플라스몬학

플라스몬학, 플라스모닉스(plasmonics) 또는 나노플라스몬학, 나노플라스모닉스(nanoplasmonics)은 나노미터 규모에서 금속-유전체 계면을 따라 광학 주파수 신호의 생성, 감지 및 조작을 지칭한다. 광자학에서 영감을 얻은 플라스몬학은 광학 장치 소형화 추세(또한 나노광자학 참조)를 따르며, 센싱, 현미경, 광통신 및 생체 광자학 분야에서 응용된다.

 원리 

플라스몬학은 일반적으로 유전체(예: 유리, 공기)와 금속(예: 은, 금) 사이의 계면을 따라 전자기파와 함께 이동하는 일관된 전자 진동인 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)을 활용한다. SPP 모드는 지지하는 계면에 강하게 구속되어 강한 빛-물질 상호작용을 유발한다. 특히 금속 내의 전자 가스는 전자기파와 함께 진동한다. 이동하는 전자가 산란되기 때문에 플라스몬 신호의 옴 손실은 일반적으로 크며, 이는 하이브리드 옵토플라스몬 광 안내 네트워크 또는 플라스몬 이득 증폭이 사용되지 않는 한 신호 전송 거리를 센티미터 미만으로 제한한다. SPP 외에도 금속 나노입자에 의해 지지되는 국소 표면 플라스몬 모드는 플라스몬 모드라고 불린다. 두 모드 모두 큰 운동량 값을 특징으로 하며, 이는 광자 상태의 국소 밀도에 대한 강력한 공명 향상을 가능하게 하고,S.V. Boriskina, H. Ghasemi, and G. Chen, Materials Today, vol. 16, pp. 379-390, 2013 광전자 장치의 약한 광학 효과를 향상시키는 데 활용될 수 있다.

 동기 및 현재 과제 
현재 플라스몬학을 전기 회로와 통합하거나, 전기 회로 아날로그에서 전자기학의 크기 효율성과 광자 집적 회로(PIC)의 데이터 용량을 결합하려는 노력이 이루어지고 있다. 전기 회로에 사용되는 CMOS 노드의 게이트 길이는 계속 감소하고 있지만, 기존 PIC의 크기는 회절에 의해 제한되어 추가 통합에 대한 장벽을 형성한다. 플라스몬학은 전자 및 광자 구성 요소 간의 이러한 크기 불일치를 해소할 수 있다. 동시에 광자학 및 플라스몬학은 서로 보완할 수 있는데, 올바른 조건에서 광학 신호가 SPP로 변환될 수 있고 그 반대도 가능하기 때문이다.

플라스몬 회로를 실현 가능한 현실로 만드는 데 가장 큰 문제 중 하나는 표면 플라스몬의 짧은 전파 길이이다. 일반적으로 표면 플라스몬은 신호가 감쇠하기 전에 밀리미터 규모의 거리만 이동한다.Brongersma, Mark. "Are Plasmonics Circuitry Wave of Future?" Stanford School of Engineering. N.p., n.d. Web. 26 Nov. 2014. <http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse>. 이는 주로 옴 손실 때문인데, 전기장이 금속으로 깊이 침투할수록 그 중요성이 커진다. 연구자들은 다양한 재료, 기하학적 구조, 주파수 및 해당 속성을 조사하여 표면 플라스몬 전파에서 손실을 줄이려고 노력하고 있다. 새로운 유망한 저손실 플라스몬 재료에는 금속 산화물 및 질화물뿐만 아니라 그래핀도 포함된다. 더 많은 설계 자유도에 중요한 것은 표면 거칠기를 줄여 손실을 더욱 줄이는 데 기여할 수 있는 향상된 제작 기술이다.

플라스몬 회로가 극복해야 할 또 다른 예상되는 장벽은 열이다. 플라스몬 회로의 열은 복잡한 전자 회로에서 발생하는 열을 초과할 수도 있고 초과하지 않을 수도 있다. 최근에는 갇힌 광학 소용돌이를 지지하도록 플라스몬 네트워크를 설계하여 흡수 및 옴 가열을 줄여 입자 간 틈을 통해 빛의 전력 흐름을 순환시켜 가열을 줄이는 것이 제안되었다.S.V. Boriskina "Plasmonics with a twist: taming optical tornadoes on the nanoscale," chapter 12 in:  Plasmonics: Theory and applications (T.V. Shahbazyan and M.I. Stockman Eds.) Springer 2013 열 외에도 회로에서 플라스몬 신호의 방향을 크게 줄이지 않고 변경하는 것도 어렵다. 전파 방향을 구부리는 문제에 대한 현명한 해결책 중 하나는 브래그 거울을 사용하여 신호를 특정 방향으로 각을 주거나 신호 분할기로 기능하는 것이다. 마지막으로, 열 방출 조작 및 열 보조 자기 기록을 위한 플라스몬학의 새로운 응용은 금속의 옴 손실을 활용하여 새로운 향상된 기능을 가진 장치를 얻는다.

 도파관 
섬네일|하이브리드 플라스몬 도파관의 장 분포
최적의 플라스몬 도파관 설계는 플라스몬 회로 내에서 표면 플라스몬의 구속 및 전파 길이를 모두 최대화하려고 노력한다. 표면 플라스몬 폴라리톤은 금속-유전체 계면에 평행하고 수직인 구성 요소를 가진 복소 파수 벡터로 특징지어진다. 파수 벡터 구성 요소의 허수 부분은 SPP 전파 길이에 반비례하는 반면, 실수 부분은 SPP 구속을 정의한다. SPP 분산 특성은 도파관을 구성하는 재료의 유전 상수에 따라 달라진다. 표면 플라스몬 폴라리톤 파동의 전파 길이와 구속은 역비례 관계이다. 따라서 모드의 더 강한 구속은 일반적으로 더 짧은 전파 길이를 초래한다. 실용적이고 유용한 표면 플라스몬 회로의 구성은 전파와 구속 사이의 타협에 크게 의존한다. 구속 및 전파 길이를 모두 최대화하면 구속보다 전파 길이를 선택하는 것의 단점을 완화하는 데 도움이 된다. 강한 구속과 충분한 전파 길이를 가진 플라스몬 회로를 추구하기 위해 여러 유형의 도파관이 만들어졌다. 가장 일반적인 유형 중 일부는 절연체-금속-절연체 (IMI), 금속-절연체-금속 (MIM), 유전체 적재 표면 플라스몬 폴라리톤 (DLSPP), 갭 플라스몬 폴라리톤 (GPP), 채널 플라스몬 폴라리톤 (CPP), 쐐기 표면 플라스몬 폴라리톤 (wedge), 그리고 하이브리드 옵토-플라스몬 도파관 및 네트워크가 있다. 금속에서 SPP 전파에 동반되는 소산 손실은 이득 증폭 또는 광섬유 및 결합 공진기 도파관과 같은 광자 요소가 있는 하이브리드 네트워크에 결합하여 완화할 수 있다. 이 설계는 빛의 회절 한계의 10분의 1 규모에서 서브파장 모드와 허용 가능한 전파 길이를 나타내는 앞에서 언급한 하이브리드 플라스몬 도파관으로 이어질 수 있다.M. Z. Alam, J. Meier, J. S. Aitchison, and M. Mojahedi,
"Super mode propagation in low index medium", Paper ID: JThD112, CLEO/QELS 2007.

 커플링 
플라스몬 회로의 입력 및 출력 포트는 각각 광 신호를 수신하고 보낸다. 이를 위해서는 광 신호와 표면 플라스몬의 결합 및 분리가 필요하다. 표면 플라스몬의 분산 관계는 빛의 분산 관계보다 완전히 아래에 있기 때문에, 결합이 발생하려면 플라스몬 회로에서 입사광과 표면 플라스몬 폴라리톤 파동 간의 운동량 보존을 달성하기 위해 입력 커플러에 의해 추가 운동량이 제공되어야 한다. 이에는 유전체 프리즘, 회절격자 또는 금속 표면의 국부 산란 요소를 사용하여 입사광과 표면 플라스몬의 운동량을 일치시켜 결합을 유도하는 것을 포함하여 여러 가지 해결책이 있다. 표면 플라스몬이 생성되어 목적지로 전송된 후에는 전기 신호로 변환될 수 있다. 이는 금속 평면에 있는 광검출기를 사용하거나 표면 플라스몬을 자유롭게 전파되는 빛으로 분리하여 전기 신호로 변환함으로써 달성할 수 있다.

대안적으로, 신호는 광섬유 또는 도파관의 전파 모드로 외부 결합될 수 있다.

 능동 소자 
지난 50년 동안 표면 플라스몬 분야에서 이룬 발전은 능동 및 수동의 다양한 유형의 소자 개발로 이어졌다. 능동 소자의 가장 주요한 분야는 광학, 열광학 및 전기광학이다. 전광학 소자는 변조기로 사용될 때 정보 처리, 통신 및 데이터 저장의 실행 가능한 원천이 될 수 있는 능력을 보여주었다. 한 예로, 서로 다른 파장의 두 빛 빔의 상호작용은 셀렌화 카드 늄 퀀텀닷을 통해 공통 전파 표면 플라스몬으로 변환하여 시연되었다. 전기광학 소자는 변조기의 형태로 광학 소자와 전기 소자의 측면을 모두 결합했다. 특히, 전기광학 변조기는 장거리 표면 플라스몬(LRSP)에 의존하는 에바네슨트 결합 공명 금속 격자 및 나노선으로 설계되었다. 마찬가지로, 온도 변화에 따라 굴절률이 변하는 유전체 재료를 포함하는 열광학 소자도 방향성 결합기 스위치 외에도 SPP 신호의 간섭계 변조기로 사용되었다. 일부 열광학 소자는 폴리머에 내장되고 전기 신호로 가열되는 금 스트립을 따라 LRSP 도파관을 변조 및 방향성 결합기 스위치 수단으로 활용하는 것으로 나타났다. 또 다른 잠재적인 분야는 나노스케일 리소그래피, 탐침 및 현미경과 같은 분야에서 스페이저를 사용하는 것이다.

 수동 소자 
능동 부품이 플라스몬 회로 사용에 중요한 역할을 하지만, 수동 회로도 마찬가지로 필수적이며 놀랍게도 만들기가 쉽지 않다. 프리즘, 렌즈, 빔 스플리터와 같은 많은 수동 소자는 플라스몬 회로에 구현될 수 있지만, 나노 규모에서의 제작은 어렵고 역효과를 초래하는 것으로 입증되었다. 굴절률이 다른 굴절 요소를 사용하는 상황에서는 디커플링으로 인해 상당한 손실이 발생할 수 있다. 그러나 광자 구성 요소의 손실을 최소화하고 컴팩트함을 최대화하기 위한 몇 가지 조치가 취해졌다. 그러한 조치 중 하나는 표면 플라스몬 빔을 조종하기 위해 연속적인 평면으로 구성된 거울 또는 브래그 반사경을 사용하는 것에 의존한다. 최적화될 때 브래그 반사경은 입사 전력의 거의 100%를 반사할 수 있다. 컴팩트 광자 구성 요소를 만드는 데 사용되는 또 다른 방법은 통신 파장 내에서 3dB 미만의 허용 가능한 손실로 강력한 구속을 보였으므로 CPP 도파관에 의존한다.

수동 소자와 능동 소자의 사용과 관련하여 손실과 컴팩트함을 최대화하면 플라스몬 회로 사용에 더 많은 잠재력이 생긴다.

 같이 보기 
 나노광자학
 메타물질
 스푸프 표면 플라스몬

 각주 

분류:나노기술
분류:광자학
분류:나노일렉트로닉스