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문제 정의
- 본 연구에서는 SiQN을 기지상으로 적용한 Au: SiOxN) 나노복합체 박막의 광학적 특성과 광통신 소자용 도파로 소재로서의 효용성을 평가하고자 하였다. 반응 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하고 스퍼터 가스내 아르곤대 질소가스 유량비를 조절함으로써 기지상내 질소 함량을 제어하였다.
- 01 까지 비교적 넓은 범위에서 연속적으로 변화시키는 것이 가능하여 유전체 도파로외에도 gradient-index optics 와 같은 다양한 광학적 응용분야에 적용되고 있다. 본 연구에서는 광도파로의 코어부로 사용되는 나노 복합체 박막의 굴절률을 제어하기 위한 방안으로 SiOxNy을 기지상 재료로 하여 Au 나노입자가 분산된 복합체 박막을 제조하고 그 광학적 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 박막의 제조는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하였으며 금속 나노입자의 형성을 위해 교번증착 (alternating deposition) 공정"''을 적용하였다.
가설 설정
- Fig. 5의 계산에서는 Au 입자의 크기를 3nm로 가정하였다. SiOxN) 유전체 기지상의 광학상수는 B-EMT의 식 (1)을 이용하여 #의 부피분율이 0(A), 10.
제안 방법
- 범위에서 측정하였다. 1550nm 통신파장에서의 광학 특성은 variable angle photometry (VAP)⑹을 이용하여 p파와 s파 각각에 대한 입사각 대비 투과, 반사도를 측정하여 분석하였다. 나노복합체 박막의 광 도파 특성은 Fig.
- 박막은 기판온도 300℃, 작업압력 5mTon에서 증착되었다. SiOxNy 기지상 내 Au 나노입자의 형성은 유전체증과 금속증을 교대로 증착하는 교번 증착 공정 W5을 도입하여 이루어졌다. AU 금속층은 두께를 충분히 얇게 증착하면 실리카 기반 하지층위에서 Volmer- Weber 형태의 island 성장거동을 나타낸다.
- 박막의 제조는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하였으며 금속 나노입자의 형성을 위해 교번증착 (alternating deposition) 공정"''을 적용하였다. SiOxNy 기지상 막은 SiO, 타겟과 플라즈마 활성화 가스로 아르곤 (Ar)과 질소(N2)를 이용한 반응 스퍼터링 (reactive sputtering) 방법으로 증착하였고 질소가스 유량비(NzAAr + NO)를 변화시켜가며 조성을 제어하였다. 제작된 SiOxNy 박막의 조성과 굴절율은 Bruggeman 기하구조를 갖는 유효매질 이론 (effective medium theory)을 적용하여 광학적 방법으로 평가하였다.
- SiOxNy 막을 형성하기 위해 반응 스퍼터링법을 적용하였고 질소가스의 유량을 20 seem으로 고정한 상태에서 아르곤 가스의 유량을 0, 10, 20 seem으로 변화시켜 가며 막 내 질소 함량을 제어하였다. 박막은 기판온도 300℃, 작업압력 5mTon에서 증착되었다.
- 5의 이론계산에서 예측한대로 적색편이하여 530nm에서 흡수피크가 나타남을 확인할 수 있었다. 교번 증착법에 의해 각각 의기 지상 내에 분산된 Au 입자의 형상은 두과전자현미경 (TEM) 분식을 통해 관찰하였다. Fig.
- 7% 에서 증착된 시편) 복합체 슬랩 도파로(slab waveguide) 에 대해, 프리즘 커플러법으, 을 이용하여 1550nm 파장에서 측정한 입사각 대비 도파모드 반사도 곡선을 보여준다. 굴설율 1.936인 gadolinium gallium garnet (GGG) 프리즘을 사용하고 TE 모드에서 관찰하였다. 여기서, 입사각은 대기중에서 전파하는 레이저 빛이 프리즘의 어느 한 입사면과 이루는 각으로 파벡터와 수직인 상태가 0°이고 도파로면과 접촉하고 있는 프리즘 밑면에 평행한 방향이 음의 회전각도 방향으로 정의된다.
- 1550nm 통신파장에서의 광학 특성은 variable angle photometry (VAP)⑹을 이용하여 p파와 s파 각각에 대한 입사각 대비 투과, 반사도를 측정하여 분석하였다. 나노복합체 박막의 광 도파 특성은 Fig. 1에 개략적으로 도시한 프리즘 커플러 장치를 이용하여 1550nm 파장에서의 도파모드를 분석하여, 평가하였다. 선형 편광된 레이저 빔을 A/2 plate를 사용하여 TE 와 TM모드로 구분하여 분석하였고 신호빔은 lock-inamplifier (UA)를 이용하여 정규화 한 값으로 신호 처리하였다.
- Au:SiOxN> 나노 복합체 박막의 광학적 특성은 Maxwell-Gamett 유효매질 이론을 적용하여 해석하였으며 기지상내 질소함량이 증가할수록 표면플라즈몬 공진파장이 적색편이하고 공진 광 흡수 피크가 증가하는 경향을 나타내었다. 나노복합체로 구성된 광 도파로에서의 도파모드 형성은 1550nm 통신 파장 대역에서 프리즘 커플러 방법으로 확인하였다. SiOxNy 기지상은 기존 실리카 기반 광 소자 기술과의 접합성이 매우 우수할 뿐만 아니라, Au 입자의 성장거농에 별다른 교란을 야기하지 않고 굴절율의 미세 조정과 도파 모드 구속조건의 제어를 용이하게 하는 유효한 수단을 제공한다고 판단되며 나노복합체 박막을 이용한 광 도파로 소자 응용에 있어서 큰 잇점을 제공할 것으로 기대된다.
- 2인치 직경의 Au 타겟과 SiO2 타겟에 인가된 RF 파워는 각각 20 W와 80 W 였다. 나노입자 형성을 위해 Au층의 공칭두께(nominal thickness)는 1 nm 로 증착하였고 복합체내 Au 입자의 부피분율이 1%가 되게 Au층과 SiOxNy층의 두께비를 조정하였다. 스퍼터링 가스의 혼합비율에 따른 개별층의 증착속도를 먼저 구하고 이를 토대로 각각의 조건하에서 증착되는 박막의 두께가 일정하게 유지되도록 하였다.
- 효용성을 평가하고자 하였다. 반응 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하고 스퍼터 가스내 아르곤대 질소가스 유량비를 조절함으로써 기지상내 질소 함량을 제어하였다. 증착된 SiOxNy 기지상 막의 광학적 특성은 SiQ:와 SisN.
- 1에 개략적으로 도시한 프리즘 커플러 장치를 이용하여 1550nm 파장에서의 도파모드를 분석하여, 평가하였다. 선형 편광된 레이저 빔을 A/2 plate를 사용하여 TE 와 TM모드로 구분하여 분석하였고 신호빔은 lock-inamplifier (UA)를 이용하여 정규화 한 값으로 신호 처리하였다. 입사각은 최대 각 해상도 0.
- 나노입자 형성을 위해 Au층의 공칭두께(nominal thickness)는 1 nm 로 증착하였고 복합체내 Au 입자의 부피분율이 1%가 되게 Au층과 SiOxNy층의 두께비를 조정하였다. 스퍼터링 가스의 혼합비율에 따른 개별층의 증착속도를 먼저 구하고 이를 토대로 각각의 조건하에서 증착되는 박막의 두께가 일정하게 유지되도록 하였다. 질소 가스의 분율이 증가할수록 Au와 SiOxNy층 모두 증착속도가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 7에는 측정된 도파모드 반사도 데이터를 프리즘, 공기 간극, 나노복합체 도파로, 그리고 유리 기판으로 구성된 다층형 광학구조에 대한 Fresnel 방정식22)으로 이론 fitting한 결과를 함께 나타내었다. 이론 fittinge 나노 복합체의 굴절율과 두께, 그리고 공기 간극층의 두께를 변수로 하여 이루어졌다. 분식 결과, 1550nm 파장에서 Au: SiO2 나노복합체 도파로의 굴절률은 1.
- 증착된 박막의 광 투과, 반사 특성은 UV-VIS spectrometer (Lambda 35, Perkin-Elmer)를 사용하여 250~1100nm 파장 범위에서 측정하였다. 1550nm 통신파장에서의 광학 특성은 variable angle photometry (VAP)⑹을 이용하여 p파와 s파 각각에 대한 입사각 대비 투과, 반사도를 측정하여 분석하였다.
대상 데이터
- Optical absorption spectra measured for the Au : SiO2 (dashed line) and Au:SiOxNy (solid line) nanocomposite films. Insets are the high-resolution plan-view TEM images for the Au-nanoparticles layers sandwiched between two adjacent SiO2(10 nm) layers and SiOxNy(10 nm) layers, respectively.
- 스퍼터링 복합체 박막의 총 두께는 1550nm 통신파장대역에서 광도파모드를 형성할 수 있도록 용융실리카 유리 기판위에 3em 두께로 증착하였다. TEM분석을 위한 시편은 카본 코팅된 Cu grid위에 SiOxNy (10nm)-Au (1 nm) - SiOxNy (lOnm)의 샌드위치 구조로 제작하여 사용하였다.
데이터처리
- 제작된 SiOxNy 박막의 조성과 굴절율은 Bruggeman 기하구조를 갖는 유효매질 이론 (effective medium theory)을 적용하여 광학적 방법으로 평가하였다. Au 나노입자가 SiOxNy 기지상에 분산된 복합체 박막의 광학적 특성은 Maxwell-Gamett 기하구조를 갖는 유효매질이론을 적용하여 기지상의 조성변화에 따른 영향을 이론계산하였으며, 실제 측정된 결과와 비교, 평가하였다. 광 도파특성은 3nm 두께의 슬랩형 광도파로를 제작하여 프리즘 커플러 분석법을 이용하여 평가하고 SiO2 기지상을 적용한 경우와 비교하였다.
- Au 나노입자가 SiOxNy 기지상에 분산된 복합체 박막의 광학적 특성은 Maxwell-Gamett 기하구조를 갖는 유효매질이론을 적용하여 기지상의 조성변화에 따른 영향을 이론계산하였으며, 실제 측정된 결과와 비교, 평가하였다. 광 도파특성은 3nm 두께의 슬랩형 광도파로를 제작하여 프리즘 커플러 분석법을 이용하여 평가하고 SiO2 기지상을 적용한 경우와 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 광도파로의 코어부로 사용되는 나노 복합체 박막의 굴절률을 제어하기 위한 방안으로 SiOxNy을 기지상 재료로 하여 Au 나노입자가 분산된 복합체 박막을 제조하고 그 광학적 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 박막의 제조는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하였으며 금속 나노입자의 형성을 위해 교번증착 (alternating deposition) 공정"''을 적용하였다. SiOxNy 기지상 막은 SiO, 타겟과 플라즈마 활성화 가스로 아르곤 (Ar)과 질소(N2)를 이용한 반응 스퍼터링 (reactive sputtering) 방법으로 증착하였고 질소가스 유량비(NzAAr + NO)를 변화시켜가며 조성을 제어하였다.
- 1550nm 광통신 파장에서의 광학적 특성은 VAP법을이용하여 p파와 s파 각각에 대한 입사각 대비 박막의 투과, 반사도를 측정하여 분식하였다. Fig.
- Au 나노입자는 교번 증착법을 통해 SiOxN) 기지상에 분산되었으며, Au 층의 공칭두께가 Inm인 경우에 실리카 기지상과 마찬가지로 서로 뭉침 없이 구형의 형상을 갖고 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다. Au:SiOxN> 나노 복합체 박막의 광학적 특성은 Maxwell-Gamett 유효매질 이론을 적용하여 해석하였으며 기지상내 질소함량이 증가할수록 표면플라즈몬 공진파장이 적색편이하고 공진 광 흡수 피크가 증가하는 경향을 나타내었다. 나노복합체로 구성된 광 도파로에서의 도파모드 형성은 1550nm 통신 파장 대역에서 프리즘 커플러 방법으로 확인하였다.
- SiOxNy 기지상 및 Au: SiOxNy 나노복합박막의 제작은 RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 이루어졌다. SiOxNy 막을 형성하기 위해 반응 스퍼터링법을 적용하였고 질소가스의 유량을 20 seem으로 고정한 상태에서 아르곤 가스의 유량을 0, 10, 20 seem으로 변화시켜 가며 막 내 질소 함량을 제어하였다.
- 3에 나타내었다. 광학적 분식의 신뢰도를 검증하기 위해 농일한 조건으로 증착된 일부 시편들에 대해 오제전자 분광법 (Auger electron spectroscopy, AES)을 수행하였고 그 결과를 Fig. 3에 함께 표시히였다. 설대값에서는 다소 차이가 발생하지만 전체적인 경향은 대체로 잘 일치하는 결과를 보여준다고 판단된다.
- SiOxNy 기지상 막은 SiO, 타겟과 플라즈마 활성화 가스로 아르곤 (Ar)과 질소(N2)를 이용한 반응 스퍼터링 (reactive sputtering) 방법으로 증착하였고 질소가스 유량비(NzAAr + NO)를 변화시켜가며 조성을 제어하였다. 제작된 SiOxNy 박막의 조성과 굴절율은 Bruggeman 기하구조를 갖는 유효매질 이론 (effective medium theory)을 적용하여 광학적 방법으로 평가하였다. Au 나노입자가 SiOxNy 기지상에 분산된 복합체 박막의 광학적 특성은 Maxwell-Gamett 기하구조를 갖는 유효매질이론을 적용하여 기지상의 조성변화에 따른 영향을 이론계산하였으며, 실제 측정된 결과와 비교, 평가하였다.
성능/효과
- 의 혼합체로 구성된 Bruggemann 유효매질 이론으로 해석되었으며, 이를 통해 굴절률 뿐만 아니라 기지상내에 혼입된 질소분율이 유효한 범위내에서 광학적으로 결정될 수 있음이 확인되었다. Au 나노입자는 교번 증착법을 통해 SiOxN) 기지상에 분산되었으며, Au 층의 공칭두께가 Inm인 경우에 실리카 기지상과 마찬가지로 서로 뭉침 없이 구형의 형상을 갖고 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다. Au:SiOxN> 나노 복합체 박막의 광학적 특성은 Maxwell-Gamett 유효매질 이론을 적용하여 해석하였으며 기지상내 질소함량이 증가할수록 표면플라즈몬 공진파장이 적색편이하고 공진 광 흡수 피크가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 설대값에서는 다소 차이가 발생하지만 전체적인 경향은 대체로 잘 일치하는 결과를 보여준다고 판단된다. 두 가지 분석 결과 모두 스퍼터 가스중의 질소 유량 비가 증가할수록 SiOxNy 박막내의 질소분율 역시 비례해서 증가함을 보여주는데, 이는 질소가스를 이용한 반응 스퍼터링 방법이 SiOxN. 박막 형성에 유효하게 작용하고 있음을 입증한다.
- 이론 fittinge 나노 복합체의 굴절율과 두께, 그리고 공기 간극층의 두께를 변수로 하여 이루어졌다. 분식 결과, 1550nm 파장에서 Au: SiO2 나노복합체 도파로의 굴절률은 1.4625, 두께는 3.12 gm 이고, Au : SiOxN) 도파로의 경우에는 굴절률 1.5026, 두께 3.21의 값이 구해졌다. 비교적 공정제어가 용이한 SiOxN, 기지상내 질소함량 제어만으로 통신파장 대역에서 나노복합체의 굴절율이 실제로 미세 제어되었음을 확인 시켜 준다.
- 21의 값이 구해졌다. 비교적 공정제어가 용이한 SiOxN, 기지상내 질소함량 제어만으로 통신파장 대역에서 나노복합체의 굴절율이 실제로 미세 제어되었음을 확인 시켜 준다.
- 증착된 SiOxNy 기지상 막의 광학적 특성은 SiQ:와 SisN.의 혼합체로 구성된 Bruggemann 유효매질 이론으로 해석되었으며, 이를 통해 굴절률 뿐만 아니라 기지상내에 혼입된 질소분율이 유효한 범위내에서 광학적으로 결정될 수 있음이 확인되었다. Au 나노입자는 교번 증착법을 통해 SiOxN) 기지상에 분산되었으며, Au 층의 공칭두께가 Inm인 경우에 실리카 기지상과 마찬가지로 서로 뭉침 없이 구형의 형상을 갖고 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
- 전반사 조건이 만족되는 입사각 이히에서 형성되는 날카로운 반사도 dipe 계면에 존재히는 에바네슨트장(evanescent field)이 위상정합조건(phase matching condition)이 만족하는 특정 각도에서 슬랩 도파로의 도파모드로 에너지 전이되어 발생하는 것으로 두 가지 기지상 모두 도파모드가 형성되었음을 확인할 수 있다. Fig.
- 스퍼터링 가스의 혼합비율에 따른 개별층의 증착속도를 먼저 구하고 이를 토대로 각각의 조건하에서 증착되는 박막의 두께가 일정하게 유지되도록 하였다. 질소 가스의 분율이 증가할수록 Au와 SiOxNy층 모두 증착속도가 감소하는 경향을 나타내었다. 스퍼터링 복합체 박막의 총 두께는 1550nm 통신파장대역에서 광도파모드를 형성할 수 있도록 용융실리카 유리 기판위에 3em 두께로 증착하였다.
- 2(a)와 (b)는 증착챔버내 아르곤과 질소가스의 상대 유량비를 바꿔가며 300℃ 기판온도에서 제작된 SiOxNy 박막의 광 투과 및 반사 곡선을 나타낸다. 질소가스의 분율이 증가할수록 광 투과도는 감소하고 반사도가 증가함을 알 수 있다. 이것은 질소 가스의 분율 증가에 따라 증착된 SiOxNy 박막내 질소함량도 함께 증가하여 박막의굴절율이 높아졌기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 나노복합체로 구성된 광 도파로에서의 도파모드 형성은 1550nm 통신 파장 대역에서 프리즘 커플러 방법으로 확인하였다. SiOxNy 기지상은 기존 실리카 기반 광 소자 기술과의 접합성이 매우 우수할 뿐만 아니라, Au 입자의 성장거농에 별다른 교란을 야기하지 않고 굴절율의 미세 조정과 도파 모드 구속조건의 제어를 용이하게 하는 유효한 수단을 제공한다고 판단되며 나노복합체 박막을 이용한 광 도파로 소자 응용에 있어서 큰 잇점을 제공할 것으로 기대된다.
- 식 (2)의 분자항에서 알 수 있듯이 기지상 재료의 굴설율 증가는 표면 플라즈몬 공진 현상에 의한 특성 광 흡수를 강화시키는 역할을 한다. 또한, 분모항이 최소화 되는 파장대역을 장파장 영역으로 이동시키는 적색편이 효과도 기대된다. Fig.
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