나노 구조 물질의 비선형 광특성 측정 및 분석 연구
Study on Nonlinear Optical Properties of Nanostructured Materials
- 주제(키워드) 나노 구조 물질 , 비선형 광특성 , 마커 줄무늬 , z-scan , Zinc Oxide nanorod
- 주제(KDC) 427.62
- 주제(DDC) 537.622
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이상민
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
서브 나노 스케일 수준의 미시적 구조에서는 양자 갇힘 현상, dielectric confinment,surface plasmon resonance와 같은 현상에 의해 덩어리 상태와는 다른 독특한 전기적 광학적 성질을 띄게 된다. 이렇게 크기의 변화에 의해 새로운 성질을 띄게 되는 현상을 알게 된 후로 미시적 구조를 가지는 물질들을 나노구조물질(nanostructured material)이라 통칭하며 관련 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 광학의 줄기 중 하나인 비선형 광학 부문에서도 나노구조물질에서의 비선형 광특성의 증대와 새로운 소자 개발에의 가능성 때문에 커다란 연구동기를 부여한다. 본 논문에서는 다양한 나노구조 물질 중에 선택적으로 두 종류의 샘플에 대해 서로 다른 실험을 수행한 결과를 보여준다. 하나는 응용성 높은 특성을 가지고 있는 반도체 물질인 산화아연(Zinc Oxide;ZnO)의 결정이 지름 수십에서 수백 나노 정도의 “봉”형태(nanorod)로 자라난 샘플의 2차 비선형 광특성을 Rotational Second Harmonic measurment 기법으로 측정한 내용을 바탕으로 하고 있으며 다른 하나는 탄소 구조체이고 나노구조물질 중에서도 유명한 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube;SWCNT)를 sol-gel 방법을 이용하여 SWCNT/silica composite으로 제작된 샘플의 3차 비선형 광특성을 singlebeam z-scan 방법으로 측정한 내용을 가지고 서술하고 있다. ZnO nanorod의 2차 비선형 측정에서는 기판 위에 성장된 ZnO nanorod의 성장 길이가 1∼2 μm 정도였으며 측정에 사용된 레이저의 파장(1064 nm)와 엇비슷한 길이를 가짐으로 해서 ZnO 결정에서 생성되는 2차 조화파 및 입사파가 샘플 내에서 fabry-perot 효과에 의해 증대됨에따라 기존의 이론식을 그대로 적용하기가 어려웠다. 따라서 이런 간섭효과를 감안하기 위해 샘플내에서의 입사파 및 2차 조화파의 경계면 조건을 행렬을 이용하여 풀어내어 컴퓨터로 시뮬레이션하고 이것을 바탕으로 측정 데이터와의 비교를 수행하였다. 결과로서 ZnO nanorod의 2차 비선형 계수 χ33의 절대값이 덩어리 상태에서 의 값보다 증대되었음을 확인했으며 이는 ZnO 결정이 나노구조를 이루면서 2차 비선형 계수에 영향을 준 것으로 추론했다. 상이한 제조 공정을 거친 HiPco와 arc-made SWCNT를 기반으로 제작된 두 종류의 SWCNT/silica composite 샘플의 Raman 스펙트럼 및 투과 스펙트럼을 관찰하였고 두 샘플의 3차 비선형 계수 측정을 532 nm와 1064 nm 파장에서 펄스의 시간폭이 9 ns인 펄스 레이저를 이용한 single-beam z-scan으로 수행하였으며 측정 결과 두 샘플 모두 두 파장 대에서 자기퍼짐(self-defocusing) 및 bleaching현상을 일으킴을 관측하였다. 측정 데이터를 바탕으로 두 샘플의 3차 비선형 계수인 χ(3)을 얻어내었고 이 값이 약 10^(-12)esu 를 가짐을 확인하였다.
more초록/요약
Nanostructured and nanocomposite materials are of great interests for various applications in nonlinear photonic devices due to their enhanced nonlinear optical properties. The quantum and dielectric confinements, depending on sizes and structures, lead to unique novel optical and electrical properties which differ from those of bulk materials. In this paper, we characterized second- and third-order nonlinear properties of two differently synthesized nanomaterials. The first samples were arrayed ZnO nanorods with different rod diameters which were prepared by a hydrothermal process. The other samples were SWCNT/silica nanocomposites prepared by sol-gel method. We estimated second order nonlinear susceptibility of ZnO nanorods by rotational second harmonic generation at 532 nm based on the Maker Fringes technique.A Q-switched 10 Hz Nd:YAG laser with a pulse duration of 9 ns was used as a fundamental light source. Vertically well-arrayed structure of ZnO nanorods was verified by a scanning electron microscope. The thickness of the nanorod layers prepared was approximately 1.5-1.7μm. Since the angular-dependent second harmonic signal generated could not be well fitted by well-known conventional equations, we developed an improved method in which multiple reflections and interference effects at each boundary surfaces were taken into account. The results show that the magnitudes of second-order nonlinear properties strongly depend on rod diameters and aligned degrees of ZnO nanorods and their surface-to-volume ratio. To investigate third-order nonlinear optical properties of SWCNT/silica nanocomposites, two samples with differently synthesized SWCNTs were first prepared. SWCNT was synthesized by high-pressure CO conversion (HiPCO) method for the first sample. For preparation of the other sample, SWCNTs grown by arc discharge method were used. For optical characterization, we first measured Raman and linear transmission spectra showing somewhat different characteristics. For measuring third order nonlinear optical properties of SWCNT/silica nanocomposites, we applied the single-beam z-scan technique. The output from a Q-switched 10 Hz Nd:YAG laser and its second harmonic were used as excitation sources. We could estimate the real and imaginary parts of χ(3), for the first time, for a SWCNT in solid matrix. In this work, the experimental results of two samples were compared and discussed.
more목차
제 1 절 비선형 광학에 대한 개괄 = 1
1.1 비선형 광특성 = 1
1.2 비선형 분극의 수식적 표현 = 2
1.3 주파수 변조와 비선형 굴절 및 흡수 = 5
1.3.1 2차 비선형 광특성에 의한 조화파 생성 = 5
1.3.2 3차 비선형 광특성에 의한 비선형 굴절 및 흡수 = 8
1.4 나노구조 물질에서의 비선형 광특성 = 9
제 2 절 Zinc Oxide nanorod의 2차 비선형 계수 측정 = 11
2.1 ZnO의 물성 및 특성 = 11
2.2 ZnO의 결정 구조 = 12
2.3 샘플 제작 = 12
2.4 Zinc oxide에서의 2차 조화파 생성 = 16
2.5 마커 줄무늬 기법(Maker Fringes technique) = 18
2.6 이론식 = 19
2.7 측정 및 실험 = 20
2.8 샘플 내에서 일어나는 간섭에 의한 효과의 고려 = 20
2.9 입사파(fundamental beam)의 샘플 내 진행 = 21
2.10 2차 조화파(second harmonic generated beam)의 샘플 내 진행 = 26
2.10.1 비선형 파동 방정식 = 26
2.10.2 2차 조화파의 경계면 조건 및 3x3 행렬을 사용한 수식적 표현 = 27
2.10.3 Layer 1: Air (L1) = 28
2.10.4 Layer 2: ZnO layer (L2) = 29
2.10.5 Layer 3: ITO layer (L3) = 30
2.10.6 Layer 4: Glass (L4) = 30
2.10.7 샘플에서 생성되어 출력되는 2차 조화파의 계산 = 31
2.11 전산시늉 = 32
2.12 Zinc Oxide nanorods의 2차 조화파 측정 및 결과 = 34
2.13 실험 결과에 대한 고찰 = 37
제 3 절 SWCNT/silica composite 샘플에서의 3차 비선형 현상의 관찰 및 측정 = 39
3.1 탄소나노튜브(carbon nanotube) = 39
3.2 탄소나노튜브의 비선형 광특성 = 40
3.3 샘플 준비 = 42
3.4 3차 비선형 광특성의 측정: z-scan method = 44
3.4.1 z-scan = 44
3.4.2 single-beam z-scan의 측정 원리 = 46
3.4.3 이론식. 비선형 굴절 = 48
3.4.4 이론식. 비선형 흡수 = 49
3.5 SWCNT/silica composites의 비선형 광특성 측정 결과 = 50
3.5.1 실험 구성 = 50
3.5.2 z-scan 측정 결과 = 51
3.6 실험 결과 고찰 및 정리 = 57
