그래핀 기반 광소자의 광대역 비선형 광특성 연구

Abstract

벌집모양의 2차원 구조를 가지는 탄소 원자로 이루어진 그래핀은 기존의 bulk 물질과 구별되는 고유의 기계적, 화학적, 전기적 특성을 가지고 있다. 특 히 그래핀은 원자 한 층의 매우 얇은 두께에 비해 큰 3차 비선형성과 포인트 밴드 갭 특성을 갖고 있기 때문에 현재 매우 넓은 대역에서 동작 가능한 그래 핀 기반 비선형 광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀 기반 비선형 광소자의 특성을 정밀하게 제어하기 위해서는 그래핀의 비선형성을 체계적으로 측정하는 선행연구가 필요하다. 그래핀의 비선형성을 측정한 연구 내용들이 일부 보고되고 있지만, 연구에 사용된 그래핀의 층수가 명확하지 않고, 여러 파장과 입사 빔의 세기에 따른 체계적인 연구가 진행되지 않은 상황이다. 본 연구에서는 CVD(화학 증착법)을 이용해 제작한 고-퀄리티의 대면적 단 층 그래핀을 이용하여 단층 그래핀 소자를 제작하였고, 단층 그래핀을 임의 적 층 방식을 통해 두층, 네층으로 제작한 다층 그래핀 소자를 제작하였다. 이러한 소자의 광대역 비선형성을 측정하기 위하여 광원으로 710 nm부터 950 nm까 지 파장 변환이 가능한 Ti:sapphier 펨토초 모드-잠금 레이저와 1080 nm부 터 1600 nm까지 넓은 파장 대역에서 동작 가능한 광 매개 공진기를 사용하였 다. 높은 분해능의 비선형 투과 측정을 통해 입사 빔의 세기를 세 가지의 영 역으로 정의하고, 정의된 세 가지 세기 영역에서 Z-scan 실험을 통해 그래핀 의 층수, 입사 빔의 파장과 세기에 따른 그래핀의 비선형 굴절률, 비선형 흡수 계수, 3차 감수율들을 체계적으로 측정하였다. 또한 측정된 Z-scan 측정 결과 를 Optical Kerr gate 실험을 통해서 재확인하고 기존의 보고된 그래핀의 비 선형성 연구 결과들과 비교함으로써 본 실험의 측정 결과가 정밀하게 측정되었 음을 확인하였다.