나노구조체에 의해 생성된 전기장 증폭과 극자외선 특성 연구

Abstract

수 십 나노미터의 짧은 파장을 가지는 극자외선은 노광공정, 미세 사물 관찰, 분광학 등 다양한 연구 및 산업적 분야에 걸쳐 높은 응용 가능성을 가진다. 이러한 극자외선을 생성하는 방법 중 하나로, 최근 비교적 간단하며 작은 실험 장치 구성을 가지는 금속 나노구조체의 전기장 증폭을 이용한 방법이 크게 각광받고 있다. 본 논문에서는 나노구조체를 이용해 극자외선을 생성하기 위하여, 첫 번째로 funnel-waveguide 나노구조체를 채택하였다. 먼저 FDTD (finite-difference and time-domain) 해석과 이광자형광 방법(Two-photon luminescence, TPL)을 이용하여 funnel-waveguide 내 생성되는 증폭장의 시공간적 특성을 면밀히 관찰하였다. 입사 레이저장의 초고속 특성을 유지한채로 funnel-waveguide 내부에 100배 이상의 전기장 강도 증폭이 발생함을 확인하였으며, 이는 최소 80 TW/cm² 이상의 전기장 강도가 나노구조체 내에 생성될 수 있음을 의미한다. 수직 입사형 분광기, 개선된 가스셀 및 0.1 ~ 1 TW/cm² 광강도의 레이저를 이용하여, He, Ne, Ar, Kr 그리고 Xe 가스로부터 매우 신뢰성 있으며 효율적인 극자외선 스펙트럼을 관찰할 수 있었다. 극자외선 스펙트럼을 분석한 결과, funnel-waveguide 내 증폭된 전기장은 가스 원자들을 이온화하기에 충분한 크기였으며, 생성된 극자외선은 다광자 (multi-photon) 흡수 및 이온화를 통한 형광 신호임을 확인할 수 있었다. 보다 높은 극자외선 변환 효율을 얻기 위하여, 다음으로 마이크로 가스 노즐을 이용한 대량의 가스 공급이 가능한 금 보우타이 (gold bowtie) 나노구조체를 채택하였다. 두께 증가 및 유전체 증착을 통해 새롭게 설계된 보우타이 나노구조체는 FDTD 시뮬레이션과 3차 조화파 관찰 실험을 통해 열적 특성 및 전기장 증폭에 대하여 최적화되었다. 보우타이의 열적 손상 문턱값을 고려하였을 때, 보우타이 틈 중앙에서 생성될 수 있는 최대 전기장 강도는 $50 TWcm^{-2}$이며, 극자외선 생성에 필요한 $10 TWcm^{-2}$ 이상의 전기장 강도를 가지는 부피는 약 334,000 nm³로 확인되었다. 고압 환경에서 보다 높은 효율 및 분해능으로 극자외선을 관찰하기 위하여, 스침 입사형 분광기를 새롭게 제작하였다. 이로부터, 약 0.1 ~ 0.4 TW/cm²의 광강도를 가지는 레이저를 이용해 매우 높은 분해능으로 극자외선 신호를 재현성 있게 관찰하는 것이 가능하였다. 생성된 극자외선 스펙트럼을 관찰한 결과, 보우타이로부터 생성된 극자외선 중 대부분은 다광자 흡수 또는 이온화에 의한 형광 현상에 의한 것임을 추정할 수 있었다. 또한, 특정 압력 구간에서 사태이온화(avalanche ionization)가 관찰되었는데, 이로부터 극자외선 변환효율이 크게 높아짐을 확인하였다. 본 연구에서는 금속 나노구조체로부터 생성된 증폭장과 극자외선 관찰 방법에 대하여 다루었다. 또한, 스펙트럼 분석을 통하여 나노구조체를 이용한 극자외선 생성 방법의 가능성과 한계에 대하여 논의하였다.