1 μm × 1 μm, and the nanodisk is placed on an 8 × 8 RIS patch with a 60 nm patch width (W) and a 125 nm period (D).
60nm-너비 RIS 패치와 T1 및 T2 에 대해 50nm의 값을 갖고 결합된 나노디스크 어레이의 필드 증강 및 흡수율이 도 6a, 도 6b의 적색 라인으로 도시된다. 본 발명에서는 나노디스크 아래 RIS 패치의 추가는 공진 주파수를 239THz로 증가시키고, 반면 필드 증강 및 흡수율은 175 및 85%로 됨을 알 수 있다. 239THz에서의 불완전 흡수는 상기 구조의 표면 임피던스 및 진공의 특성 임피던스 사이의 부정합에 기인할 수 있다. 본 발명에서는, 통합된 구조의 표면 임피던스를 계산하고, 상기 표면 임피던스가 239THz에서 244-j175Ω이며, 이는 진공의 377 Ω보다 더 낮은 저항을 가짐을 알 수 있다. 본 발명의 실험에서는, 또한 RIS 패치(T1 = T2 = 50 nm 및 W = 60 nm)로부터의 표면 인덕턴스가 230THz에서 나노디스크로부터 커패시턴스를 상쇄하지 않았다는 결론에 도달하였다. 230THz에서 공진 주파수를 더 낮추기 위해, 본 발명의 실험에서는 스페이서 두께(T1)를 감소시키고, 이는 디스크로부터 커패시턴스를 증가시키고, 동시에 상기 RIS의 인덕턴스를 감소시킨다.The field enhancement and absorption rates of a 60 nm-wide RIS patch and a nanodisk array coupled with values of 50 nm for T 1 and T 2 are shown by the red lines in FIGS. 6A and 6B . In the present invention, it can be seen that the addition of the RIS patch under the nanodisk increases the resonant frequency to 239 THz, whereas the field enhancement and absorption rates are 175 and 85%. The incomplete absorption at 239 THz can be attributed to the mismatch between the surface impedance of the structure and the characteristic impedance of the vacuum. In the present invention, the surface impedance of the integrated structure is calculated, and the surface impedance is 244-j175 Ω at 239 THz, which can be seen to have a lower resistance than 377 Ω in vacuum. In our experiments, we also reached the conclusion that the surface inductance from the RIS patch (T 1 = T 2 = 50 nm and W = 60 nm) did not cancel the capacitance from the nanodisk at 230 THz. To further lower the resonant frequency at 230 THz, in the experiment of the present invention, the spacer thickness (T 1 ) is reduced, which increases the capacitance from the disk and at the same time reduces the inductance of the RIS.
마지막으로, 10nm의 T1 값은 180의 높은 필드 증강으로 230THz에서 공진을 제공하고, 도 6a 및 도 6b의 청색 라인으로 도시된 바와 같이 230THz에서 거의 완벽한 흡수율(98%)을 제공하였다.Finally, a T 1 value of 10 nm provided a resonance at 230 THz with a high field enhancement of 180, and almost perfect absorption (98%) at 230 THz as shown by the blue line in FIGS. 6A and 6B .
상기 실험으로부터, 상기 10nm의 T1을 갖는 집적된 구조는 230THz에서 377+j39 Ω의 표면 임피던스를 출력하며, 이는 진공의 특성 임피던스와 유사한 저항을 보여준다.From the above experiment, the integrated structure with T 1 of 10 nm outputs a surface impedance of 377+j39 Ω at 230 THz, which shows a resistance similar to the characteristic impedance of vacuum.
본 발명의 실험에서는 230THz에서 60nm-너비 RIS(T1 = 10 nm 및 T2 = 50 nm)에 대한 패치 어레이의 표면 리액턴스를 추가로 계산하였으며, 표면 리액턴스 값은 225Ω이고, 230THz에서 405Ω보다 더 낮음을 증명하였다. RIS들로부터 리액턴스값들이 상기 파형 포트로부터 계산되기 때문에, RIS 근처의 디스크 시팅(sitting)은 다른 리액턴스 값으로 나타난다. In the experiment of the present invention, the surface reactance of the patch array for a 60 nm-wide RIS (T 1 = 10 nm and T 2 = 50 nm) at 230 THz was additionally calculated, and the surface reactance value was 225 Ω, which was lower than 405 Ω at 230 THz. proved. Since the reactance values from the RIS are calculated from the waveform port, disk sitting near the RIS will result in a different reactance value.
상기 디스크의 커패시턴스를 보상하는 RIS의 효과적인 인덕턴스를 예측하기 위해, 본 발명의 실험에서는 LSPP 효과를 반영한 변형(c1을 추가하는 변형)을 갖는 평행 판 캐패시터를 위한 방정식(Cm =c1εdε0A/d)을 사용하여 디스크의 커패시턴스를 계산하였다. 70 nm-두께 SiO2 로 접지 상에 안착하는 원형 디스크(D=235nm)의 커패시턴스(Cm)는 4.4 aF이다. 여기서, 0.2의 조정 상수(fitting constant)(c1)가 상기 디스크 상에서의 비-균질 분산 전하들을 고려하기 위해 사용된다. Cm 은 상기 디스크의 한 에지로부터의 커패시턴스를 가리키며, 그래서, 상기 디스크의 전체 커패시턴스는 2Cm이 되어야 한다. In order to predict the effective inductance of the RIS compensating for the capacitance of the disk, in the experiment of the present invention, the equation (C m =c 1 ε d for a parallel plate capacitor having a deformation that reflects the LSPP effect (a deformation adding c 1 )) ε 0 A/d) was used to calculate the disk capacitance. The capacitance (C m ) of a circular disk (D=235 nm) seated on the ground with 70 nm-thick SiO 2 is 4.4 aF. Here, a fitting constant (c 1 ) of 0.2 is used to account for non-homogeneously dispersed charges on the disk. C m refers to the capacitance from one edge of the disk, so the total capacitance of the disk should be 2C m .
한편, 본 발명의 실시 예는 디스크 자체로부터의 인덕턴스는 상기 레벨이 fH에 근접하기 때문에 무시되었다. 상기 디스크의 마지막 8.8aF 캐패시턴스는 230THz에서 공진을 유지하기 위해 54fH 인덕턴스를 필요로 한다. 최적의 RIS로부터 230THz에서의 225Ω이 156 fH과 균등하기 때문에, 본 발명에서는 상기 파형 포트로부터 계산된 인덕턴스의 약 1/3이 RIS-결합 구조에서 효과적임을 예측할 수 있다. On the other hand, in the embodiment of the present invention, the inductance from the disk itself is ignored because the level is close to fH. The last 8.8aF capacitance of the disk requires 54fH inductance to maintain resonance at 230THz. Since 225Ω at 230THz from the optimal RIS is equivalent to 156 fH, in the present invention, it can be predicted that about 1/3 of the inductance calculated from the waveform port is effective in the RIS-coupled structure.
또한 상기 원형 디스크의 계산된 커패시턴스는 개략적이다. 그러므로, RIS로부터의 효과적인 인덕턴스는 변경될 수 있다. 그러나, 상기 RIS로부터의 인덕턴스의 중요한 부분은 230THz에서 상기 디스크의 커패시턴스를 효과적으로 상쇄시키고 거의 완전한 흡수율을 실현하기 위한 필요함을 인식하는 것이 중요할 것이다.Also, the calculated capacitance of the circular disk is schematic. Therefore, the effective inductance from RIS can be changed. However, it will be important to realize that a significant part of the inductance from the RIS is necessary to effectively cancel the capacitance of the disk at 230 THz and to realize near-complete absorption.
도 6c 및 도 6d는 최적 RIS-통합 구조(T1 = 10 nm 및 T2 = 50 nm) 및 접지된 40nm-두께 SiO2 기판 사이의 필드 증강 및 흡수율을 비교한다. 두 케이스들에 대해 230THz 근처의 피크값들은 필드 증강에서는 180 대 174이고, 흡수율에서는 98% 대 81%이다. 이것은 RIS-통합 흡수체만이 높은 필드 증강(>100)을 따라 두꺼운 SiO2 스페이서에서도 거의 완전한 흡수율을 달성할 수 있음을 의미한다. 6C and 6D compare the field enhancement and absorption rates between an optimal RIS-integrated structure (T 1 =10 nm and T 2 =50 nm) and a grounded 40 nm-thick SiO 2 substrate. For both cases, peak values near 230 THz are 180 versus 174 for field enhancement and 98% versus 81% for absorption. This means that only RIS-integrated absorbers can achieve near-complete absorption even in thick SiO 2 spacers with high field enhancement (>100).
본 발명의 실험에서는 상기 RIS-결합된 흡수체에서 나노디스크를 갖는 핫스팟 및 나노디스크가 없는 핫스팟에서 필드 강도 비율을 추가로 계산하였으며, 값이 140으로 확인되었다. 디스크 없이 1.29V/m의 약간 강화된 필드 강도 때문에, 상기 비율이 필드 강화 요소(180)보다 더 낮게 되었으나 여전히 100보다 더 높은 값을 가진다. In the experiment of the present invention, the field intensity ratio was further calculated in the hotspots with and without nanodisks in the RIS-coupled absorber, and the value was found to be 140. Due to the slightly enhanced field strength of 1.29 V/m without disk, this ratio is lower than the
추가로, 도 6d는 높은 근거리 커플링을 유지하는 SiO2의 증가된 전체 크기 때문에, 상기 RIS상에서의 나노디스크 어레이는 상기 접지된 SiO2 스페이서상에서의 나노디스크 어레이와 비교하여 더 넓은 흡수 대역을 가지게 됨을 알 수 있다. 상기 RIS상의 나노디스크 어레이와 접지된 SiO2 기판의 흡수 대역폭들은 반 최대(half maximum)에서 전체 폭에 기반하여 각각 4.13% 및 3.47%을 나타낸다. Additionally, Figure 6d shows that because of the increased overall size of SiO 2 maintaining high near-field coupling, the nanodisk array on the RIS has a wider absorption band compared to the nanodisk array on the grounded SiO 2 spacer. it can be seen that The absorption bandwidths of the nanodisk array on the RIS and the grounded SiO 2 substrate were 4.13% and 3.47%, respectively, based on the full width at half maximum.
마지막으로, 최종 RIS-통합 MIM 흡수체는 95% 흡수율로 85 근처의 최대 필드 강화를 보여주는 기존 초-박형 스페이서-기반 원형 나노디스크 구조들을 능가한다. 본 발명에 따라 제안된 흡수체로부터 180의 필드 강화(E/E0)는 IR 분광기 응용들에 대해 사용되는 SERS(surface-enhanced Raman scattering) 요소로 변환될 수 있다. SERS 요소는 |E/E0|에 비례하기 때문에, 본 발명에 따라 제안된 흡수체는 다른 흡수체들에 비해 16배 더 높은 SERS 요소를 보여줄 것이다. 추가로, 상기 RIS-통합 흡수체는 109의 SERS 강화가 그 임계 레벨들 107-108 보다 더 높음에 따라 단일 분자 검출을 위해 사용될 수 있다.Finally, the final RIS-integrated MIM absorber outperforms the existing ultra-thin spacer-based circular nanodisc structures showing a maximum field enhancement near 85 with 95% absorption. A field enhancement (E/E 0 ) of 180 from the absorber proposed according to the invention can be converted into a surface-enhanced Raman scattering (SERS) element used for IR spectroscopy applications. Since the SERS factor is proportional to |E/E 0 |, the absorber proposed according to the present invention will show a 16 times higher SERS factor compared to other absorbers. Additionally, the RIS-integrated absorber can be used for single molecule detection as the SERS enrichment of 10 9 is higher than its threshold levels 10 7 -10 8 .
나노디스크 어레이 및 RIS 패치 어레이 사이의 커플링 메커니즘을 이해하기 위해, 본 발명에서는 디스크 중심 축을 따라 x-z 평면에서 전계의 z 성분(Ez)을 계산한다. In order to understand the coupling mechanism between the nanodisk array and the RIS patch array, in the present invention, the z component (E z ) of the electric field is calculated in the xz plane along the disk central axis.
도 7a는 LSPP들 사이의 커플링 및 어레이 회절이 RSS 패치 어레이에 기인하여 분산되지 않으며, 도 7b에서의 나노디스크 어레이로부터의 필드들과 비교하여 강한 필드들이 디스크와 반사면 사이의 넓은 영역에서 유지됨을 보여준다. 이러한 분석으로부터, 본 발명은 RIS 패치와 결합된 나노디스크 어레이로부터 더 높은 필드 강화 및 흡수율이 더 큰 크기에서 강하게 커플링된 필드에 기여될 수 있다는 결론에 도달한다.Fig. 7a shows that the coupling between LSPPs and array diffraction are not dispersed due to the RSS patch array, and strong fields are maintained in a large area between the disc and the reflective surface compared to the fields from the nanodisk array in Fig. 7b. shows From this analysis, the present invention arrives at the conclusion that the higher field enhancement and absorption from the nanodisc array coupled with the RIS patch can be attributed to the strongly coupled field at the larger size.
RIS에 기반한 IR 흡수체의 편극-독립성Polarization-independent of IR absorbers based on RIS
본 발명에서는 편극 독립성을 시연하기 위해 제안된 IR 흡수제의 편극 민감도를 더 조사하였다. 나노디스크의 원형 모양과 RIS의 금속 패치 어레이의 사각형 모양 때문에, x 및 y 편광 입사파에 대해 동일한 광학 반응을 기대했다. 수학적 시뮬레이션에서, 상기 RIS 패치(W = 60 nm, T1 = 10 nm, T2 = 50 nm)로 통합된 원형 디스크 어레이는 상부로부터 정방향으로 추가적으로 y-편향된 입사 평면파로 조사된다.In the present invention, the polarization sensitivity of the proposed IR absorber was further investigated to demonstrate polarization independence. Because of the circular shape of the nanodisk and the rectangular shape of the metal patch array of the RIS, we expected the same optical response for x- and y-polarized incident waves. In the mathematical simulation, the circular disk array integrated into the RIS patch (W = 60 nm, T 1 = 10 nm, T 2 = 50 nm) is irradiated with an additional y-biased incident plane wave in the forward direction from the top.
도 8은 정방향에서 x-편광 및 y-편광 입사 평면파들로 상기 통합된 흡수체의 전계 강화 및 흡수율을 나타낸다. 비록 RIS 패치가 결합되었으나, 상기 파라미터들의 정확한 중첩들은 제안된 흡수체의 편광 독립성을 나타낸다. 원형 나노디스크 아래 RIS 패치 어레이의 체계적 배치는 x-편광 및 y-편광된 입사 필드 케이스들에 대해 안정된 근거리 커플링을 가능하게 한다. 그러므로, RIS-통합된 나노디스크 흡수체의 이러한 편광 독립적 특징은 비편광 또는 임의의 선형 편광된 입사파들에서도 강한 성능을 보장한다.Fig. 8 shows the electric field enhancement and absorption rate of the integrated absorber with x-polarized and y-polarized incident plane waves in the forward direction. Although the RIS patch was coupled, the exact overlaps of these parameters indicate the polarization independence of the proposed absorber. The systematic placement of the RIS patch array under the circular nanodisk enables stable near-field coupling for x-polarized and y-polarized incident field cases. Therefore, this polarization-independent characteristic of the RIS-integrated nanodisc absorber ensures strong performance even in unpolarized or arbitrary linearly polarized incident waves.
RIS 결합된 IR 흡수체의 공정 및 실험Process and Experiment of RIS-coupled IR Absorber
다른 나노구조들과 유사하게, 디스크 및 RIS에 대한 나노미터 스케일 금 가공(< 100 nm)은 EBL(e-beam lithography) 또는 FIB(focused ion beam) 밀링에 의해 패터닝될 수 있으며, 금속 구조체들 사이의 SiO2층들은 ALD(atomic layer deposition)를 사용하여 배치될 수 있다.Similar to other nanostructures, nanometer scale gold processing (< 100 nm) for disk and RIS can be patterned by e-beam lithography (EBL) or focused ion beam (FIB) milling, and between metal structures. SiO 2 layers of can be deposited using atomic layer deposition (ALD).
다중 계층 RIS 결합 나노디스크 어레이에서, SiO2 층들 내의 금 증착 및 디스크와 RIS 패치 사이의 정렬은 어려운 공정이다. 본 발명에서는 매설 나노안테나와 같이 SiO2 층들 내의 금 패터닝은 RIE(reactive ion etching)에 의해 에칭된 식각된 SiO2 기판에서 금을 채움으로써 실현된다. 또한, 두 층들에서 금속 패터닝들 사이의 정렬은 정렬 마스크들을 사용하여 EBL 기술로 해결된다.In a multi-layer RIS coupled nanodisc array, gold deposition in SiO 2 layers and alignment between the disk and the RIS patch is a difficult process. In the present invention, gold patterning in SiO 2 layers, such as a buried nanoantenna, is realized by filling gold in the etched SiO 2 substrate etched by reactive ion etching (RIE). Also, the alignment between the metal patternings in the two layers is solved with EBL technique using alignment masks.
실험들에서, 흡수율은 현미경과 함께 FTIR(Fourier Transform Infrared)을 이용하여 측정될 수 있다. 추가로, 필드 강화는 산란형 스캐닝 방법을 갖는 SNOM(near-field scanning optical microscopy)을 사용하여 측정될 수 있다.In experiments, the absorptivity can be measured using Fourier Transform Infrared (FTIR) with a microscope. Additionally, field enhancement can be measured using near-field scanning optical microscopy (SNOM) with a scattering scanning method.
결론적으로, 본 발명은 고 전계 강화 및 완벽한 흡수를 달성하기 위해 RIS와 결합된 원형 나노디스크 어레이에 기반한 RIS와 결합된 원형 나노디스크 어레이에 기반한 편광 독립성 완벽한 IR 흡수체를 제안한다. In conclusion, the present invention proposes a polarization-independent perfect IR absorber based on a circular nanodisk array coupled with RIS to achieve high electric field enhancement and perfect absorption.
그리고 4.33%의 충전율을 갖는 제안된 흡수체에 따르면 230THz에서 180 전계 강화 값 및 98%의 거의 완전한 흡수율을 나타내고 있다. 이러한 값들은 동일한 충전율을 갖는 접지된 40nm-두께의 SiO2 기판상에서 원형 나노디스크 어레이와 관련하여 174 및 81%보다 더 높은 상태임을 알 수 있다. 따라서 본 발명이 제안하고 있는 MIM 흡수체는 필드 강화가 85 근처에서 포화되는 다른 종래의 초-박형 스페이서-기반의 MIM 흡수체보다 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.And, according to the proposed absorber with a filling factor of 4.33%, it exhibits a 180 field strengthening value at 230 THz and an almost complete absorption rate of 98%. It can be seen that these values are higher than 174 and 81% for circular nanodisk arrays on grounded 40 nm-thick SiO 2 substrates with the same fill factor. Therefore, it can be seen that the MIM absorber proposed by the present invention outperforms other conventional ultra-thin spacer-based MIM absorbers whose field reinforcement is saturated near 85.
아울러 본 발명은 x-편광 및 y-편광 입사파들을 조사함으로써 제안된 흡수체의 편광-독립 특성을 나타낸다. 원형 디스크 및 RIS를 위한 패치들의 체계적인 배열 때문에, 제안된 흡수체는 장점을 보장하면서 입사파의 극성 변화에 안정적이라 할 수 있다. 응용들에서, 뛰어난 필드 강화를 갖는 RIS-통합 MIM 흡수체는 LSPR 센서들 및 표면-강화 적외선 분광기와 같은 센서들의 감도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.In addition, the present invention shows the polarization-independent properties of the proposed absorber by irradiating x-polarized and y-polarized incident waves. Because of the systematic arrangement of patches for circular disk and RIS, the proposed absorber can be said to be stable to the polarity change of the incident wave while guaranteeing advantages. In applications, a RIS-integrated MIM absorber with superior field enhancement can be used to improve the sensitivity of sensors such as LSPR sensors and surface-enhanced infrared spectroscopy.
본 발명은 특정 기능들 및 그의 관계들의 성능을 나타내는 방법 단계들의 목적을 가지고 위에서 설명되었다. 이러한 기능적 구성 요소들 및 방법 단계들의 경계들 및 순서는 설명의 편의를 위해 여기에서 임의로 정의되었다. 상기 특정 기능들 및 관계들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들 및 순서들이 정의될 수 있다. 임의의 그러한 대안적인 경계들 및 순서들은 그러므로 상기 청구된 발명의 범위 및 사상 내에 있다. 추가로, 이러한 기능적 구성 요소들의 경계들은 설명의 편의를 위해 임의로 정의되었다. 어떠한 중요한 기능들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들이 정의될 수 있다. 마찬가지로, 흐름도 블록들은 또한 어떠한 중요한 기능성을 나타내기 위해 여기에서 임의로 정의되었을 수 있다. 확장된 사용을 위해, 상기 흐름도 블록 경계들 및 순서는 정의되었을 수 있으며 여전히 어떠한 중요한 기능을 수행한다. 기능적 구성 요소들 및 흐름도 블록들 및 순서들 둘 다의 대안적인 정의들은 그러므로 청구된 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다.The invention has been described above for the purpose of method steps presenting the performance of specific functions and their relationships. The boundaries and order of these functional components and method steps have been arbitrarily defined herein for convenience of description. Alternative boundaries and orders may be defined so long as the specific functions and relationships are properly performed. Any such alternative boundaries and orders are therefore within the scope and spirit of the claimed invention. In addition, the boundaries of these functional components have been arbitrarily defined for convenience of description. Alternative boundaries can be defined as long as any important functions are properly performed. Likewise, flowchart blocks may also be arbitrarily defined herein to represent any significant functionality. For extended use, the flowchart block boundaries and order may have been defined and still perform some important function. Alternative definitions of both functional components and flowchart blocks and sequences are therefore within the scope and spirit of the claimed invention.
본 발명은 또한 하나 이상의 실시 예들의 용어로, 적어도 부분적으로 설명되었을 수 있다. 본 발명의 실시 예는 본 발명, 그 측면, 그 특징, 그 개념, 및/또는 그 예를 나타내기 위해 여기에서 사용된다. 본 발명을 구현하는 장치, 제조의 물건, 머신, 및/또는 프로세스의 물리적인 실시 예는 여기에 설명된 하나 이상의 실시 예들을 참조하여 설명된 하나 이상의 측면들, 특징들, 개념들, 예들 등을 포함할 수 있다. 더구나, 전체 도면에서, 실시 예들은 상기 동일한 또는 상이한 참조 번호들을 사용할 수 있는 상기 동일하게 또는 유사하게 명명된 기능들, 단계들, 모듈들 등을 통합할 수 있으며, 그와 같이, 상기 기능들, 단계들, 모듈들 등은 상기 동일한 또는 유사한 기능들, 단계들, 모듈들 등 또는 다른 것들일 수 있다.The invention may also have been described, at least in part, in terms of one or more embodiments. Embodiments of the present invention are used herein to represent the present invention, aspects thereof, features thereof, concepts thereof, and/or examples thereof. A physical embodiment of an apparatus, article of manufacture, machine, and/or process embodying the present invention may employ one or more aspects, features, concepts, examples, etc. described with reference to one or more embodiments described herein. may include Moreover, throughout the drawings, embodiments may incorporate the same or similarly named functions, steps, modules, etc., which may use the same or different reference numbers, as such, the functions, The steps, modules, etc. may be the same or similar functions, steps, modules, etc. or others.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, in the present invention, specific matters such as specific components, etc., and limited embodiments and drawings have been described, but these are provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .
Claims (12)
제2 두께의 제2 금속 산화물층;
상기 제1 금속 산화물층과 상기 제2 금속 산화물층 사이의 평면상에 일정한 간격으로 배치되는 복수의 패치 어레이들; 및
상기 제1 금속 산화물층상에 배치되는 나노디스크를 포함하는, 원형 나노디스크 어레이.
a first metal oxide layer of a first thickness;
a second metal oxide layer of a second thickness;
a plurality of patch arrays disposed at regular intervals on a plane between the first metal oxide layer and the second metal oxide layer; and
A circular nanodisk array comprising nanodisks disposed on the first metal oxide layer.
실리콘 산화물(SiO2)을 포함하는, 원형 나노디스크 어레이.
According to claim 1, wherein the first metal oxide layer,
A circular nanodisk array comprising silicon oxide (SiO 2 ).
상기 제1 금속 산화물층은, 범위가 0.5~100 나노미터인 두께를 갖는, 원형 나노디스크 어레이.
3. The method of claim 2,
wherein the first metal oxide layer has a thickness in the range of 0.5-100 nanometers.
실리콘 산화물(SiO2)을 포함하는, 원형 나노디스크 어레이.
According to claim 1, wherein the second metal oxide layer,
A circular nanodisk array comprising silicon oxide (SiO 2 ).
상기 제2 금속 산화물층은, 범위가 0.5~100 나노미터인 두께를 갖는, 원형 나노디스크 어레이.
5. The method of claim 4,
wherein the second metal oxide layer has a thickness in the range of 0.5-100 nanometers.
상기 제2 금속 산화물층의 하부에 배치되는 금속판을 더 포함하는, 원형 나노디스크 어레이.
According to claim 1,
The circular nanodisk array further comprising a metal plate disposed under the second metal oxide layer.
상기 금속판은 금(gold)을 포함하는, 원형 나노디스크 어레이.
7. The method of claim 6,
The metal plate comprises gold (gold), circular nanodisk array.
0.5~200nm의 크기를 갖는 원형 나노디스크 어레이.
According to claim 1, wherein the spacing between the plurality of patch arrays,
A circular nanodisk array with a size of 0.5-200 nm.
각 패치 어레이의 폭은, 상기 패치 어레이들 사이의 간격보다 작으며, 0.5nm이상의 폭을 갖는, 원형 나노디스크 어레이.
9. The method of claim 8,
A circular nanodisk array, wherein a width of each patch array is smaller than an interval between the patch arrays and has a width of 0.5 nm or more.
RIS(reactive impedance surface) 패치를 형성하는, 원형 나노디스크 어레이.
According to claim 1, wherein the plurality of patch arrays,
A circular nanodisk array, forming a reactive impedance surface (RIS) patch.
제1 금속 산화물층의 제1 두께는, 상기 제2 금속 산화물층의 제2 두께와 동일한 것을 특징으로 하는, 원형 나노디스크 어레이.
According to claim 1,
A circular nanodisk array, characterized in that the first thickness of the first metal oxide layer is the same as the second thickness of the second metal oxide layer.
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Non-Patent Citations (3)
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|---|
| Shinpei Ogawa 외 1 'Metal-Insulator-Metal-Based Plasmonic Metamaterial Absorbers at Visible and Infrared Wavelengths : A Review' (Meterials 2018, 2018.03.20.) |
| Tapashree Roy 외 5, ‘Dynamic metasurface lens based on MEMS Technology’ (APL Photonics, 2017.12.31.) |
| 최상조, 아남 모하메드 코이룰, ‘Circular Nanodisk Array on Reactive Impedance Surfaces for Perfect Infrared Absorber with High Field Enhancement’ (2020년도 한국전자파학회 동계종합학술대회 논문집 Vol. 2, 2020.02.22.) |
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