테라헤르츠 시간축 분광학은 물질의 분자간 진동과 분자의 구조적인 진동을 0.1 테라헤르츠에서 수 십 테라헤르츠 영역에서 80 데시벨 수준의 높은 신호대 잡음비로 측정이 가능한 분광 기법이다. 효율적인 발생 및 검출 기술이 개발된 이후 수십년간 제약, 보안, 통신 및 물질 검출을 포함하는 분광학 영역 등의 다양한 분야에서 테라헤르츠 기술이 응용되었다. 특히 분자 수준으로의 높은 ...
테라헤르츠 시간축 분광학은 물질의 분자간 진동과 분자의 구조적인 진동을 0.1 테라헤르츠에서 수 십 테라헤르츠 영역에서 80 데시벨 수준의 높은 신호대 잡음비로 측정이 가능한 분광 기법이다. 효율적인 발생 및 검출 기술이 개발된 이후 수십년간 제약, 보안, 통신 및 물질 검출을 포함하는 분광학 영역 등의 다양한 분야에서 테라헤르츠 기술이 응용되었다. 특히 분자 수준으로의 높은 민감도 향상을 위해서, 파장 이하 구조에서의 테라헤르츠 전자기파의 증폭 현상이 적용될 수 있다. 파장의 1/10 - 1/10,000 수준의 크기를 가지는 슬롯 안테나는 높은 테라헤르츠 전자기파 증폭을 일으킬 수 있으며, 이는 검출하고자 하는 물질의 흡수단면적 증가를 유도할 수 있으므로 높은 민감도의 물질 검출에 응용될 수 있다.
본 논문에서는 나노슬롯 안테나의 전자기파 증폭 현상을 이용한 테라헤르츠 센싱 기술에 대해 소개한다. 센싱 소자로서, 입사편광에 영향을 받지 않는 나노슬롯 안테나 배열을 이용한 새로운 디자인을 보인다. 기존에 널리 사용되었던 단방향 배열 형태의 나노 슬롯 안테나는 높은 슬롯 밀도를 보이나 Malus law에 의해 실제 측정에 있어서 실험적 오차를 발생시킬 수 있는 여지가 있었다. 이러한 오차를 억제하고자 입사편광에 대한 각 슬롯의 투과/반사에 대한 효과를 서로 상쇄하기 위한 디자인으로 회전대칭을 적용한 슬롯 안테나 배열을 제작하였다. 또한 개별 슬롯의 구조에 의한 기본 공진효과 뿐만 아니라 저주파 대역에서 발생하는 추가적인 공진 현상을 발견하였다. 이는 coupled harmonic oscillator 모델을 통해 해석하였고, 저주파대역의 추가 공진현상의 거동을 coupling strength를 통해 예측하였다. 이러한 결과는 측정에 있어 안정적인 민감도를 보이는 다채널 테라헤르츠 센싱소자로 응용 가능할 것으로 생각한다.
또한 이러한 센싱 소자의 응용 연구로서 DNA에 의한 그래핀의 도핑 효과의 측정에 테라헤르츠 증폭 현상을 적용하여 분석하였다. 2차원 물질인 그래핀은 특별한 전기적 특성 때문에 많은 관심을 받아왔다. 그래핀을 이용한 소자 개발에는 효율적인 도핑 방법이 중요하다. 화학적 도핑은 그래핀의 구조를 훼손하지 않고 전기적 특성을 조정할 수 있기 때문에 다양한 dopant가 연구되었다. 화학적 도핑의 Dopant로서 DNA는 그래핀 표면에 수소결합의 10배 수준의 결합에너지를 보이며 강하게 흡착되며 페르미 레벨을 변화시킨다. 테라헤르츠 분광법은 고유의 낮은 에너지 때문에 밴드간 전이를 유도하지 않아 그래핀의 도핑 현상을 측정하기 위한 방법으로 적합하다. 그래핀의 원자 수준의 짧은 상호작용 거리에 의한 작은 테라헤르츠 투과/반사 신호를 증폭하기 위해 나노슬롯 안테나에 의한 필드 증폭 현상을 적용해 그래핀 표면에 DNA의 막 형태와 종류에 따른 페르미 레벨과 전하이동도 변화를 모니터링 하였다. 본 연구 결과를 통해 그래핀 소자 개발에 도움이 될 수 있기를 희망한다.
테라헤르츠 시간축 분광학은 물질의 분자간 진동과 분자의 구조적인 진동을 0.1 테라헤르츠에서 수 십 테라헤르츠 영역에서 80 데시벨 수준의 높은 신호대 잡음비로 측정이 가능한 분광 기법이다. 효율적인 발생 및 검출 기술이 개발된 이후 수십년간 제약, 보안, 통신 및 물질 검출을 포함하는 분광학 영역 등의 다양한 분야에서 테라헤르츠 기술이 응용되었다. 특히 분자 수준으로의 높은 민감도 향상을 위해서, 파장 이하 구조에서의 테라헤르츠 전자기파의 증폭 현상이 적용될 수 있다. 파장의 1/10 - 1/10,000 수준의 크기를 가지는 슬롯 안테나는 높은 테라헤르츠 전자기파 증폭을 일으킬 수 있으며, 이는 검출하고자 하는 물질의 흡수단면적 증가를 유도할 수 있으므로 높은 민감도의 물질 검출에 응용될 수 있다.
본 논문에서는 나노슬롯 안테나의 전자기파 증폭 현상을 이용한 테라헤르츠 센싱 기술에 대해 소개한다. 센싱 소자로서, 입사편광에 영향을 받지 않는 나노슬롯 안테나 배열을 이용한 새로운 디자인을 보인다. 기존에 널리 사용되었던 단방향 배열 형태의 나노 슬롯 안테나는 높은 슬롯 밀도를 보이나 Malus law에 의해 실제 측정에 있어서 실험적 오차를 발생시킬 수 있는 여지가 있었다. 이러한 오차를 억제하고자 입사편광에 대한 각 슬롯의 투과/반사에 대한 효과를 서로 상쇄하기 위한 디자인으로 회전대칭을 적용한 슬롯 안테나 배열을 제작하였다. 또한 개별 슬롯의 구조에 의한 기본 공진효과 뿐만 아니라 저주파 대역에서 발생하는 추가적인 공진 현상을 발견하였다. 이는 coupled harmonic oscillator 모델을 통해 해석하였고, 저주파대역의 추가 공진현상의 거동을 coupling strength를 통해 예측하였다. 이러한 결과는 측정에 있어 안정적인 민감도를 보이는 다채널 테라헤르츠 센싱소자로 응용 가능할 것으로 생각한다.
또한 이러한 센싱 소자의 응용 연구로서 DNA에 의한 그래핀의 도핑 효과의 측정에 테라헤르츠 증폭 현상을 적용하여 분석하였다. 2차원 물질인 그래핀은 특별한 전기적 특성 때문에 많은 관심을 받아왔다. 그래핀을 이용한 소자 개발에는 효율적인 도핑 방법이 중요하다. 화학적 도핑은 그래핀의 구조를 훼손하지 않고 전기적 특성을 조정할 수 있기 때문에 다양한 dopant가 연구되었다. 화학적 도핑의 Dopant로서 DNA는 그래핀 표면에 수소결합의 10배 수준의 결합에너지를 보이며 강하게 흡착되며 페르미 레벨을 변화시킨다. 테라헤르츠 분광법은 고유의 낮은 에너지 때문에 밴드간 전이를 유도하지 않아 그래핀의 도핑 현상을 측정하기 위한 방법으로 적합하다. 그래핀의 원자 수준의 짧은 상호작용 거리에 의한 작은 테라헤르츠 투과/반사 신호를 증폭하기 위해 나노슬롯 안테나에 의한 필드 증폭 현상을 적용해 그래핀 표면에 DNA의 막 형태와 종류에 따른 페르미 레벨과 전하이동도 변화를 모니터링 하였다. 본 연구 결과를 통해 그래핀 소자 개발에 도움이 될 수 있기를 희망한다.
Terahertz time-domain spectroscopy is a technique to acquire the spectral information of inter-molecular and molecular structural vibration in broadband spectral region from 0.1 THz to 20 THz with high signal-to-noise ratio up to 80 dB. During decades after emerging of sufficient emission and detect...
Terahertz time-domain spectroscopy is a technique to acquire the spectral information of inter-molecular and molecular structural vibration in broadband spectral region from 0.1 THz to 20 THz with high signal-to-noise ratio up to 80 dB. During decades after emerging of sufficient emission and detection methods, the THz-TDS is applied to various application, such as pharmacy, security, communications and spectroscopy with chemical sensing. For more sensitive chemical sensing in molecular level, field-enhancement of THz electromagnetic waves on the resonant sub-wavelength structure is a good candidate. A Slot antenna which have $1/10 \lambda – 1/10,000 \lambda$ geometric scale urges high THz field enhancement which induce enlargement absorption cross-section of chemical near the slot structure. To effective chemical sensing the slot is applied in the form of array of thousands slots.
In this dissertation, THz sensing technique with its applications is introduced. At the first, novel designs of nano-slot antenna array are demonstrated for polarization-independence to incident THz waves. The colinearlly aligned nano-slot array which is applied to ultra-sensitve THz sensing in previous has strong azimuthal angle dependence according to the Malus’ law, which can occur experimental error. For more sensitive THz sensing, rotational symmetric slot array patterns are fabricated to suppress angle dependent transmission/reflection. And additional resonant behavior is observed in the lower frequency region then fundamental resonance determined by the geometry of slot, especially its length. This additional resonance is well interpreted using coupled harmonic oscillator model with prediction of resonance shift by coupling strength. This result can be applied dual-resonant THz sensor with stable sensitivity that is not affected by sensing geometry.
And the nano-slot antenna array is applied to sensing application: the doping effect of graphene by single-stranded deoxyribonucleic acid (DNA). The graphene, as a 2-dimensional materials of atomic thickness, has recently gained attention because of its exotic electric properties. To fabricate graphene devices, efficient doping method is important. Chemical doping was suggested effective doping method without structural damage in various ways. DNA, as a chemical dopant, is well adsorbed to the surface of graphene by high binding energy of ten times of hydrogen bonding with Fermi level shifting. To measure exact doping effect of graphene by DNA, THz waves is appropriate due to its low photon energy which does not cause interband transition. And the THz field-enhancement is applied to amplify transmission changes by extremely short interaction length of atomic scale. The coverage and nucleobases of DNA film on the graphene shows variable doping effect. This result is expected to help fabrication of graphene devices.
Terahertz time-domain spectroscopy is a technique to acquire the spectral information of inter-molecular and molecular structural vibration in broadband spectral region from 0.1 THz to 20 THz with high signal-to-noise ratio up to 80 dB. During decades after emerging of sufficient emission and detection methods, the THz-TDS is applied to various application, such as pharmacy, security, communications and spectroscopy with chemical sensing. For more sensitive chemical sensing in molecular level, field-enhancement of THz electromagnetic waves on the resonant sub-wavelength structure is a good candidate. A Slot antenna which have $1/10 \lambda – 1/10,000 \lambda$ geometric scale urges high THz field enhancement which induce enlargement absorption cross-section of chemical near the slot structure. To effective chemical sensing the slot is applied in the form of array of thousands slots.
In this dissertation, THz sensing technique with its applications is introduced. At the first, novel designs of nano-slot antenna array are demonstrated for polarization-independence to incident THz waves. The colinearlly aligned nano-slot array which is applied to ultra-sensitve THz sensing in previous has strong azimuthal angle dependence according to the Malus’ law, which can occur experimental error. For more sensitive THz sensing, rotational symmetric slot array patterns are fabricated to suppress angle dependent transmission/reflection. And additional resonant behavior is observed in the lower frequency region then fundamental resonance determined by the geometry of slot, especially its length. This additional resonance is well interpreted using coupled harmonic oscillator model with prediction of resonance shift by coupling strength. This result can be applied dual-resonant THz sensor with stable sensitivity that is not affected by sensing geometry.
And the nano-slot antenna array is applied to sensing application: the doping effect of graphene by single-stranded deoxyribonucleic acid (DNA). The graphene, as a 2-dimensional materials of atomic thickness, has recently gained attention because of its exotic electric properties. To fabricate graphene devices, efficient doping method is important. Chemical doping was suggested effective doping method without structural damage in various ways. DNA, as a chemical dopant, is well adsorbed to the surface of graphene by high binding energy of ten times of hydrogen bonding with Fermi level shifting. To measure exact doping effect of graphene by DNA, THz waves is appropriate due to its low photon energy which does not cause interband transition. And the THz field-enhancement is applied to amplify transmission changes by extremely short interaction length of atomic scale. The coverage and nucleobases of DNA film on the graphene shows variable doping effect. This result is expected to help fabrication of graphene devices.
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