[논문]금 박막에서 표면 플라즈몬 공명과 국소적 밴드 간 천이의 상호작용

강대경; 최봉준; 박종후

doi:10.5369/jsst.2019.28.4.262

[국내논문] 금 박막에서 표면 플라즈몬 공명과 국소적 밴드 간 천이의 상호작용
Interaction Between Surface Plasmon Resonance and Inter-band Transition in Gold Thin Film 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.28 no.4, 2019년, pp.262 - 265

강대경 (경북대학교전기공학과) , (경북대학교전기공학과) , (경북대학교전기공학과) , 최봉준 (한화시스템 전자광학 2팀) , 박종후 (경북대학교전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of inter-band transition on surface plasmon resonance in gold thin film was investigated. We induced localized inter-band transition in the film by using incident light on its surface from a green laser (532 nm) source, and the surface plasmon resonance for inter-band transition was investigated at different wavelengths. It was determined that the reflectivity of blue light (450 nm) was significantly reduced in the region where the green laser was incident. We demonstrated that this decrease is mainly due to the coupling between the blue light and the surface plasmon resonance of excited electrons in higher energy states, based on experimental results for the incident and polarization angle-dependent reflectivity of the blue light.

Keyword

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Measurement setup for the surface plasmon resonance and the inter-band transition
그림 Fig. 2. Surface plasmon extinction curve for a gold/air interface measured at wavelengths of red, green, and blue
그림 Fig. 4. The reflectivity differences of the blue wavelength light as a function of polarization angle of incident light
그림 Fig. 3. (a) Surface plasmon resonance image with green laser OFF(upper panel) and ON (lower panel). The right figures show RGB intensities along the line passing the center of the CCD image. (b) The normalized intensity difference between when the green laser is ON(inter-band transition) and OFF

AI 본문요약
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문제 정의

지금까지 대부분의 표면 플라즈몬 공명 연구는 금속 박막 내 전자가 밴드 간 천이를 일으키지 않는 평형상태에서 이루어 지고 있다. 하지만 본 연구는 표면 플라즈몬 공명 장치에서 금 박막에 녹색 파장의 레이저를 조사하여 국소적으로 밴드 간 천이를 일으키고 이 국소 영역에서의 표면 플라즈몬 공명 현상을 관찰하고 이를 분석하였다. 밴드 간 천이가 일어나는 국소 영역에서 청색 파장대의 반사율이 급격히 낮아지는 것을 관찰하였으며 청색 파장의 반사율은 입사각 및 편광 방향에 의존적임을 실험으로 관찰하였다.
여기서 주목해야 할 점은 녹색 레이저를 조사한 국소 영역에서 청색광의 반사율이 현저히 낮아진 점이다. 본 연구진은 밴드 간 천이 영역에서 보여주고 있는 청색광의 반사율의 감소를 표면 플라즈몬 공명의 결과로 보고 있다. 이를 검증하기 위하여 청색광의 입사각을 변화시켜 가면서 녹색 레이져 조사 유무에 따른 청색광의 반사율을 측정하였다.
본 실험에서는 NBK-7 프리즘, 5 nm의 타이타늄 박막, 50 nm의 금박, 그리고 공기로 이루어진 크레치만 정렬에서 국소적으로 밴드 간 천이가 일어난 영역에서 표면 플라즈몬 공명이 어떻게 나타나는지에 대하여 조사하였다. 금속 박막에 녹색 레이저를 조사하여 국소적으로 밴드 간 천이를 일으켰으며 이 영역에서 청색광의 반사율이 밴드 간 천이가 일어나지 않을 때에 비하여 현저히 감소함을 관찰할 수 있었다.

제안 방법

하지만 본 연구는 표면 플라즈몬 공명 장치에서 금 박막에 녹색 파장의 레이저를 조사하여 국소적으로 밴드 간 천이를 일으키고 이 국소 영역에서의 표면 플라즈몬 공명 현상을 관찰하고 이를 분석하였다. 밴드 간 천이가 일어나는 국소 영역에서 청색 파장대의 반사율이 급격히 낮아지는 것을 관찰하였으며 청색 파장의 반사율은 입사각 및 편광 방향에 의존적임을 실험으로 관찰하였다.
금 박막에 인접하는 유전층으로는 공기층이 사용되었다. 그리고 입사광으로는 백색 다이오드 모듈을 사용하여 적색, 녹색, 그리고 청색 각각에 대한표면 플라즈몬 공명의 관측이 이루어지게 하였으며, 532 nm 파장의 레이저를 활용하여 금 박막 표면의 전자를 밴드 간 천이시킬 수 있도록 구성하였다. TM 편광된 백색 평행광을 만들어주기 위하여 +20 D의 굴절 렌즈와 편광자를 백색 광원과 프리즘 가이에 배치하였다.
그리고 입사광으로는 백색 다이오드 모듈을 사용하여 적색, 녹색, 그리고 청색 각각에 대한표면 플라즈몬 공명의 관측이 이루어지게 하였으며, 532 nm 파장의 레이저를 활용하여 금 박막 표면의 전자를 밴드 간 천이시킬 수 있도록 구성하였다. TM 편광된 백색 평행광을 만들어주기 위하여 +20 D의 굴절 렌즈와 편광자를 백색 광원과 프리즘 가이에 배치하였다. 금 박막 표면에 입사한 후 반사된 빛은 CCD 앞에 결합된 렌즈를 거쳐 CMOS 이미지 센서로 모일 수 있도록 하였으며, 결과 데이터는 PC를 통해 수집하였다.
TM 편광된 백색 평행광을 만들어주기 위하여 +20 D의 굴절 렌즈와 편광자를 백색 광원과 프리즘 가이에 배치하였다. 금 박막 표면에 입사한 후 반사된 빛은 CCD 앞에 결합된 렌즈를 거쳐 CMOS 이미지 센서로 모일 수 있도록 하였으며, 결과 데이터는 PC를 통해 수집하였다. 다음으로 자유 전자를 여기하기 위하여 준비한 레이저 앞에는 편광자와 감쇠기를 사용하여 금박 표면에 조사되는 레이저의 세기가 항상 일정할 수 있도록 조절하였다.
금 박막 표면에 입사한 후 반사된 빛은 CCD 앞에 결합된 렌즈를 거쳐 CMOS 이미지 센서로 모일 수 있도록 하였으며, 결과 데이터는 PC를 통해 수집하였다. 다음으로 자유 전자를 여기하기 위하여 준비한 레이저 앞에는 편광자와 감쇠기를 사용하여 금박 표면에 조사되는 레이저의 세기가 항상 일정할 수 있도록 조절하였다. 끝으로 실험은 프리즘과 금박막 표면 사이의 입사각이 35 도인 지점에서 시작하여 51 도까지 1 도 단위로 측정되었다.
본 연구진은 밴드 간 천이 영역에서 보여주고 있는 청색광의 반사율의 감소를 표면 플라즈몬 공명의 결과로 보고 있다. 이를 검증하기 위하여 청색광의 입사각을 변화시켜 가면서 녹색 레이져 조사 유무에 따른 청색광의 반사율을 측정하였다. Fig.
3(b)는 녹색 레이저가 조사되는 국소 영역에서 청색광의 입사 각도에 따른 반사율의 감소를 보여주고 있다. 녹색 레이저가 OFF와 ON일 때의 청색광의 세기를 측정한 후 두 세기의 차이를 계산하여 정규화 시켰다. 그림에서 보여주는 바와 같이 입사각에 따른 반사율의 차이가 나타나고 있으며 입사각이 47도 일 때 반사율의 감소가 가장 크게 나타나고 있다.

이론/모형

전자빔 증착법을 사용해 증착하였다. 금 박막에 인접하는 유전층으로는 공기층이 사용되었다.

성능/효과

본 실험에서는 NBK-7 프리즘, 5 nm의 타이타늄 박막, 50 nm의 금박, 그리고 공기로 이루어진 크레치만 정렬에서 국소적으로 밴드 간 천이가 일어난 영역에서 표면 플라즈몬 공명이 어떻게 나타나는지에 대하여 조사하였다. 금속 박막에 녹색 레이저를 조사하여 국소적으로 밴드 간 천이를 일으켰으며 이 영역에서 청색광의 반사율이 밴드 간 천이가 일어나지 않을 때에 비하여 현저히 감소함을 관찰할 수 있었다. 청색광의 입사각도 및 편광방향의 변화에 따른 반사율의 감소에 근거하여 이러한 밴드 간 천이 영역에서의 청색광의 반사율의 감소는 표면 플라즈몬으로의 변환으로 추측할 수 있다.
청색광의 입사각도 및 편광방향의 변화에 따른 반사율의 감소에 근거하여 이러한 밴드 간 천이 영역에서의 청색광의 반사율의 감소는 표면 플라즈몬으로의 변환으로 추측할 수 있다. 따라서 밴드 간 천이에 의해 높은 전도대로 여기된 전자도 특정 에너지 및 파수 벡터를 가지는 빛과 결합하여 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈몬 공명의 특성 관찰을 위한 레이져의 파장은?	금 박막에 인접하는 유전층으로는 공기층이 사용되었다. 그리고 입사광으로는 백색 다이오드 모듈을 사용하여 적색, 녹색, 그리고 청색 각각에 대한표면 플라즈몬 공명의 관측이 이루어지게 하였으며, 532 nm 파장의 레이저를 활용하여 금 박막 표면의 전자를 밴드 간 천이시킬 수 있도록 구성하였다. TM 편광된 백색 평행광을 만들어주기 위하여 +20 D의 굴절 렌즈와 편광자를 백색 광원과 프리즘 가이에 배치하였다.
	표면 플라즈몬 파 생성 원리는?	하지만 빛이 프리즘과 같은 고유전체를 통과하여 금속 박막에 입사하는 경우, 입사하는 빛의 분산 관계 (kx = nω ⁄ (csinθint))와 금속 박막의 표면 플라즈몬 분산 관계가 교차하는 지점이 생겨서 표면 플라즈몬 파가 생성이 된다[4,7]. 표면 플라즈몬 공명각은 식 (3)과 같이 각 층의 유전율의 함수로 나타낼 수 있다 [1].
	표면 플라즈몬 공명이란?	표면 플라즈몬 공명은 금속 표면 내 자유 전자의 집단적 공명 진동 현상으로, 금 또는 은과 같이 음의 유전율을 가지는 금속 박막에 TM 편광된 빛이 프리즘을 통과하여 특정 각도로 입사되었을 때 일어나는 광학 특성 중 하나이다[1-3]. 표면 플라즈몬 공명은 프리즘의 유전율 및 금속층과 접하는 유전층이 가지는 유전율에 의하여 공명 각도가 정해지며, 공명각을 가지고 금속 표면에 입사하는 빛은 대부분 표면 플라즈몬 파로 변환되어 금속 박막 표면의 반사율을 급격히 감소시킨다.

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