나노 구조 물질의 비선형 광특성 측정 및 분석 연구

Abstract

서브 나노 스케일 수준의 미시적 구조에서는 양자 갇힘 현상, dielectric confinment,surface plasmon resonance와 같은 현상에 의해 덩어리 상태와는 다른 독특한 전기적 광학적 성질을 띄게 된다. 이렇게 크기의 변화에 의해 새로운 성질을 띄게 되는 현상을 알게 된 후로 미시적 구조를 가지는 물질들을 나노구조물질(nanostructured material)이라 통칭하며 관련 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 광학의 줄기 중 하나인 비선형 광학 부문에서도 나노구조물질에서의 비선형 광특성의 증대와 새로운 소자 개발에의 가능성 때문에 커다란 연구동기를 부여한다. 본 논문에서는 다양한 나노구조 물질 중에 선택적으로 두 종류의 샘플에 대해 서로 다른 실험을 수행한 결과를 보여준다. 하나는 응용성 높은 특성을 가지고 있는 반도체 물질인 산화아연(Zinc Oxide;ZnO)의 결정이 지름 수십에서 수백 나노 정도의 “봉”형태(nanorod)로 자라난 샘플의 2차 비선형 광특성을 Rotational Second Harmonic measurment 기법으로 측정한 내용을 바탕으로 하고 있으며 다른 하나는 탄소 구조체이고 나노구조물질 중에서도 유명한 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube;SWCNT)를 sol-gel 방법을 이용하여 SWCNT/silica composite으로 제작된 샘플의 3차 비선형 광특성을 singlebeam z-scan 방법으로 측정한 내용을 가지고 서술하고 있다. ZnO nanorod의 2차 비선형 측정에서는 기판 위에 성장된 ZnO nanorod의 성장 길이가 1∼2 μm 정도였으며 측정에 사용된 레이저의 파장(1064 nm)와 엇비슷한 길이를 가짐으로 해서 ZnO 결정에서 생성되는 2차 조화파 및 입사파가 샘플 내에서 fabry-perot 효과에 의해 증대됨에따라 기존의 이론식을 그대로 적용하기가 어려웠다. 따라서 이런 간섭효과를 감안하기 위해 샘플내에서의 입사파 및 2차 조화파의 경계면 조건을 행렬을 이용하여 풀어내어 컴퓨터로 시뮬레이션하고 이것을 바탕으로 측정 데이터와의 비교를 수행하였다. 결과로서 ZnO nanorod의 2차 비선형 계수 χ33의 절대값이 덩어리 상태에서 의 값보다 증대되었음을 확인했으며 이는 ZnO 결정이 나노구조를 이루면서 2차 비선형 계수에 영향을 준 것으로 추론했다. 상이한 제조 공정을 거친 HiPco와 arc-made SWCNT를 기반으로 제작된 두 종류의 SWCNT/silica composite 샘플의 Raman 스펙트럼 및 투과 스펙트럼을 관찰하였고 두 샘플의 3차 비선형 계수 측정을 532 nm와 1064 nm 파장에서 펄스의 시간폭이 9 ns인 펄스 레이저를 이용한 single-beam z-scan으로 수행하였으며 측정 결과 두 샘플 모두 두 파장 대에서 자기퍼짐(self-defocusing) 및 bleaching현상을 일으킴을 관측하였다. 측정 데이터를 바탕으로 두 샘플의 3차 비선형 계수인 χ(3)을 얻어내었고 이 값이 약 10^(-12)esu 를 가짐을 확인하였다.