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[논문] Plasmonic stop band formation in a metal–insulator–metal ring with a narrow gap

꾸로 (gguro) 2012.03.06 18:03
이번에 소개할 논문은 표면 플라즈몬 고리에 대한 논문이다.

하하. 그렇다. 또 내 논문이다. 하하.

누가 내 논문 인용 좀 해주지. 크.

지난 6월에 나왔는데, 이제야 리뷰를 한다. 이것도 6월 30일에 나와서 아내에게 생일 선물이 되었네.

표지 좀 볼까?

 


이렇게 생겼다. 표지가 그리 멋있지는 않네. 그래도 정통 학술지라는 느낌의 단순함은 있다. 영국학술지라서 어휘를 영국영어식으로 바꿨던 기억이 난다. color 대신 colour 이라든지, center 대신 centre 라든지 하는 식으로 말이다. 게재승인이 났던 것을 기념한 글도 있네. (글 보기)

# 간단한 정보

글쓴이: 황용섭, 김재은, 박해용, 기철식

제목: Plasmonic stop band formation in a metal–insulator–metal ring with a narrow gap

학술지: Journal of Optics (IOP Publishing)

발행년월: 2011년 6월

이어가기: http://dx.doi.org/10.1088/2040-8978/13/7/075006


1.
역시 표면 플라즈몬에 대한 논문이고, 유한차 시간영역 방법을 이용한 계산 논문이다. 고리 모양에 대해서 연구한 것인데, 어떤 구조에 대한 계산인지 구조의 생김새부터 보도록 하자.


겉의 회색 부분이 은(Ag)이고 안쪽 흰 부분이 공기(air)이다. 왼쪽에서 빛을 넣어주고 오른쪽으로 얼마나 나오는지 보는 구조로서, 고리모양을 얼마나 잘 지나갈지를 계산한 것이다. m_in 과 m_out 이라고 쓴 것이 빛의 양을 측정하는 모니터가 있는 위치로 in은 입력(input) out은 출력(output)이라는 뜻으로 아래첨자를 붙인 것이다. 출력을 입력으로 나눈 비를 구하면 투과율을 얻게 된다.

그럼 투과율 그래프를 볼까?


이게 투과율 그래프다. 가로축은 주파수, 세로축은 데시벨로 표현한 투과율이다. 투과율이 0 데시벨에 가깝다는 것은 거의 모두 다 투과된다는 뜻이고 작아지면 작아질 수록 투과가 잘 안 된다는 말이다. 그래프를 보면 주파수가 1.2 부근에 깊이 파인 골이 있고 주파수 3.2 부근에 또 다른 골이 있다. 이곳은 특별히 투과가 잘 안 되는 주파수 영역대라고 보면 되고 그 주파수 영역을 이 논문에서는 멈춤띠(Stop Band)라고 불렀다. 즉 1.2 부근과 3.2 부근에 멈춤띠가 있는 셈이다. 생기는 모드에 따라 모드 번호를 붙여주는데 모드번호가 2인 곳이 1.2 부근이고 모드번호가 6인 곳이 3.2 부근이다.

진짜 표면 플라즈몬이 잘 지나가는지 확인해보려면 전자기장의 모양을 봐야한다.


자기장의 모양이다. 모양을 보면 모드번호가 2일 때와 6일 때는 왼쪽에 넣어주었던 빛이 오른쪽으로 넘어가지 못하는 것을 볼 수 있다. 하지만 모드번호가 4일 때는 왼쪽에 넣어주었던 빛이 오른쪽으로 잘 넘어간다. 이를 봐서 내가 설계한 고리가 특정 주파수 영역의 빛이 지나가지 못하게 막는 멈춤띠 역할을 잘 하고 있다는 것을 알 수 있다. 저 위쪽에 작은 틈을 둔 것이 고리의 멈춤띠가 어떤 주파수에서 생기게 될지를 결정하는 데 중요한 요소가 된다.


2.

계산을 하다보니 다른 모양도 재미있는 게 될 것 같아서 추가로 계산을 해 보았다. 그건 바로 Y자 모양이다. Y자 모양을 만들고 아래쪽에서 빛을 넣어주면 위의 양쪽으로 나오게 될텐데, 그 때 멈춤띠 역할을 할 수 있지 않을까 하는 생각이었다.


이번에도 멋진 그림을 얻었다. 모드번호가 3인 곳에서 멈춤띠가 나타나는 것을 볼 수 있다. 전자기장 모양도 봐야하니 한 번 살펴보자.


자기장의 모양이다. 모드번호가 3일 때에는 위쪽의 양쪽 팔로 표면 플라즈몬이 진행하지 못하지만, 모드번호가 6일 때는 표면 플라즈몬이 위쪽으로 잘 빠져나간다.
 

3.
이 논문에 나온 내용으로 2011년 5월에 부산에서 있었던 SPP5 학회에서 발표를 했었다. 포스터에는 Y자 모양에 대한 계산은 빠져있었다. 그 때 논문도 투고 해 둔 상태였는데 Y자 모양에 대한 계산은 하지 않은 상태에서 Y자 모양으로 만들면 이런 것이 될 거라고 말만 썼었다. 그랬더니 Journal of Optics의 심사위원이 말로만 쓰지 말고 계산해서 넣으라고 해서 논문에 추가로 넣었다. 그 심사위원평을 내가 부산에서 포스터 발표를 하고 있을 때 받았다. 마치 심사위원이 그 자리에 있는 느낌이었다. (정말 그랬을지도.)

그렇게 해서 게재승인이 되었고, 논문이 나온 뒤 2011년 12월 제주도에서 열린 ICAMD 2011 학회에서 한 번 더 발표를 했었다. 그 때는 Y자 모양도 포스터에 넣고, 구조의 두께를 고려한 3차원 계산까지 추가로 넣었다. 3차원에서도 되니 실제로 해봐도 좋지 않겠냐는 의미를 담아서 발표를 했었다.

4. 총평
유한차 시간영역 방법으로 표면 플라즈몬에 대한 계산을 어떻게 하는지 공부한 된 뒤, 계산해서 얻은 세 번째 논문이 되었다. 금속-부도체-금속 고리 구조에서 표면 플라즈몬이 어떻게 행동하는지 이해하는 데 좋은 연구가 되었다고 생각한다. 최근 유행하고 있는 메타물질에서 금속의 끊긴고리(Split ring)를 기본단위로 하는 구조가 많이 연구되고 있는데, 금속이 끊긴 것이 아니라 부도체가 끊겼다는 면에서 끊긴고리에 대한 연구라는 점에서도 의미가 있지 않나 생각한다. 

 

4 Comments
  • 프로필사진 2012.03.08 13:50 비밀댓글입니다
  • 프로필사진 꾸로 (gguro) 2012.03.09 10:53 신고 관심있게 읽어주셔서 고맙습니다.
    질문까지 해 주셨네요. ^^

    1. 시뮬레이션과 실험이 병행된 건가요?
    답) 실험은 하지 않고 시뮬레이션만 했습니다.
    실험으로 구현 가능할 것으로 보이는 구조에 대해서 하긴 했는데, 제가 연구할 때 연구실 상황이 실험을 할 수 있는 상황은 아니었거든요.

    2. 고리 한쪽에만 갭을 둔 이유가 있나요?
    답) 고리 양쪽에 갭을 두어도 상관 없습니다. 다만 그 때 생기는 모드의 모양이 달라지게 되고, 그에 따라서 옆에 붙이는 도파로의 위치도 달라져야 하겠지요. 예를 들어 Y자 모양의 경우에는 고리의 위쪽과 아래쪽에 모두 갭을 두면 원하는 성능을 내지 못하게 됩니다.

    3. 플라즈몬 fundamental 논문이 소개해주실 수 있나요?
    답) nanowire 끝에 metal cap을 만들어 플라즈몬 현상을 본다니 재밌겠네요. bio material을 측정하는 것까지 한다면 정말 좋은 연구가 되겠네요.
    가장 많이 읽히는 논문은 2003년 Nature에 나온 Barnes, Dereux, Ebbesen의 Review 논문입니다. bio쪽과 연계해서 쓴 논문도 있을텐데 그건 제가 잘 아는 바가 없네요. Stefan Maier가 쓴 Plasmonics라는 책도 있습니다. 제 생각에는 Barnes 논문과 Maier의 책을 읽으면 충분하지 않을까 생각합니다. Maier의 책이 나오기 전에는 Heinz Raether의 책도 많이 읽었었지요.

    아직 갈 길이 머니 차근차근 가시면 될 거에요. 좋은 연구 많이 하시길 바랍니다. ^^
  • 프로필사진 각시야 2012.03.09 09:35 신고 표면 플라즈몬의 고리 모양이 맘에 드네요.
    경우에 따라 어떤 사람들은 뭔가 복잡해 보이는 걸 좋아 할 수도 있겠지만
    즉 고리에 복잡해 보이도록 다리를 유한하게 덧붙일 수 있겠죠?
    하지만 그것 보다 기본 고리 모양에서 다양한 값들이 나왔다는게 더 의미가 있는 것 같아요...

    각시야는 여보야가 물리학자라는게 자랑스러워요.
    평생 물리로 하나님께 영광 돌리길 기도해요.
  • 프로필사진 꾸로 (gguro) 2012.03.09 10:57 신고 늘 함께해주는 각시야 고마워요.

    각시야 말대로, 다리를 여러 개 붙일 수 있지만 가장 단순한 모양에서부터 시작하는 게 좋은 것 같아요.

    여보야를 자랑스러워해줘서 고마워요.
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