Surface plasmon이 ZnO/Ag nano-grating 구조의 광특성에 미치는 영향에 대한 연구

Abstract

Surface plasmon (SP)은 유전체와 금속 계면에서 전자들이 나타내는 결 맞은 진동을 일컫는다. 금속 나 노 입자와 금속 박막 계면에서 여기 된 SP가 유전체 박막의 광학적 특성에 미치는 영향은 다양한 연구 사례를 찾을 수 있다. 하지만, 인위적으로 제작된 주기적 구조에서의 SP 영향에 대한 연구 예는 많지 않다. 본 연구에서는 ZnO/Ag nano-grating 구조에서 SP의 여기가 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하여 보았다. 시편은 Si 기판 위에 nano imprint lithography 방법으로 1000 nm 주기의 1차원 grating 구조의 polymer pattern을 형성하고, 그 위에 sputtering 방법으로 ZnO/Ag 박막을 증 착 하여 제작하였다. ZnO/Ag nano-grating 구조는 flat한 계면을 갖는 박막 구조에 비하여 가시 광 전 영역에 걸쳐 photoluminescence (PL) intensity가 크게 증가하였다. 또, reflectance 특성을 보면 flat한 시료와는 달리 많은 dip들이 나타났다. ZnO/Ag SP의 dispersion relation으로부터 예측된 SP 여기 에너지 값은 PL peak과 reflectance dip과 일치하였는데, 이는 SP 여기가 광학적 특성 변화에 큰 영향을 미침을 의미한다. 또한, FDTD simulation을 통하여 계산된 field 증가 역시 SP 여기를 뒷받침하였다.;Surface plasmon (SP) are resonant interactions between the surface charge oscillations and the electromagnetic waves at the metal/dielectric interface. Periodic nanostructures can bridge the SPP-photon momentum gap and modify the optical properties of the dielectric layers. A rough silver back reflector is used in thin film silicon solar cells to reflect and scatter light. It is interesting to investigate how the grating structures can influence SPP-photon coupling and resulting optical properties of ZnO/Ag layers. ZnO/Ag thin films were deposited on one-dimensional periodic structures, with the periodicity of 1000 nm, fabricated by nanoimprint lithography. The periodic ZnO/Ag grating structures exhibited multiple dip features in reflectance (R) and broad peaksin photoluminescence (PL) spectra. These results could be understood as a result of SPP-exciton interaction. The SPP resonance energy could be predicted from the calculated dispersion relation, which revealed that the R dips and the PL peaks well matched with the resonance. We also compared experimental total reflectance with finite-difference time-domain simulation results. Such comparisons clearly showed how the SPP resonance and diffraction affected the optical properties of our periodic structures.