Optical properties of organic epsilon-near-zero materials in the visible spectral range

Abstract

Optical metamaterials are artificial materials with subwavelength inclusions, which exhibits optical properties not readily seen in nature. Among the optical metamaterials, epsilon-near-zero (ENZ) metamaterials are important in various applications, since it makes possible to implement planar optics and optical cloaking because of a controllable optical phase shift. Related to ENZ metamaterials, it is noteworthy to examine the optical response of a metal, of which is described by Drude permittivity. Near the plasma frequency ω_p, located in the ultra-violet spectrum range in noble metals owing to a high carrier concentration, Drude permittivity changes signs exhibiting a spectral range where epsilon is near zero. In organic materials, on the other hand, there are plenty of flexibility to control the carrier concentration due to the diversity of the carbon orbital hybridization. Additionally, the carrier density can be further controlled by the material packing density. Based on these, we obtained organic ENZ films. In this thesis, the optical characteristics of organic ENZ thin films are experimentally investigated. Primarily the dispersion of dielectric constants are measured by spectroscopic ellipsometry (SE). In addition, attenuated total internal reflection (ATR) measurements are carried out to identify the presence of the negative and real part of dielectric permittivity. Linear optical properties of ENZ thin films are measured by UV-Vis spectrophotometer. In order to examine the consistency of the dispersion of dielectric function measured by SE and linear optical properties, finite different time domain (FDTD) simulation was adopted. The new conjugated molecule based ENZ materials showed unique optical properties corresponding to the ENZ characteristics in visible spectral range.;광학 메타물질은 파장보다 크기가 작은 광학요소들로 이루어진 인공소재로서 자연에서 쉽게 볼 수 없는 광학특성을 보여준다. 광학 메타물질 가운데 유전상수 값의 절대이 1 이하인 물질을 epsilon-near-zero (ENZ)라고 부르며, 광학 위상을 다양하게 제어할 수 있어 평면 광학부품으로 제작이 용이하고, 투명 망토 효과 등을 구현하는데 유용하다. 자유전하 운반체로 구성된 매질의 광학적 반응을 기술하는 드루드 유전율 (Drude Permittivity)에 따르면 유전 상수 값이 0 이 되는 진동수는 플라즈마 진동수라 하며, 플라즈마 진동수 전후로 유전상수의 절대값이 1 이하인 영역이 존재한다. 즉, 플라즈마 진동수 전후의 이 영역이 ENZ 영역에 해당한다. 그러나 금속의 경우 전하의 부피밀도의 제곱근에 비례하는 플라즈마 진동수는 높은 자유전자 밀도로 자외선 영역에 있다. 반면에 유기물에서는 전하운반체의 농도를 다양하게 제어할 수 있다. 첫째, 분자궤도의 이종접합과 공액성질을 이용하여 단위 분자당 전하운반체의 농도를 제어할 수 있고, 둘째, 유기물의 패킹밀도 조절을 통하여 단위 부피당 전하운반체의 농도를 제어할 수 있다. 따라서, 유기물의 경우 가시광선 영역에서 ENZ 반응을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 이러한 논의에 근거하여 설계되고 합성된 유기 ENZ 박막의 광학 특성을 실험적으로 조사하였다. 먼저, 유전상수 스펙트럼의 실수값, 허수값, 박막의 두께는 타원 분광기 (Spectroscopic Ellipsometry)를 이용하여 측정하였다. 또한, 감쇠내부전반사 (Attenuated Total internal Reflection) 측정을 통하여 유전상수 스펙트럼의 실수부가 음수인지 확인 하였다. ENZ 박막의 선형 광학적 특성은 자외선-가시광선 영역 (UV-Vis) 분광측정기를 이용하여 측정하였다. SE를 통하여 측정한 유전상수 스펙트럼을 바탕으로 선형 광학적 특성과 ATR측정 데이터를 유한-차이-시간 영역 (finite-difference-time-domain, FDTD) 시뮬레이션 방법을 이용하여 확인 함으로써, SE로 얻은 유전 상수 스펙트럼이 일관성 있음을 확인 하였다. 폴리메틴 (polymethine) 분자계열에 기초하여 설계하고 합성한 유기 ENZ박막의 특성을 조사하기 위해, 폴리메틴 분자계열 유기분자의 주게(donor)와 받게(acceptor)의 치환에 따른 형광스펙트럼을 측정하였다. 방향 분극율(orientational polarizability)과 이에 따른 스토크스 천이 (Stokes shift) 관계로부터 ENZ특성을 보이는 분자 구조를 확인 하고, 수십 나노미터 두께의 박막을 제작하여 가시광선 스펙트럼 영역에서 ENZ 반응을 보이는 것을 확인 하였다.