Utilizing Disordered Optical Nanoresonators for Dynamic Optical and Photothermal Applications

Abstract

규칙적으로 배열된 나노, 마이크로 구조체 광학 시스템은 예측 가능한 특성을 나타내며, 현미경, 태양광 발전, 생물학 및 화학 센서와 같은 실용적 응용을 위해 광범위하게 연구되고 구현되었다. 그러나 이러한 시스템에 필요한 고급 나노 제작 기술은 복잡성과 높은 제조 비용을 초래한다. 반면, 무질서한 광학 시스템은 더 큰 광학적 견고성, 제작 용이성, 확장성 및 비용 효율성을 제공한다. 무질서한 배열 또는 나노 공명체의 이방성 조립에서 다양한 혼돈형 형태는 광대역 흡수, 빛 국소화, 빛 포획 및 비-간섭 색상과 같은 독특한 광학 현상을 나타낼 수 있으며, 이는 혁신적인 연구와 많은 잠재적 응용의 가능성을 제안한다. 본 논문은 혁신적 응용을 위한 무질서한 나노 공명체의 구현을 보여준다. 논문은 총 5장으로 구성되어 있다. 제1장은 무질서한 플라즈모닉 및 유전체 공명체의 독특한 광학 특성을 간략히 소개하며, 다음 장의 초점인 전기 변색 장치, 습도 센서 및 광열 변환기에 적용될 수 있는 광학 현상을 제시한다. 제2장은 비평탄 표면 ITO 전극에 비균일한 플라즈모닉 구리 나노 클러스터를 전기증착하여 반사형 흑백 디스플레이에서 검은 외관을 달성하는 방법을 설명한다. 또한 비균일한 표면 특성을 가진 전극이 제작 및 연구되었다. 비균일성은 비균일한 구리 전기증착을 유도하여 광대역 표면 플라즈몬 공명(SPR)과 빛 트래핑을 발생시키며, 이는 원래 빨간 구리 입자에 대해 낮은 반사율의 검은 외관을 제공한다. 제3장은 무작위로 배열된 티타니아 미세 구체를 색변환 습도 센싱 재료로 사용하는 방법을 시연한다. 기공 특성, 미세 구체 크기 및 결정화를 최적화하여, 전체 기공 부피가 큰 다결정상의 메조포어로 구성된 미세 구조를 제작하고 습도 센서로 사용한다. 이 센서는 높은 광학적 습도 응답성, 밀리초 수준의 응답 시간 및 기존 대비 훨씬 뛰어난 장기 안정성을 나타낸다. 비접촉 색변환 장치의 프로토타입과 실시간 호흡 모니터링 시스템이 제작 및 테스트되어 이 센서의 실용적 응용 사례를 보여준다. 제4장은 태양 에너지 수확을 향상시키기 위해 TiO2-Ag 복합체의 사용을 탐구한다. 여기서, 다공성 TiO2 네트워크 내에 포함된 Ag 나노 입자는 플라즈모닉 공명과 빛 순환으로 인해 빛 흡수를 크게 증가시키며, 이는 효율적인 태양광-증기 변환 및 광열 증류를 통한 효과적인 물 정화를 초래한다. 마지막으로, 제5장은 세 가지 다른 분야에서 응용 성능을 향상시키는 무질서한 나노 구조의 활용에 대한 연구를 요약한다. 또한, 이 분야에서의 추가 연구 제안과 확장된 응용을 위한 무질서한 광학 시스템의 발전 전망을 제공한다.;Well-defined optical systems exhibit predictable properties and have been extensively studied and realized for practical applications, including microscopy, photovoltaics, and biological and chemical sensors. However, the advanced nanofabrication techniques required for these systems lead to complexity and high manufacturing costs. In contrast, disordered optical systems offer greater optical robustness, ease of fabrication, scalability, and cost-effectiveness. Various chaotic morphologies from disordered arrangements or anisotropic assemblies of nanoresonators can exhibit unique optical phenomena such as broadband absorption, light localization, light trapping, and non-iridescent colors, paving the way for innovative studies and numerous potential applications. This thesis demonstrates the realization of disordered nanoresonators for innovative applications. It contains five chapters. Chapter 1 briefly introduces the unique optical properties of disordered plasmonic and dielectric resonators, and introduces optical phenomena that can be applied to three different domains which are the focuses of the following chapters: electrochromic devices, humidity sensors, and photothermal converters. Chapter 2 presents an approach for achieving a black appearance in reflective-type black-white displays through the electrodeposition of non-uniform plasmonic copper nanoclusters on rough-surface ITO electrodes. Electrodes with non-homogeneous surface features are also fabricated and studied. The inhomogeneity causes non-homogeneous copper electrodeposition, resulting in broadband surface plasmon resonance (SPR) and light trapping, which leads to a low reflective black appearance for the otherwise red copper particles. Chapter 3 demonstrates the use of randomly arranged titania microspheres as colorimetric humidity sensing materials. By optimizing pore characteristics, microsphere size, and crystallinity, optimal microstructure, consisting of mesopores with large total pore volume and polycrystalline phase, is fabricated and used as humidity sensors. The sensors exhibit high optical humidity responsivity, milli-second response times, and much better long-term stability compared to alternative materials. Prototype touchless colorimetric devices and real-time breath monitoring systems are fabricated and tested, showcasing the practical applications of these sensors. Chapter 4 explores the use of TiO2-Ag composites to enhance solar energy harvesting. Here, Ag nanoparticles embedded within the porous network of TiO2 significantly increase light absorption due to plasmonic resonance and light circulation, resulting in efficient solar-to-vapor conversion and effective water purification through photothermal distillation. Finally, Chapter 5 provides a summary of the studies on the utilization of disordered nanostructures in enhancing application performance across the three distinct domains. Additionally, it offers suggestions for further research in these domains and an outlook on advancing disordered optical systems for extended applications.