나노광물질 연구실

지도교수 : 정지윤 교수
연구분야 : 가시광선/근적외선/테라헤르츠 정상상태/시분해 분광학
금속 및 유전체 메타물질의 특성 연구
양자점 및 2차원 물질의 광학적 물성 연구
홈페이지 : https://sites.google.com/view/onlknu/home

Optical Nanomaterials Lab

메타물질(metamaterial)이란 파장보다 작은 크기의 인공적인 구조물로 이루어져 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 가지는 구조를 뜻한다. 이를 잘 활용한다면 평평하고 얇은 렌즈와 같이 기존보다 훨씬 뛰어난 광학 장치를 만들 수 있을 뿐 아니라 다양한 유/무기 반도체 (organic/inorganic semiconductor), 양자점(quantum dot), 2차원 물질(2-dimensional materials) 등의 광학적 물성을 조절하거나 개선할 수 있다. 본 연구실에서는 메타물질을 설계, 제작하고 이를 다양한 기능성 물질과 결합하여 기존보다 성능이 개선된 광학 소자를 개발하거나 새로운 광학적/양자역학적 현상을 발견하고 규명하는 것을 주된 연구분야로 삼고 있다.

(1) 메타물질의 설계 및 계산

광학적 구조물의 특성 계산을 위해서는 FDTD (finite difference time domain), FEM (finite element method) 또는 RCWA (rigorous coupled wave analysis) 등의 방법을 활용하여 맥스웰 방정식의 해석해를 구할 수 있는 시뮬레이션이 필요하다. 본 연구실에서는 자체적으로 최적화한 Matlab 기반의 RCWA 코드 또는 FEM 기반 상용 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 활용하여 원하는 광학적 구조를 디자인하고 그 특성을 분석한다.

Matlab 기반의 RCWA 코드로 계산한 높은 Q-인자 메타물질의 파장 스펙트럼과 전자기장 분포.

(2) 메타물질의 제작 및 다양한 물질계와 결합

메타물질의 제작은 많은 부분 반도체 공정 기술을 활용하여 진행된다. 본 연구실에서는 다른 연구진과의 협업을 통해 포토리소그래피(photolithography), 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 전자빔 증착(e-beam deposition), 원자층 증착(atomic layer deposition) 및 이온 식각(ion beam milling/etching) 등의 다양한 공정을 활용하여 유전체 및 금속으로 이루어진 다양한 메타물질을 제작한다. 그리고 본교 물리학과 교수님들 및 외부 연구자들과의 협업을 통해 유/무기 반도체, 양자점, 페로브스카이트 (perovskite) 등의 기능성 물질과 메타물질의 결합을 추진한다.

포토리소그래피, 이온 식각 및 원자층 증착법을 복합적으로 사용하는 10 나노미터 너비, 1 센티미터 길이의 금속 틈 구조 제작 모식도와 광학/전자현미경 사진.

(3) 광학적 특성 분석

메타물질은 다른 물질계의 결합을 통해 광발광 효율이 증가하는 퍼셀 효과(Purcell effect), 엑시톤 또는 플라즈몬 폴라리톤 형성(exciton- or plasmon-polariton) 등 다양한 광학적 현상을 관찰하거나 극미량의 시료를 검출하는 광센서로 응용하는 등 다양한 연구가 가능하다. 본 연구실에서는 교내/외에 구축되어있는 가시광선-자외선 분광법(UV-visible spectroscopy), 퓨리에 변환 적외선 분광법(FT-IR), 테라헤르츠 시분해 분광법(terahertz time-domain spectroscopy), 시분해 광발광 분광법(time-resolved photoluminescence) 및 펌프-프로브 분광학(pump-probe spectroscopy) 등의 다양한 광학적 기법을 사용하여 메타물질에 의한 기능성 물질의 광학적 특성의 변화를 관찰하고 이를 제어함으로써 소자 성능의 향상을 도모한다.

메타물질과 결합된 2차원 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC) 물질의 광학 현미경 사진과, 퍼셀 효과로 인해 증강된 광발광 특성.