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금속 나노 입자의 광학적 성질 이해를 위한 유전율 함수의 가상 모델
Model Dielectric Functions for Understanding Optical Properties of Metal Nanoparticles 원문보기

조선자연과학논문집 = Journal of the chosun natural science, v.2 no.2, 2009년, pp.59 - 64  

류설 (조선대학교 자연과학대학 화학과)

초록
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금속 나노 입자의 표면편재 플라즈몬 공명 주파수에 영향을 미치는 금속의 유전율은 조사된 빛의 파장 값에 의존하는 함수로 표현된다. 본 연구에서는 유전율의 실수부와 허수부 값을 체계적으로 변화시킬 수 있는 가상의 금속 나노 막대를 대상으로, 이산 쌍극자 근사(Discrete dipole approximation)를 사용하여, 광학적 성질을 계산하였다. 계산 결과, 유전율 함수의 실수부가 선형적으로 감소하는 경우에는 금속의 크기가 커짐에 따라 최대 소광이 나타나는 피크가 긴 파장영역으로 이동했고, 반대로 실수부가 선형적으로 증가하는 경우에는 최대 소광이 나타나는 피크가 짧은 파장영역으로 이동함을 알 수 있었다. 허수부 값을 증가시켰을 경우에는, 실수부에 관계없이 그 값이 증가함에 따라 피크의 세기가 감쇠하는 경향을 보였다.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 표면편재 플라즈몬 공명 주파수에 영향을 미치는 금속의 유전율 함수는 축전기의 두 전극 사이에 유전체를 넣었을 경우와 넣지 않았을 경우에 전기용량의 비율로서 유전체의 성질을 나타내는 기본상수이다. 금속의 유전율 함수는 실수부와 허수부로 이루어져 있는데, 이제부터는 각각이 어떤 영향을 미치는지 가상 모델을 사용하여 알아보고자 한다. 금 나노 입자와 비슷한 유전율 함수를 가지고 있는 반지름이 40 nm인 구가 물속에 들어있다고 가정하고 Mie이론을 계산 하였다.
  • 와 같은 다양한 방법을 통해 고찰할 수 있다. 본 연구에서 DDA를 이용하여, 유전율의 가상적인 모델에 따른 광학적 특성에 대해 설명하고자 한다. 이 모델에 대한 계산 결과를 분석하게 된다면, 금, 은, 구리 등 다양한 금속들의 광학적 성질을 이해하는데 상당한 도움이 될 것으로 예상된다.
  • 이어서 Mie 이론과 DDA 방법에 대해 간략하게 언급하고, 유전율의 가상적인 모델을 사용한 계산결과를 설명하고자 한다.

가설 설정

  • 중 DDA방법은 임의의 크기와 모양을 가진 나노 입자의 광학 성질 연구에 적합하고, 또한 앞으로 만들어질 많은 다양한 모양의 입자들에 대해서 적용이 편리하다. DDA는 금속 입자를 정육각형 격자의 공간에 N개의 분극성을 갖는점들로 표현하고, 여기에 외부 전자기장에 의한 유도 쌍극자들이 만들어 지는 것을 가정한다.
  • 금속의 유전율 함수는 실수부와 허수부로 이루어져 있는데, 이제부터는 각각이 어떤 영향을 미치는지 가상 모델을 사용하여 알아보고자 한다. 금 나노 입자와 비슷한 유전율 함수를 가지고 있는 반지름이 40 nm인 구가 물속에 들어있다고 가정하고 Mie이론을 계산 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
금속의 유전율 함수를 이산 쌍극자 근사법을 이용하여 분석한 결과 계산 결과는 어떻게 나타났는가? 유전율 함수의 가상 모델을 세워, 금속의 광학적 성질에 이들이 어떻한 영향을 미치는지, 이산 쌍극자 근사법을 이용하여 가늠해 보았다. 계산 결과는 유전율 함수의 실수부가 선형적으로 감소하는 경우에는 금속의 크기가 커짐에 따라 최대 소광이 나타나는 피크가 긴 파장영역으로 이동하고, 반대로 실수부가 선형적으로 증가하는 경우에는 최대 소광이 나타나는 피크가 짧은 파장영역으로 이동함을 알 수 있었다. 이로써 금속의 크기에 따라 최대 소광이 나타나는 파장영역의 이동은 금속의 유전율 함수의 실수부에 의존하는 값임을 확인 할 수 있었다. 허수부 값에 따른 변화를 알아보기 위해서 허수부 값을 증가시키면서 계산해 보았을 때에는, 실수부에 관계없이 허수부 값이 증가함에 따라 피크의 세기가 감소, 즉 공명 효과를 떨어뜨리는 효과를 나타내었다. 결론적으로, 실제 금속 나노 광학적 성질에 본 연구로부터 발견된 사실들을 적용한다면, 보다 쉬운 해석이 가능할 것으로 보인다.
표면편재프라즈몬이란 무엇인가? 빛과 금속 나노 입자들의 상호작용은 금속 표면에 표면편재프라즈몬(Localized surface plasmon resonance, LSPR)을 형성하며, 이것은 소광, 흡수, 산란과 같은 다양한 광학적 성질에 영향을 줌이 알려져 있다.[1] 표면편재프라즈몬은 외부 전기장에 의해 자유 전자 구름이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 따라서, 특정 금속을 선택하고 나노 입자의 크기를 조절하는 것은 나노 입자의 광학적 성질을 변화시키기 위한 매우 실질적인 방법이다.
표면편재 플라즈몬 공명 주파수에 영향을 미치는 금속의 유전율 함수는 어떤 값으로 이루어져 있는가? 표면편재 플라즈몬 공명 주파수에 영향을 미치는 금속의 유전율 함수는 에너지를 많이 모을 수 있는 정도를 나타내는 실수부와 에너지를 얼마나 분산, 소실시킬수 있는지에 대한 척도를 나타내는 허수부로 이루어져 있다. 유전율 함수의 가상 모델을 세워, 금속의 광학적 성질에 이들이 어떻한 영향을 미치는지, 이산 쌍극자 근사법을 이용하여 가늠해 보았다.
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