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KAIST 장민석 교수팀, 1000배 넘게 응축된 빛 관측
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KAIST 장민석 교수팀, 1000배 넘게 응축된 빛 관측
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  • 승인 2021.03.02 17:49
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나노 팁에 조사된 레이저가 금과 그래핀 사이의 어쿠스틱 플라즈몬을 여기시키는 개념도(KAIST 제공) ©뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 나노층 구조에 1000배 넘게 응축된 전자기파의 거동을 관측하는 데 성공했습니다.

이는 분자 검출 분야 및 전기광학소자 분야에 응용될 기술로 기대됩니다.

2일 KAIST에 따르면 연구팀은 수 ㎚크기의 도파로에 초고도로 응축된 `그래핀 플라즈몬'을 이용했습니다.

‘그래핀 플라즈몬’이란 나노 물질 그래핀의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상을 말합니다.

최근 이 플라즈몬들이 빛을 그래핀과 금속판 사이에 있는 아주 얇은 유전체에 가둬 새로운 모드를 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

이러한 그래핀-유전체-금속판 구조에서는, 그래핀의 전하들이 금속판에 영상 전하(image charge)를 만들게 되고 빛의 전기장에 의해 그래핀의 전자들이 힘을 받아 진동하게 되면 금속에 있는 영상 전하들도 잇따라 진동하게 됩니다.

이러한 새로운 형태의 그래핀-유전체-금속판에서의 집단적인 전자 진동 모드를 `어쿠스틱' 그래핀 플라즈몬(Acoustic Graphene Plasmon, 이하 AGP)이라고 합니다.

하지만 AGP는 광학적 파동을 수 ㎚정도의 얇은 구조에 응집시키기 때문에 외부로 새어 나오는 전자기장의 세기가 매우 약합니다.

이러한 한계점을 극복하기 위해, 국제공동 연구팀은 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론을 제안했습니다.

KAIST 전기및전자공학부의 장민석 교수와 메나브데 세르게이(Sergey Menabde) 박사후 연구원은 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접적으로 검출했고, 중적외선이 1000배 넘게 응축된 현상을 시각화했습니다.

해당 나노 구조들은 미국의 미네소타 대학(University of Minnesota)의 전자및컴퓨터공학부의 오상현 교수팀이 제작했으며, 그래핀은 성균관대학교의 IBS 나노구조물리연구단(이하 CINAP) 이영희 연구단장팀이 합성했습니다.

연구팀은 AGP 에너지의 대부분이 그래핀 아래에 있는 유전체층에 집중된 상황에서도 AGP를 검출했습니다.

 

 

AGP의 중첩 패턴이 보이는 그래핀 면의 가장자리 이미지와 근접장 신호 그래프(KAIST 제공) ©뉴스1

 

 

이는 오상현 교수와 이인호 박사후 연구원이 만든 고도로 반듯한 나노 도파로와 CINAP에서 합성한 순도 높은 대면적 그래핀 덕분에 플라즈몬이 보다 긴 거리를 전파할 수 있는 환경이 조성됐기 때문입니다.

또, AGP의 전자기장은 대부분이 그래핀이 아닌 유전체층에 존재하기 때문에 그래핀에서 에너지 손실에 덜 민감하므로 고성능 소자 구현에 유리합니다.

이번 연구 결과는 AGP가 중적외선 영역에서 작동하는 다른 그래핀 기반의 메타 표면, 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체할 수 있을 것이라는 희망을 보여줍니다.

장민석 교수 "앞으로 강한 물질-빛 상호작용이 필요한 다른 상황에서도 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 이용한 연구가 활발해지기를 기대한다ˮ고 말했습니다.

한편, 메나브데 세르게이 박사와 이인호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스' 2021년 2월19일자에 게재됐습니다.


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