[논문] Metal-insulator-metal mirror for surface plasmons

이번에 소개할 논문은 표면 플라즈몬 거울을 제안한 계산 논문이다. 맞다. 내 논문이다. 하하.

표지는 이렇게 생겼다.
 

저 이름을 한글로 넣느라고 고생 좀 했다. LaTeX에서 CJK^[각주:1]를 써서 한글을 썼는데, 그게 어떤 셈틀에서 컴파일하는가에 따라서 잘 안 되기도 하기 때문이다. 마지막에는 Physical Review B의 출판부에 저자 다섯명의 한글 이름에 해당하는 유니코드를 일일이 찾아서 보내주었다. 그렇게 해서 출판이 몇 주 늦어졌는데, 그러다보니 출판 날짜가 6월 30일이 되었다. 덕분에 아내의 생일과 같은 날 출판이 되어서 아내에게 좋은 생일 선물이 되었다. (Published 30 June 2011 이라고 써 있는 게 보이는가?)
 
# 간단한 정보

글쓴이: 황용섭, 신종화, 김재은, 박해용, 기철식
제목: Frequency selective heterojunction metal-insulator-metal mirror for surface plasmons
학술지: Physical Review B
발행년월: 2011년 6월
이어가기: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.83.235131

카이스트 물리학과의 박해용 교수님과 김재은 교수님의 제자인 황용섭이 주저자로 쓴 논문으로 당시 카이스트 물리학과 이용희 교수님 연구실의 박사후 연구원인 신종화 박사님과 광주의 고등광기술연구원의 기철식 박사님의 도움을 받아 완성한 논문이다. 

이 논문에 대한 우여곡절은 벌써 몇 번 이 블로그에 썼으니 관련글을 볼 수 있도록 이어둔다. (투고, 게재승인) 


1.
그럼 논문 내용을 좀 살펴보자.

구조는 이렇게 생겼다. 공기 또는 유전체를 사이에 두고 은이 양쪽에 있는 구조이다. "은/공기/은"으로 되어있는 구조를 air-MIM, "은/유전체/은"으로 되어있는 구조를 D-MIM이라고 이름 붙였다. air-MIM쪽에서 빛이 들어오는데, 그 빛이 표면 플라즈몬이 되어서 오른쪽으로 진행한다.

이렇게 두 MIM을 붙여두면 경계면에서 반사가 일어나게 되어 거울로 쓸 수 있을 것이라는 발상에서 출발한 논문이다. 정말 반사가 일어나는지 볼까?


2.
일단 그림 하나 또 보면서 시작하자.

 
유한차 시간영역 방법(FDTD)으로 계산한 결과 그림이다. 이 논문의 모든 내용은 유한차 시간영역 방법로 계산한 것이다.

그림을 보면 (a)에 있는 표면 플라즈몬은 왼쪽에서 오른쪽으로 잘 진행하는 것을 볼 수 있지만, (b)에 보여준 것은 왼쪽으로부터 진행하다가 막혀서 더 이상 진행하지 못하는 것을 볼 수 있다. 경계면이 거울이 되어 다시 왼쪽으로 돌아오는 것이다.

그렇다면 (a)와  (b)는 뭐가 다른 것일까?


3.
뭐가 다른지  보기 위해서 다음 그림을 보자.

이 그림의 검정색 선은 투과율, 빨간색 선은 반사율을 나타낸다. 아래쪽 가로축에는 주파수가 표시되어 있고 위쪽 가로축에는 그에 해당하는 자유공간에서의 파장을 표시하였다. 주파수 영역을 I, II, III으로 나누었는데, 그 영역에 따라 투과와 반사 특성이 달라지는 것을 볼 수 있다. 영역 I에서는 70% 정도 투과하고 30% 정도 반사되는 것을 볼 수 있다면, 영역 II와 III에서는 투과율이 0인 것을 볼 수 있다. 즉 위의 (a)와 (b)는 각각 영역 I과 II의 표면 플라즈몬을 그린 것이었다. 투과와 반사가 동시에 있는 영역의 그림이 (a)이고, 반사만 있는 영역의 그림이 (b)이다.


4.
이런 차이는 왜 나타날까?
 

그 차이는 위의 분산관계 그래프를 이용해서 설명할 수 있다. 분산관계는 흔히 파수벡터와 주파수 사이의 관계를 말한다. 위에 보인 air-MIM의 분산관계(a)와 D-MIM의 분산관계(b)를 비교해보면 투과와 반사특성을 설명할 수 있다. air-MIM과 D-MIM에서 동시에 표면 플라즈몬의 도파모드가 같은 대칭성을 가지고 존재하는 주파수 영역(영역 I)에서는 일정부분 반사되고 많은 부분 투과된다. 하지만 영역 II와 같이 air-MIM에서의 도파모드의 자기장이 중심축에 대해 대칭이지만 D-MIM에서는 반대칭인 경우에는 투과율이 0이 된다. 영역 III처럼 D-MIM에서는 아예 모드가 존재하지 않는 띠틈(band gap)인 경우에도 투과율이 0이 된다. 이 때 반사율은 1이 될 것 같지만 다양한 요인에 의한 손실 때문에 1보다 작은 값을 가지게 된다.

5.
왜 이런 구조를 제안 했는가?

금속-부도체-금속 구조로 이루어진 표면 플라즈몬 거울의 경우, 제안된 대부분의 구조는 브래그 거울 형태를 띠고 있다. 이는 주기적인 구조를 만들어야 하기 때문에 제작에 어려움이 있다. 하지만 제안한 구조는 주기적인 구조를 가지지 않고, 구조가 단순하며 거울로서 좋은 효율로 작동하며 주파수 선택적이기 때문에 장점을 가진다. 또한 구조가 단순하기 때문에 광소자의 크기도 더 작게 줄일 수 있을 것으로 예상된다.


6. 총평
유한차 시간영역 방법을 이용해 금속의 손실을 포함한 표면 플라즈몬의 투과와 반사를 계산한 논문으로 높은 수준의 계산 능력을 보여주었다고 믿는다. 하하. 솔직히 부족한 면이 많지만 그래도 이 논문이 표면 플라즈몬이라는 학문 분야에 작은 도움이 되기를 바라는 마음이다.

 

1. CJK 사용 한글이름 쓰기 관련 글 http://gguro.com/129 [본문으로]