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Fabrication of polarization-dependent reflective metamaterial by focused ion beam milling and its optical characteristics

Title
Fabrication of polarization-dependent reflective metamaterial by focused ion beam milling and its optical characteristics
Authors
김정희
Issue Date
2013
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
우정원
Abstract
In this study, a focused ion beam (FIB) milling process was employed to form near-IR reflective metamaterials consisting of nano-aperture array. In fabrication of nano-sized structures, it is important to have a fine control of process parameters in e-beam lithography and focused ion beam milling. We successfully obtained optimum process parameters to fabricate near-IR reflective metamaterials. Nano-apertures constituting reflective metamaterial are successfully milled with optimum fabrication conditions, which possesses a reflective resonance in near-IR spectral range. With a highly symmetric double-split ring resonator structure of nano-aperture, the intensity reflection at resonance is rendered to be polarization-dependent. It is found that the point group symmetry of nano-aperture array determines anisotropy of intensity reflection. Anisotropic intensity reflections are measured experimentally and their characteristics are analyzed theoretically. To identify details of nano-aperture meta-structures transferred by the focused ion beam milling, finite-difference time-domain numerical simulations are carried out. In the reflective metamaterial, 200nmx200nm sized double-split ring apertures are arrayed with 300nm lattice constant. Resonant characteristics are measured in visible and near-IR spectral range, which exhibited a polarization-dependent reflection spectra. For a light with the polarization direction perpendicular to arc direction, the minimum reflection takes place at the spectral range of around 950nm. In addition, the reflective metamaterial has a complementary optical property with respect to the transmissive metamaterial. While the reflective metamaterial consists of double-split ring shaped dielectric apertures on metallic thin film, the transmissive metamaterial is formed with double-split ring metallic resonators on a dielectric substrate. The transmissive metamaterial possesses a polarization-dependent resonance transmission characteristics, which is complementary to the polarization-dependent resonance reflection characteristics of the reflective metamaterial. This leads us to relate the optical properties of two complementary structures in terms of the Babinet principle. Furthermore, we suggest a series of reflective metamaterials, which consist of double-split ring apertures with different orientations of split axis. This is an example of metamaterial superlattices, which exhibits polarization-dependent reflection resulting from the structure rather than the composition. ;본 연구에서는 집속이온빔 밀링 (focused ion beam milling) 공정을 적용하여 나노-개구 (nano-aperture) 배열로 이루어진 근적외선 영역의 반사형 메타 물질을 제작하였다. 전자빔 리소그래피와 집속이온빔 밀링 공정을 통해 나노 크기 구조의 제작함에 있어 공정 변수를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다. 이에, 우리는 근적외선 영역의 반사형 메타 물질을 제작하기 위한 최적의 공정 변수를 성공적으로 구하였다. 반사형 메타 물질을 구성하는 나노- 개구는 최적의 공정 조건을 적용하여 성공적으로 밀링되었으며, 이렇게 제작한 나노-개구 메타물질은 근적외선 영역에서 반사 공명을 나타내었다. 높은 대칭성을 지니는 이중 간극 고리형 나노-개구 공진기 구조는 공명 특성에 반사 세기의 편광 의존성을 부여한다. 나노-개구 배열의 대칭군은 반사 세기의 이방성을 결정한다. 반사 세기의 이방성은 실험적으로 측정었으며 그 특성이 이론적으로 분석되었다. 집속이온빔 밀링에 의한 나노-개구 메타 구조의 세부적인 패턴 전사를 확인하기 위하여, 유한 차분 시간 대역법 (finite-difference time-domain) 수치 모사(numerical simulation)가 수행되었다. 본 연구에 사용된 반사형 메타 물질은 200nmx200nm 크기의 이중 간극 고리형 개구가 300nm의 격자 간격으로 정방배열된 형태로 이루어졌다. 메타 물질의 공명 특성은 가시광 및 근적외선 영역에서 측정되었으며, 편광에 의존적인 반사 스펙트럼을 나타내었다. 원호 (arc) 방향에 수직 방향으로 편광된 빛에 대하여, 950nm 부근의 스펙트럼 영역에서 최소 반사 세기가 얻어졌다. 또한, 반사형 메타 물질은 투과형 메타 물질에 대하여 상보적인 광학적 특성을 지닌다. 반사형 메타 물질이 금속 박막 상의 이중 간극 고리형 유전체 개구로 이루어진데 비하여, 투과형 메타 물질은 유전체 기판 상의 이중 간극 고리형 금속 공진기로 이루어 진다. 투과형 메타 물질은 편광 의존적 공명 투과 특성을 지니는데, 이는 반사형 메타 물질의 편광 의존적 공명 반사 특성에 대하여 상보적이다. 두 상보적인 구조의 광학적 특성을 연관짓는데 바비네 원리(Babinet principle)가 적용되었다. 또한, 본 연구에서는 이중 간극 고리형 개구 구조에 있어 간극의 축 방향이 다른 일련의 메타 물질군을 제안하였다. 이 메타 물질은 초격자의 예로써, 편광 의존적 반사 특성이 물질의 조성보다는 구조로 부터 비롯됨을 보였다.
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일반대학원 > 화학·나노과학과 > Theses_Ph.D
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