[논문]금 나노 입자의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 상변화 층에서의 전자기파 증폭 해석

강성묵; 박노철; 박영필; 김수경; 이학철; 오명렬; 나광훈; 박강호; 이성규; 이형근; 조용훈; 김려화

문제 정의

본 연구는 상변화층(phase change layer)으로 구성된 미디어 위에 Au 단층 금속 입자 배열을 고정된 영역에 위치시키고 이때 금속 입자간의 거리를 변화시켜 밀도의 변화에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상 및 SPR 커플링(coupling)9-10 효과를 기반으로 하는 근접장 증폭(near-field enhancement) 효과를 극대화 하기 위한 Au 금속 입자 배열의 최적화 연구를 수행하였으며 이러한 증폭 효과가 상변화층에 끼치는 양을 분석하기 위하여 입사빔의 강도(intensity) |E|2 (|E|2=|Ex|2 + |Ey|2 + |Ez|2) 분석 및 전자장의 성분별 분석을 수행하였다.

가설 설정

) 분석 및 전자장의 성분별 분석을 수행하였다. 상변화층 미디어의 구조는 일반적인 CD/DVD-RW 구조를 사용하였으며 상변화 물질은 GeSbTe 재료를 해석 모델로 가정하고 전자기파 시뮬레이션 연구를 수행하였다.

제안 방법

1 에서 보여지고 있다. CD/DVD-RW 미디어 구조를 X=2um, Y=2um 크기로 모델링하고 미디어의 윗면에 X=1um, Y=1um의 고정된 영역에 직경이 20nm 인 구 형태의 Au 나노 입자들을 단일 층으로 위치시켰다. 이때 금속에 전자기파가 가해짐에 따라 매질의 표면에서 수십 nm 이내의 매우 좁은 영역에서는 발생되는 근접장 증폭 효과가 상변화 층에 전달되는 조건을 검토하기 위하여 1ⅹ1 um² 의 영역에서 배열된 Au 입자간의 거리(space)를 X 및 Y 로 동일하게 5nm 씩 증가시켜 밀도 변화를 주었으며 405nm, 658nm, 780nm 의 입사 파장을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
CD/DVD-RW 미디어 구조를 X=2um, Y=2um 크기로 모델링하고 미디어의 윗면에 X=1um, Y=1um의 고정된 영역에 직경이 20nm 인 구 형태의 Au 나노 입자들을 단일 층으로 위치시켰다. 이때 금속에 전자기파가 가해짐에 따라 매질의 표면에서 수십 nm 이내의 매우 좁은 영역에서는 발생되는 근접장 증폭 효과가 상변화 층에 전달되는 조건을 검토하기 위하여 1ⅹ1 um² 의 영역에서 배열된 Au 입자간의 거리(space)를 X 및 Y 로 동일하게 5nm 씩 증가시켜 밀도 변화를 주었으며 405nm, 658nm, 780nm 의 입사 파장을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
법을 이용하여 맥스웰 방정식 (Maxwell equation)의 해석적 수치계산을 수행하였다. 대물렌즈를 통과한 집광된 빔을 구현하기 위하여 스팟 크기(spot size)가 1.1um 이고 X 축 방향으로 선편광 된 가우시안 (Gaussian) 빔을 미디어의 표면에 집광시켜 금속 입자의 표면 플라즈몬 공명 현상이 극대화 될 수 있도록 해석 조건을 설정하였다. 3 차원 모델에 대해 흡수경계조건으로 Liao 를 사용하였으며 해석결과의 안정성과 정확성 확보 및 직경이 20nm 인 Au 나노 입자의 크기를 고려해서 전체 해석 영역에 5ⅹ5ⅹ5 nm³ 의 셀(Cell)을 사용하여 5000 번 이상의 Time Step 을 통한 반복 계산을 수행하였다.
1um 이고 X 축 방향으로 선편광 된 가우시안 (Gaussian) 빔을 미디어의 표면에 집광시켜 금속 입자의 표면 플라즈몬 공명 현상이 극대화 될 수 있도록 해석 조건을 설정하였다. 3 차원 모델에 대해 흡수경계조건으로 Liao 를 사용하였으며 해석결과의 안정성과 정확성 확보 및 직경이 20nm 인 Au 나노 입자의 크기를 고려해서 전체 해석 영역에 5ⅹ5ⅹ5 nm³ 의 셀(Cell)을 사용하여 5000 번 이상의 Time Step 을 통한 반복 계산을 수행하였다. 매질에 대한 유전상수 ¹³ (dielectric constant)는 Modified-Debye 모델 (Model)이 사용되었으며 이때 사용된 Au 나노 입자의 계수는 Table 1 과 같다.
본 연구를 통하여 Au 나노 입자의 주변에서 발생되는 표면 플라즈몬 공명 현상에 의한 근접장 증폭 현상을 CD/DVD-RW 미디어 내부의 상변화층에 전달하는 Au 나노 입자 배열의 구조 및 입사 파장의 조건을 FDTD 해석을 통하여 분석하였다. 입사되는 파장이 780nm 및 658nm 파장인 경우 Au 나노 입자끼리 접촉되어 있는 단층 배열 구조는 상변화층으로 전자파를 증폭 및 투과 시킬 수 없었지만 약 5~15nm 정도의 거리 간격을 가진 Au 나노 입자 배열은 입사되는 전자파를 증폭시켜 상변화층에 그 영향을 전달 할 수 있었다.

이론/모형

제안된 모델의 수치 해석 방법은 유한차분시간영역해석 FDTD (finite difference time domain)^11-12 법을 이용하여 맥스웰 방정식 (Maxwell equation)의 해석적 수치계산을 수행하였다. 대물렌즈를 통과한 집광된 빔을 구현하기 위하여 스팟 크기(spot size)가 1.
3 차원 모델에 대해 흡수경계조건으로 Liao 를 사용하였으며 해석결과의 안정성과 정확성 확보 및 직경이 20nm 인 Au 나노 입자의 크기를 고려해서 전체 해석 영역에 5ⅹ5ⅹ5 nm³ 의 셀(Cell)을 사용하여 5000 번 이상의 Time Step 을 통한 반복 계산을 수행하였다. 매질에 대한 유전상수 ¹³ (dielectric constant)는 Modified-Debye 모델 (Model)이 사용되었으며 이때 사용된 Au 나노 입자의 계수는 Table 1 과 같다.

성능/효과

입사되는 파장이 780nm 및 658nm 파장인 경우 Au 나노 입자끼리 접촉되어 있는 단층 배열 구조는 상변화층으로 전자파를 증폭 및 투과 시킬 수 없었지만 약 5~15nm 정도의 거리 간격을 가진 Au 나노 입자 배열은 입사되는 전자파를 증폭시켜 상변화층에 그 영향을 전달 할 수 있었다. 즉, 밀도가 높은 Au 나노 입자의 배열 구조는 658nm 및 780nm 의 파장에서 근접장 증폭 현상에 의해 입사 빔의 강도 대비 약 60% 및 80%까지 상변화층에 광 증폭 효과를 전달 할 수 있을 것으로 보여진다. 본 해석 결과를 통하여 표면 플라즈몬 공명 현상 및 SPR 커플링 효과에 의해 발생된 근접장 증폭 현상을 이용한다면 Au 나노 입자의 밀도가 높은 부분에서 증간된 열을 CD/DVD-RW 미디어의 상변화층에 전달하여 정보를 기록 할 수 있을 것으로 기대 된다.

후속연구

즉, 밀도가 높은 Au 나노 입자의 배열 구조는 658nm 및 780nm 의 파장에서 근접장 증폭 현상에 의해 입사 빔의 강도 대비 약 60% 및 80%까지 상변화층에 광 증폭 효과를 전달 할 수 있을 것으로 보여진다. 본 해석 결과를 통하여 표면 플라즈몬 공명 현상 및 SPR 커플링 효과에 의해 발생된 근접장 증폭 현상을 이용한다면 Au 나노 입자의 밀도가 높은 부분에서 증간된 열을 CD/DVD-RW 미디어의 상변화층에 전달하여 정보를 기록 할 수 있을 것으로 기대 된다.

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