[논문]표면-플라즈몬 광자 밴드갭

하지 만, 많은 응용분야게서는 금속표면이 주기적으로 변조 된 구조 보다는, 평평한 금속면 위에 유전체가 주기적 으로 변조되어 밴드갭 구조를 이루는 경우를 요구한다. 따라서, 본 연구실에서는 유전체 광자결정 구조를 갖는 표면 플라즈몬 시스템을 연구하고 있는데, 관련 연구 결과들을 소개하면 다음과 같다.
일반적인 진행파에 대한 광자 밴드갭과는 다른 특성을 갖는, 표면 플라즈몬에 대한 광자 밴드갭에 대해 알 아보았다. 직접적인 결상방법을 이용하여 평평한 금속 위에 1차원 유전체 격자가 있을 때 생성되는 표면 플 라즈몬 밴드갭을 실험을 통하여 관측 하였다.

이것은 앞서 금속 격자 에 의한 표면 플라즈몬 밴드갭과는 다른 점을 갖는다. 1차원 경우를 생각해 보면, 서로 다른 유전체로 이루어 져있고 주기가 a인 광자결정이 있다고 가정을 하 자. 그리고 표면 플라즈몬의 파수벡터가 #인 조건을 만족하게 된다면 Bragg 반사에 의해서 유전체 격자 내에 서로 다른 두 개의 정상파를 가진다.

일반적인 진행파에 대한 광자 밴드갭과는 다른 특성을 갖는, 표면 플라즈몬에 대한 광자 밴드갭에 대해 알 아보았다. 직접적인 결상방법을 이용하여 평평한 금속 위에 1차원 유전체 격자가 있을 때 생성되는 표면 플 라즈몬 밴드갭을 실험을 통하여 관측 하였다. 비록 격 자의 깊이가 수십 nm밖에 되지 않고 격자를 이루고 있는 물질간의 굴절률의 비가 크지 않아도 넓은 밴드 갭을 확인할 수 있었다.

그림에서 굵은 실선은 평면파 전개방법으로 구한 결과 이고 두 점선 안에 있는 네모 표시는 엄밀 결합파 방법 으로구한결과이며, 1차원 유전체 격자에 대해서 계산 하였다. 유전체의 유전상수는 2.56이며 계산에 사용된 금속은 은 (Ag) 이며 플라즈마 주파수는 c%= 1.274x1(/이다. 격자의 주기 는 256nm였다.

표면 플라즈몬이 표면 전하 밀도 분포와 결합되어 있는 소멸광파의 성분을 가지고 있기 때문에 표면 플라 즈몬 밴드갭 계산을 위해서 , 기존에 널리 사용되고 있는 평면파 전개방법 (plane-wave expansion method) 을 적용하여 계산 할 수 있다. 또한, 광자 밴드갭이 생 성되는 원리가 파장보다도 작은 구조에서의 회절현상 에 있으므로, 엄밀 결합파 방법 (rigorous coupled- wave method)으로 해석될 수 있다. 그림 1은 평면파 전개 방법으로 구한 결과와 엄밀 결합파 방법으로 구 한 결과를 보여준다.
표면 플라즈몬이 표면 전하 밀도 분포와 결합되어 있는 소멸광파의 성분을 가지고 있기 때문에 표면 플라 즈몬 밴드갭 계산을 위해서 , 기존에 널리 사용되고 있는 평면파 전개방법 (plane-wave expansion method) 을 적용하여 계산 할 수 있다. 또한, 광자 밴드갭이 생 성되는 원리가 파장보다도 작은 구조에서의 회절현상 에 있으므로, 엄밀 결합파 방법 (rigorous coupled- wave method)으로 해석될 수 있다.

이것은 표면 플라즈몬이 표면 에만 구속화 되어 있을 뿐만 아니라 표면에 강한 전기장 분포를 가지기 때문에 가능했다. 그리고 표면 플라즈몬 밴드갭은 다른 광자 밴드갭과는 다르게 격자주기 에 따라 비례하여 변할 수 없는 양임을 알 수 있었다. 이러한 표면플라즈몬 밴드갭의 특성은 유전체 격자를 이용해서 분산관계를 조절 할 수 있고, 또한 표면에 강한 전기장이 생기기 때문에, 고감도 센서 및 비선형 광 학 효과 등을 연구하는데 매우 적합하다고 볼 수 있다.
직접적인 결상방법을 이용하여 평평한 금속 위에 1차원 유전체 격자가 있을 때 생성되는 표면 플 라즈몬 밴드갭을 실험을 통하여 관측 하였다. 비록 격 자의 깊이가 수십 nm밖에 되지 않고 격자를 이루고 있는 물질간의 굴절률의 비가 크지 않아도 넓은 밴드 갭을 확인할 수 있었다. 이것은 표면 플라즈몬이 표면 에만 구속화 되어 있을 뿐만 아니라 표면에 강한 전기장 분포를 가지기 때문에 가능했다.

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