Al2O3 원자층 증착을 통한 그래핀 포화 흡수체 광소자의 표면 보호에 관한 연구

Abstract

2차원 평면상에서 탄소 원자들이 육각형 모양으로 배열된 그래핀은 밴드갭이 없고 선형적인 에너지-모멘텀 분산 관계를 가지는 특이한 전자 구조의 반금속 물질이다. 이런 특이한 전자구조를 가지는 그래핀은 광대역 흡수특성, 빠른 회복시간, 높은 3차 비선형성과 높은 광학적 파괴 문턱값 등 광학소자에 활용될 수 있는 우수한 특성을 가진다. 이러한 그래핀이 광학 소자들 중 레이저의 포화흡수체로 이용될 경우, 레이저는 공진기 내의 손실에 매우 민감하기 때문에 한 층당 약 2.3%의 흡수율을 가지는 그래핀은 다층보다 단층일수록 유리하다. 이러한 단일 층 그래핀을 합성하는 방법 중 화학 기상 증착법(Chemical Vapor deposition, CVD)은 수 cm 이상의 고품질 단일 층 그래핀을 구현하기에 가장 적합한 방법으로 잘 알려져 있다. 또한 CVD로 합성한 그래핀은 물리·화학적으로 합성된 그래핀에 비해 크기와 위치에 구애받지 않고 자유롭게 전사할 수 있다는 장점이 있다. CVD를 이용하여 그래핀을 합성할 때, 촉매로 사용되는 금속 호일의 종류 혹은 상태, CVD 챔버 내의 압력과 온도, 사용되는 수소와 메탄의 유량 등 여러 조건에 따라 그래핀의 층수와 품질이 결정된다. 본 연구에서는 전 처리 과정, 챔버 내부의 압력, 메탄과 수소의 유량, 성장시간의 변화에 따라서 단일 층 그래핀을 합성하기 위한 조건을 최적화하였다. 합성된 그래핀은 포화 흡수체 제작을 위해 석영기판 위에 전사 되었고 광학 현미경, 라만 스펙트럼, 선형 투과 측정, 비선형 투과 측정 등을 통해 광학적 특성을 확인하였다. 이렇게 제작된 그래핀 포화 흡수체는 레이저 모드-잠금에 있어서 중요한 역할을 하지만 물리·화학적 외부 요인에 대한 안정성 확보가 결여되어 있다. 즉, 그래핀 포화 흡수체 표면에 이물질이 묻으면 물리적 데미지에 취약하기 때문에 렌즈나 거울 같은 다른 광학 소자들처럼 쉽게 세척할 수 없고 그런 이물질들의 에너지 흡수로 인해 소자가 손상될 수도 있다. 또한 실험 과정에서의 실수로 화학 물질이 묻게 되면, 그래핀이 도핑이 되거나 특성 변화가 생길 수 있으므로 포화 흡수체로서의 기능도 상실 할 수 있다. 이에 따라 외부요인으로부터 그래핀 포화 흡수체의 물리·화학적 안정성 확보를 위해 원자층 증착법을 통해 〖Al〗_2 O_3층을 증착해 표면을 보호하게 하였다. 렌즈 페이퍼를 통해 물리적인 힘을 가해주고, 질산을 통해 화학적 도핑을 시도했을 때, 〖Al〗_2 O_3층이 증착된 표면 보호된 그래핀 포화 흡수체는 외부요인으로부터 물리·화학적 안정성이 확보된 것을 확인 할 수 있었고, 또한 증착 전후 각각의 소자를 Cr:forsterite 고체 레이저 공진기 내부에 삽입하여 레이저의 모드-잠금 동작 특성을 확인하였을 때 증착 전후에 따른 변화가 거의 없었다.