Resonant Modes and Surface Plasmons in Metal and Semiconductor Nanostructures

Abstract

Surface plasmon polaritons (SPPs) are collective oscillation of free electron gas density, generating electromagnetic (EM) wave (i.e., photons). The total excitation, including charge motion and EM field, is called a surface plasmon polariton (SPP) at a metal/dielectric interface or a localized surface plasmon (LSP) in a small metal particle. Both SPP and LSP induce strong sub-wavelength-scale field confinement and significantly enhanced light scattering/absorption. The interaction of nanometer-scale objects with light often exhibit peculiar optical properties (e.g., remarkable suppression of optical reflectance and strong resonant light emission) with the aid of interference, diffraction, graded refractive index, and Mie resonance. SPPs can strongly confine the energy from the incident light, which can significantly enhance the optical response of nano-scaled structures. Coupling of photons and SPs already allow us to develop novel spectroscopy techniques (e.g., surface enhanced Raman scattering). Interaction between SPPs and carriers can cause efficient carrier generation and collection, enabling us to devise novel optoelectronic devices. Thus, understanding the interplay among photons, plasmons, and carriers can provide us fascinating research topics in physics and relevant fields. In this thesis, I investigated the influence of the resonant modes and SPPs on the physical properties of the metal and semiconductor nanostructures, using optical and scanning-probe-microscopy-based characterizations. Regarding semiconductor nanostructures, I studied design of surface Si nanowire (NW) array for high efficiency ultrathin (< 10 m) crystalline Si solar cells and optical reflectance spectra of Si nanopillar (NP) arrays to examine their wetting states. Optical simulations showed that the NW arrays raised the optical absorption of a 10-μm-thick Si solar cell across a wide wavelength range. The diameter and filling ratio of the NW array significantly influenced the spatial distribution of the optical generation rate, as well as the total absorption of the NW solar cells. Proper design of the NW array could locate the high optical field region far from the surface, which should prevent serious carrier collection loss and raise the energy conversion efficiency of NW solar cells. Recent advance of nanotechnology enables sub-100-nm-sized device fabrication in mass production level. Such development requires reliable wet cleaning of nano-patterned Si wafers. The wettability of Si NP arrays clearly influenced the optical reflectance spectra. The effective medium theory well explained the observed interference patterns of small-diameter (< 100 nm) NPs in long-wavelength regime. Resonant guided modes and their coupled modes influenced the optical spectra of large-diameter (> 100 nm) NPs. As periodic semiconductor/metal nanostructures, allowing coupled excitation of SPPs and photons, I investigated ZnO/Ag one-dimensional nanograting structures (period: 500 and 1000 nm), fabricated by nanoimprint lithography and e-beam lithography. The periodic ZnO/Ag grating structures exhibited multiple dip features in reflectance (R) and broad peaks in photoluminescence (PL) spectra at TM-mode light illumination, at a specific energy where grating-coupled SPP excitation by photons occurred. At the TE-mode light illumination, cavity modes aroused in the groove and PL intensity of the nanograting was much larger than that of a planar counterpart. As a result, polarization-independent light emission enhancement was possible in the ZnO/Ag nanogratings. To directly observe the interaction between the SPPs and carriers, I measured surface photovoltage (SPV) of the ZnO/Ag nanogratings using Kelvin probe force microscopy technique. The measured SPV values depended on the polarization direction of the incident light in the nanogratings but not in the planar sample. The relaxation time of SPV of the nanograting under TE-mode light illumination was smaller than those of the nanograting while illuminating TM-mode light. The spatial distribution of the EM field intensity and resulting photo-excited carriers could cause such distinct SPV characteristics.;Surface plasmon polaritons (SPPs)은 유전체와 금속 계면에서 전자들이 나타내는 결맞은 진동을 일컫는다. 금속입자에서 여기 되는 localized surface plasmon (LSP)과 금속 박막 계면에서 여기 되는 SPPs의 두 경우 모두 강하게 전자기파가 국소적인 영역에 집속 되어 빛의 산란, 흡수를 증가시킨다. 이러한 빛과 물질간의 상호작용은 반사율의 감소, 강한 공명 등 흥미로운 광학적 특성을 보인다. 빛과 SPPs 의 상호작용은 라만 측정 등 여러 광학 특성 분석 장비에 응용되고 있고 SPPs 와 전하간 상호작용은 전하생성과 수집을 효율적으로 하며 광전자 소자에 응용될 수 있다. 이렇듯 빛, 플라즈몬과 전하간의 상호작용을 이해하는 것은 차세대 소자 개발과 응용 측면으로 매우 흥미롭고 중요하다. 본 연구에서는 공명과 표면 플라즈몬의 영향이 금속과 반도체 나노 구조에 미치는 영향을 광학적 측정과 계산, 표면 탐침 분석을 통해 알아보고자 하였다. 반도체 나노 구조로는 10 m 두께의 얇은 실리콘 박막 위에 실리콘 나노선들이 형성된 태양전지가 높은 효율을 가지기 위한 나노선의 효과적인 배열에 대해 광학 계산을 통해 최적화 하고자 하였다. 나노선의 주기와 반경을 바꾸며 흡수 스펙트럼을 통해 구조가 광학적, 전기적 효율에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 강한 전자기장이 나노선 표면에서 멀리 형성될수록 소자의 전기적 특성이 좋음을 확인하였고 이는 전하 수집과 변환 효율에 의한 손실을 최소화 하는 경우이기도 하다. 최근에는 나노 공정기술의 발달로 100 nm 이하 크기를 가지는 표면 공정이 시도되고 있다. 이러한 발전은 표면 나노 구조의 세척과 습식 식각 등을 수행 할 때 기존에는 고려하지 않아도 되었던 표면 wetting 분석을 필요로 한다. 실리콘 나노 구조의 wetting은 반사 스펙트럼을 통해 차이 정도를 측정 할 수 있는데 effective medium 이론을 대입해 표면 나노 구조가 100 nm 보다 작은 반경을 가질 때 장파장 영역에서 간섭무늬 분석을 하였다. 나노구조가 가지는 공명 모드와 공명모드의 coupled 모드는 반경이 클수록 효과가 더 컸다. 주기적 구조를 가지는 반도체/금속은 빛으로 표면 플라즈몬을 여기 시킬 수 있는데 본 연구에서는 ZnO/Ag이 1차원 나노크기의 주기적 구조(1000 nm, 500 nm)를 각각 나노 임프린트와 전자 빔 식각 방법으로 제작하여 광학적 특성을 분석하였다. TM 편광 빛을 입사하였을 때 반사 스펙트럼에서 여러 감소 지점이 보였고 넓은 파장대에서 증가한 발광 특성을 확인하였다. 이는 빛이 여기 시킨 표면 플라즈몬이 반도체 내 exciton 여기를 증가시켜 높은 발광특성으로 보이는 것이다. TE 편광에서는 cavity 모드가 구조 안에서 여기 되어 증가되는 발광 특성으로 보이는 것을 확인 하였다. 결과적으로 입사 편광에 무관하게 증가하는 발광 특성을 얻을 수 있었다. 표면 플라즈몬과 전하의 직접적인 상관관계를 관찰하기 위해 표면 photovoltage를 KPFM 을 이용해 측정하였다. 표면 photovoltage 값은 입사 빛의 에너지와 편광에 큰 의존성을 보였고 특히 주기적 구조를 가질 때 그 차이가 뚜렷이 보였다. 이러한 표면 photovoltage의 시간에 따른 변화 양상 또한 입사하는 빛에 큰 의존도를 보이며 TE 모드에서 가장 빨리 표면 photovoltage 값을 회복했다. 전자기장 세기 분포 분석을 통해 빛으로 여기 된 전하가 표면 photovoltage 특성에 직접적인 영향을 미쳤음을 확인 할 수 있었다.