슬릿 구조를 가진 탄소나노튜브 박막의 테라파 투과 특성 연구
Terahertz wave transmission through carbon nanotube network films with slit structures
- 주제(키워드) 탄소나노튜브 , 테라파 , 슬릿
- 주제(KDC) 420
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 안영환
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000011466
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
단일벽 탄소나노튜브 (single-walled carbon nanotube) 는 뛰어난 기계적, 전기적, 광학적 특성들로 인하여 다양한 광전소자로써 이용할 수 있는 물질로 연구되어 왔다. 본 연구에서는 슬릿구조를 가진 단일벽 탄소나노튜브 박막을 제작하고 이를 테라파 영역서 작동하는 광학소자 제작에 적용하였다. 높은 전도성을 띄는 탄소나노튜브 박막을 제작하고 슬릿배열구조를 도입하여 매우 효율적인 테라파 편광판을 제작하였으며, 슬릿구조의 모양에 의존하는 공명현상에 의해 증대된 테라파 투과 현상을 관찰하였다. 이를 통해 기존의 금속을 대체하는 새로운 나노물질을 기반으로 하는 우수한 특성의 광전소자의 제작이 가능함을 보이고자 한다. 탄소나노튜브 박막을 제작하기 위해 아크 방전법으로 성장시킨 단일벽 탄소나노튜브를 증류수와 SDBS라 불리는 계면활성제와 함꼐 8시간동안 초음파처리를 하여 분산액을 제작하였다. 니트로셀룰로오스막 또는 에노디스크 필터를 사용한 진공 여과법으로 박막을 형성한 후에 지속적으로 증류수를 통과시켜 계면활성제를 제거해 주었다. 그 후, 실리콘 기판이나 PDMS와 같은 연성 기판 위에 전이시켰다. 슬릿배열구조는 활성 이온 식각을 이용한 간단한 광리소그래피법이나 레이저 머시닝법을 이용하여 탄소나노튜브 박막을 가공, 제작하였다. 테라파 시분해 실험을 위해 800 ㎚ 파장의 펨토초 레이저를 ZnTe 결정이나 광전도 안테나에 입사시켜 테라파를 생성하였고, 전광 표본추출 방법을 이용하여 시료를 투과한 테라파를 검출하였다. 탄소나노튜브 박막이 우수한 금속성을 지니고 있다는 이전 실험의 결과를 이용하여, 우선 테라파 영역에서 작동하는 테라파 편광판을 제작하고, 그 특성을 확인하였다. 슬릿의 주기가 각각 25 m와 50 m인 구조를 5 ㎜ 5 ㎜의 크기로 제작하고, 테라파의 편광방향에 대하여 슬릿 각도를 변화시켜서 각각 테라파 투과 스펙트럼을 측정을 하였다. 이를 통하여 0.2 ㎔에서 2.5 ㎔의 범위에서 훌륭한 성능을 보이는 탄소나노튜브 기반의 편광판의 제작이 가능함을 보였다. 일정한 길이의 슬릿배열구조를 가지는 탄소나노튜브 박막 소자를 통한 테라파 투과는 특정한 주파수에서의 공명증대현상을 보여주었다. 특히 푸리에 변환을 통해 얻은 스펙트럼들에서 보이는 특정 파장에서의 테라파 투과는 shape resonance에 의한 증대된 투과현상과 잘 부합하였다. 테라파의 편광이 슬릿의 장축 방향과 수직으로 입사하는 경우, 슬릿의 길이가 짧아질수록 투과하는 주파수가 커짐을 확인할 수 있고, 기판의 굴절률에도 공명주파수가 영향을 받음을 확인할 수 있다. 또한 연성기판인 PDMS 위에 슬릿 구조를 가진 탄소나노튜브박막을 제작하게 되면 어떤 방향으로 구부러져도 항상 투과의 공명 주파수는 변하지 않는 우수한 연성소자로서의 가능성도 확인하였다. 이와 같은 결과들을 통해서 단일벽 탄소나노튜브 박막은 테라파 주파수 대의 편광판 및 투과필터로 작동할 수 있음을 보여주고 있으며, 또한 테라파 영역에서 훌륭하게 작동하는 차세대 플라즈모닉 소자와 메타물질의 제작에 큰 기여를 할 것으로 기대한다.
more초록/요약
Transmission of electomagnetic waves through various subwavelength structures has been the major issue in a wide spectral range from terahertz(㎔) to visible frequencies. Extraordinary transmission through such structures has been attributed to the various resonance phenomena, such as surface plasmon polariton excitation, antenna resonance, and shape resonance. Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) have been studied extensively to develop useful functional materials based on their fascinating mechanical, optical, and electronic properties. In particular, composites and thin films of SWNTs have lately attracted a great deal of attention for potential application as advanced flexible, optoelectronic devices. In this work, we performed time-domain ㎔ transmission experiments on SWNT films with subwavelength apertures. By fabricating the slit arrays in the highly conductive SWNT films, we demonstrate the enhanced ㎔ wave transmission through the film, assisted by the shape resonance of the slit arrays. The fabrication of SWNT film begins with dispersion of the purified arc-made SWNT via ultrasonic agitation for 7 hours in DI-water with Dodecylbenzenesulfonic acid (SDBS). As-prepared product was then vacuum-filtrated onto a cellulose membrane, and then SDBS was washed away with the DI-water. SWNT-network films were transferred on silicon substrates or on flexible substrates like PDMS. The slit arrays have been punctured on the SWNT films by using a conventional lithographic technique followed by a reactive ion etching process or using laser machining. For time-domain ㎔ experiments, we used a ZnTe crystal as an emittor as well as a detector, Femtosecond laser pulse with =800 ㎚ was used to generate and detect the transmitted pulses using eletro-optic sampling techniques. Motivated by the fact that the SWNT films replicate the optical properties of good metals, we performed the ㎔ transmission experiments on the films with subwavelength slit arrays. Various patterns with different lengths of 50~200 ㎜ and a fixed width of 15㎛ have been manufactured. We found that the time trace of the ㎔ waves transmitted through the patterned film demonstrates monochromatic nature, especially compared to the reference fields with broad spectrum. This indicates the presence of the strong resonance in the transmitted fields which is manifested by the Four-transformed spectra. It is obvious that there exists a well defined resonance peak in the transmission spectra in the case of perpendicularly polarized ㎔ waves. The peak frequency matches well with the shape resonance mainly determined by the length of the rectangular holes and the refractive index of the substrates. We also demonstrate that the SWNT network films with infinitely long slit arrays work as efficient polarizers working in the ㎔ frequency range. The polarization anisotropy matches 1/f behavior, which is expected for the electromagnetic waves transmitting through the infinitely long slit. The polarization ratio of as large as 160 has been achieved at 1 ㎔ from our experiment. We believe our SWNT films will provide an important platform for future fabrication of novel plasmonic devices and metamaterials, operating in ㎔ range.
more목차
제1장. 서론 1
제2장. 이론 2
제1절. 금속 나노 구조의 표면 플라즈몬 광학 2
제2절. 탄소나노튜브 분산기술 8
제3절. 테라파의 소개 13
제4절. 테라파의 발진과 검출 16
제5절. 테라파 분광과 고속 푸리에 변환 20
제3장. 실험방법 23
제1절. 단일벽 탄소나노튜브 박막 제작 23
제2절. 탄소나노튜브 박막 위의 슬릿 가공 25
제4장. 실험결과 29
제1절. 탄소나노튜브 박막을 이용한 테라파 편광판 제작 29
제2절. 슬릿배열 구조에서의 테라파 투과 측정 35
제5장. 결론 42
참고문헌 44
영문요약 47
