테라헤르츠 메타물질에서 닫힌모드의 여기 제어에 관한 연구

Abstract

메타물질(metamaterial)은 자연 상태에서는 잘 나타나지 않는 특성을 갖도록 조작한 인공의 물질이다. 그 특성은 조성(composition)이 아닌 구조(structure)에 의해 그 특성 이 발현되는 점이 특징이다. 테라헤르츠 메타물질의 경우 유전체 또는 반도체의 기판 위에 금속의 공진기 (resonator)를 규칙적으로 배열하여 만드는데, 이때 공진기 1개의 크기와 배열의 주기는 관측에 사용되는 전자기파의 파장보다도 짧아야 메타적 성질을 관측할 수 있다. 메타물질에서 구조에 의해 제어 가능한 특성으로는 결 맞 은 결합(coherent coupling)에 의해 발생하는 닫힌 모드 (closed mode) 가 있다. 닫힌 모드 (closed mode)는 높은 quality factor(Q-factor) 를 갖는 반응 스펙트럼을 나타내며, 이는 센서와 주파수 필터로 응용이 가능한 특성이다. 많은 연구가 진행된 대표적인 메타구조에는 쪼개어진 고리 공진기 (split ring resonator)가 있다. 이 공진기를 비대칭 구조로 변형하여 닫힌 모드(closed mode)가 여기 되었다. 이러한 연구결과들을 바탕으로 본 논문에서는 쪼개어진 고리 공진기(split ring resonator)구조를 변형한 테라헤르츠 메타물질 시료를 제작하였고, 시료의 구조적 변화로 도출되는 특성변화를 연구하였다. 실험에 사용한 기본적인 메타구조는 double-split ring resonator(DSRR) 로 고리에 두개의 틈 (gap) 을 가지고 있는 구조이다. 기본 구조를 정사각배열하여 높은 대칭성을 가진 기준 시료를 제작하였고, 기준 시료에 대하여 초격자 (superlattice) 배열하여 대칭성을 깬 시료를 제작하였다. 초격자 배열은 기준 메타구조와 기준 메타구조를 시계 방향으로 45 회전 변환 한 메타구조를 번갈아 배열함으로써 초격자 구조를 제작하였다. 그리고 기준 시료와 초격자 구조의 시료를 두 가지 방법으로 변형하여 일련의 시료를 제작하였다. 제작한 시료들은 terahertz time domain spectroscopy를 이용하여 특성 변화를 살펴보았고, Lorentz 근사를 하여 각각의 공진(resonance)을 특징에 따라 분류, 분석해 보았다. 그리고 finite difference time domain(FDTD) simulation을 통해 구조에 유도되는 표면 전류 밀도 (surface current density)를 계산함으로써 특성변화의 요인을 구체적으로 정의하였다.;Metamaterials are artificial materials engineered to provide properties which “may not be readily available in nature”. These materials usually gain their properties from structure rather than composition, using the inclusion of small inhomogeneities to enact effective macroscopic behavior. Especially, erahertz metamaterials are usually made by arraying metallic resonators on dielectric or semiconductor substrate. The size of metallic resonators and lattice constant must be shorter than examined wavelength for spectroscopy. A superlattice structure of planar metamaterial is fabricated, where the orientation of double-split ring resonator is altered in periodic way. A time-domain terahertz transmission spectrum shows an enhanced Q-factor resonance(closed mode) appears when a closed mode is selectively excited by angular tuning of polarization direction. The polarization-angle selective field enhancement for spectroscopy. The superlattice structure of planar metamaterial is modified in two different ways that dilution and ring surround each double-split ring resonator. In a diluted sample, coherent coupling is reduced by dilution of nearest neighbors, and the closed mode did not appear. The decrease in the absorbance of dilution sample is due to the decrease in the number density of metaparticles. And absorbance curve was fitted by two peaks of Lorentzian oscillators. In a ring surrounded sample, coherent coupling effect diminished by the presence of a shielding resonator. The increase in the absorbance of ring surrounded sample is due to the increase in the cross-sectional area of metallic resonators. And absorbance curve was fitted by four peaks of Lorentzian oscillators. These investigations confirm that the closed mode excitation comes from the current density cancelation among the nearest neighbors. This can be applied to a control of the closed mode excitation.