초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 그래핀을 이용해 초광대역 테라헤르츠 광원을 개발하는 것임. 현재까지 개발된 테라헤르츠 파를 발생시킬 수 있는 장비의 가격이 높고 주파수 대역이 제한적인 반면, 그래핀을 이용한 테라헤르츠 광원은 대량 생산이 가능하고 주파수 대역을 자유롭게 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있음. 물리적으로 그래핀의 밴드 구조는 밴드갭이 없는 선형 구조로서 population inversion상태에서 stimulated emission을 통해 테라헤르츠 파를 발생시킬 것으로 예상되었음. 그래핀에서 popula

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 그래핀을 이용해 초광대역 테라헤르츠 광원을 개발하는 것임. 현재까지 개발된 테라헤르츠 파를 발생시킬 수 있는 장비의 가격이 높고 주파수 대역이 제한적인 반면, 그래핀을 이용한 테라헤르츠 광원은 대량 생산이 가능하고 주파수 대역을 자유롭게 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있음. 물리적으로 그래핀의 밴드 구조는 밴드갭이 없는 선형 구조로서 population inversion상태에서 stimulated emission을 통해 테라헤르츠 파를 발생시킬 것으로 예상되었음. 그래핀에서 population inversion 유도를 위해 Micra 및 Regenerative amplifier (RegA) 기반의 pulse 레이저 시스템이 구축되었음. RegA에서 발생한 4 μJ 세기의 초고속 pulse는 그래핀의 전하를 여기시켜 population inversion 상태를 유도할 수 있음.

연구결과
Pulse 레이저에 의해 여기된 그래핀의 상태 분석을 위해 다양한 빛의 파장에서 pump-probe 실험이 진행되었음. 광학적으로 여기된 그래핀의 전하는 Si, GaAs, Ge 등의 기존의 반도체 물질이 보인 재결합 속도 (~ns)보다 매우 빠른 속도 (~ps)로 완화되는데, 이는 그래핀의 밴드 구조가 밴드갭이 없고 phonon을 통한 에너지 발산이 배우 빠르게 이루어지 때문임. 테라헤르츠 펄스의 duration time이 ps 단위임을 감안했을 때, 그래핀 전하의 빠른 완화 속도는 테라헤르츠 영역에서 stimulated emission을 크게 제한함. 테라헤르츠 펄스 duration보다 빠르게 완화된 그래핀은 테라헤르츠 영역에서 stimulated emission을 발생시키기 어려움이 밝혀짐. 본 연구진은 테라헤르츠 발생 시스템을 개발하기 위해 그래핀의 밴드 구조보다는 그래핀의 비선형성에 주목하여 새로운 개념의 테라헤르츠 발생 시스템을 고안하였음. ps단위로 변화하는 그래핀의 전도도는 테라헤르츠 파의 비선형성을 일으킬 것으로 기대되었음. 또한 그래핀의 비선형성을 극대화하기 위해 인공구조물을 그래핀에 결합하였음. 본 연구를 위해 제작인 인공 구조는 금속 기반의 메타물질로서 특정 테라헤르츠 파장 영역에서 강한 공진을 유도하는 특징을 보임. 두 개의 파장에서 공진을 보유한 메타물질과 그래핀을 결합함으로써 테라헤르츠 영역에서 작동하는 그래핀 광원을 개발할 수 있었음. 광학적으로 여기된 그래핀과 메타물질이 결합된 구조는 메타물질 두 개의 공진의 차이에 해당하는 새로운 테라헤르츠 주파수를 발생시킴.

연구결과의 활용계획
기존의 그래핀 연구는 전기적으로 그래핀의 높은 전하 이동도와 강한 내구도를 기반으로 트랜지스터와 같은 전자 소자 분야를 개발하는 것에 집중되었음. 본 연구 결과는 그래핀이 보유한 광학적 가치를 발굴한 최초의 연구로서, 수 ps 단위로 변화하는 그래핀의 광학적 전도도는 광통신 분야에서 빛을 스위칭하는 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대됨. 특히 테라헤르츠 파 영역에서 비선형성을 일으키는 그래핀 메타물질은 전자기 믹싱을 이용함으로써 테라헤르츠 주파수 기반 통신 시스템을 구축할 수 있을 것으로 기대됨. 그래핀 메타물질에서 발생하는 테라헤르츠 파의 효율을 높이기 위해 다양한 메타물질 구조가 개발될 것이며, 그래핀 메타물질을 적층함으로써 테라헤르츠 파의 세기를 증폭시키는 기술이 개발될 계획임.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
The purpose of this proposal is to develop an ultrabroadband terahertz light source based on graphene. While the current terahertz light source devices are expensive with limited band frequency, graphene terahertz light sources are cheaper and have tunable frequency. Since graphe

Purpose&contents
The purpose of this proposal is to develop an ultrabroadband terahertz light source based on graphene. While the current terahertz light source devices are expensive with limited band frequency, graphene terahertz light sources are cheaper and have tunable frequency. Since graphene has a linear band structure with no band gap, we expected to achieve terahertz waves from stimulated emission by inducing population inversion. We developed a pulse laser system with Micra and Regenerative amplifier (RegA) to induce population inversion in graphene. The ultrafast pulse from RegA with power of 4 μJ excites graphene charges and induces population inversion.

Result
To analyze the photo-excited state of graphene, we conducted pump-probe experiments with various pump and probe wavelengths. Optically excited graphene charges recombine at a faster rate (~ps) than that of conventional semiconductors (~ns) due to the gapless bandstructure and fast energy emission through phonons.
Considering that terahertz pulse duration is in the ps sclae, the fast relaxation rate of graphene charges largely limits the stimulated emission at terahertz frequencies.
Hence we focused on the nonlinearity of graphene instead of the gapless band structure to develop a terahertz light source. The time-varying conductivity of graphene in the ps scale is expected to function as a terahertz nonlinear device.
Additionally, we integrated graphene with an artificial structure to maximize graphene nonlinearity. This artificial structure is a metamaterial composed of metal and characterized by the strong resonances at a specific terahertz frequency. By integrating graphene with this metamaterial, which has resonances at two terahertz frequencies, we can develop graphene light sources operating at terahertz frequencies. The optically exited graphene and metamaterial structure emits a new terahertz frequency which corresponds to the difference of the two resonances of the metamaterial.

Expected Contribution
Conventional graphene researches are focused on the development of electronic devices such as transistors based on the high carrier mobility and strong durability.
In this report, we present the first finding of the optical property of graphene, where the optical conductivity varies in the picosecond scale, which can be used to switch light in optical communications. In particular, the graphene metamaterial showing nonliearity at terahertz frequencies can be used to construct the communication system at the terahertz frequencies through electromagnetic wave mixing. To enhance the power efficiency, various metamaterial structures will be developed and integrated with graphene to amplify the intensity of terahertz waves.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 18 5. 연구결과의 활용계획 ... 19 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 20 7. 참고문헌 ... 22 8. 연구성과 ... 22 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 23 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 23 11. 기타성과 ... 24끝페이지 ... 28