KAIST 장민석 교수팀, 1,000배 넘게 응축된 빛 관측

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전자들의 집단 진동 ‘어쿠스틱 그래핀 플라즈몬’ 이용,
나노층 구조에 1,000배 넘게 응축된 중적외선 파동 이미지 최초 얻어내

나노미터 단위로 전자기장 집속해 분자 검출 및 다양한 광학 소자에 응용 기대 


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KAIST 전기및전자공학부 장민석(사진 오른쪽) 교수와 세르게이(″ 왼쪽) 박사. 사진제공=KAIST


KAIST는 전기및전자공학부 장민석 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀이 그래핀 나노층 구조에 1,000배 넘게 응축돼 가둬진 중적외선 파동의 이미지를 세계 최초로 얻어내 초미시 영역에서 전자기파의 거동을 관측했다고 2일 밝혔다.


연구팀은 수 나노미터(㎚) 크기의 도파로에 초고도로 응축된 ‘그래핀 플라즈몬’을 이용했다. 그래핀 플라즈몬이란 나노 물질 그래핀의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상을 말한다. 최근 이 플라즈몬들이 빛을 그래핀과 금속판 사이에 있는 아주 얇은 유전체에 가둬 새로운 모드를 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다.


이러한 그래핀-유전체-금속판 구조에서는 그래핀의 전하들이 금속판에 영상 전하(image charge)를 만들게 되고 빛의 전기장에 의해 그래핀의 전자들이 힘을 받아 진동하게 되면 금속에 있는 영상 전하들도 잇따라 진동하게 된다. 이러한 새로운 형태의 그래핀-유전체-금속판에서의 집단적인 전자 진동 모드를 ‘어쿠스틱’ 그래핀 플라즈몬(Acoustic Graphene Plasmon·AGP)이라고 한다.


하지만 AGP는 광학적 파동을 수 나노미터 정도의 얇은 구조에 응집시키기 때문에, 외부로 새어 나오는 전자기장의 세기가 매우 약하다. 이 때문에 지금까지 직접적인 광학적 검출 방법으로는 그 존재를 밝혀내지 못했으며 원거리장 적외선 분광학이나 광전류 매핑과 같은 간접적인 방법으로 AGP의 존재를 보일 수밖에 없었다.


이러한 한계점을 극복하기 위해, 국제 공동 연구팀은 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론을 제안했다. KAIST 전기및전자공학부의 장민석 교수와 메나브데 세르게이(Sergey Menabde) 박사 후 연구원은 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접적으로 검출했고 중적외선이 천 배 넘게 응축된 현상을 시각화했다.


해당 나노 구조들은 미국의 미네소타 대학(University of Minnesota)의 전자 및 컴퓨터 공학부의 오상현 교수팀이 제작했고 그래핀은 성균관대학교의 IBS 나노구조물리연구단(CINAP) 이영희 연구단장팀이 합성했다.



출처 : 서울경제 https://www.sedaily.com/NewsView/22JNI3GEM7

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