새로운 플라즈몬 금속

Jun 22, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14029(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

색상 감지는 생물학 및 산업 응용 분야 모두에서 가장 중요한 관심사 중 하나입니다. 특히 광파 특성을 결정하는 것은 광자 기술에서 매우 중요합니다. 색각에서 알아내야 할 특징 중 하나는 파장이나 색이다. 본 연구에서는 효율적인 방법으로 RGB 색상을 개별적으로 감지하는 데 사용할 수 있는 구조를 제안합니다. 제안된 검출기는 원하는 파장(적색, 녹색, 청색)을 감지하는 플라즈모닉 필터와 수신된 광자를 전류로 변환하는 PN 다이오드로 구성된다. 1mW × cm−2의 입력 강도에서 파란색, 녹색 및 빨간색의 전류 밀도는 각각 27, 35 및 48μA × cm−2입니다. 0.1μA × cm−2의 전류 밀도를 얻기 위해 필요한 강도는 청색, 녹색 및 적색 스펙트럼에 대해 각각 3.94, 2.98 및 2.25μW × cm−2인 것으로 나타났습니다. PIN 다이오드와 같은 고정밀 광검출기 구조를 사용하면 최소 감지 수준을 줄일 수 있다는 점을 언급해야 합니다. 원하는 파장에 대한 간단한 조정과 다양한 입력 강도에 대한 선형 작동이 설계된 구조의 특징입니다. 이 검출기는 CMOS 기술과 호환되며 전하 결합 장치, 디스플레이 및 카메라와 같은 다양한 응용 분야에서 쉽게 활용할 수 있습니다.

광자 기술이 등장한 이후 효율적인 검출기를 설계하는 것은 연구자들에게 큰 관심을 불러일으켰습니다. 광검출기는 입사광의 강도를 전류로 변환하는 장치입니다. 일반적으로 이 변환은 입사광의 파장에 민감합니다. 적외선(IR) 및 가시광선 검출기(VLD)는 의료 및 군사 이미징, 광통신 및 최신 카메라1,2,3,4,5,6,7,8과 같은 광자 기반 문제에 무수히 응용됩니다. 400~700nm 사이의 전자기 스펙트럼을 가시광선이라고 하며 VLD를 통해 감지해야 합니다. 빨간색, 녹색, 파란색(RGB) 색상을 개별적으로 효율적으로 감지하는 것이 VLD의 기본 임무입니다. 즉, 이러한 검출기에서는 색상 필터링이 수행되어야 합니다.

색상 감지는 CMOS 기반 이미지 감지 장치9,10,11 및 다색 홀로그램12과 같은 이미지 감지 장치의 기본 기능입니다. 안료와 염료를 기반으로 하는 컬러 필터는 전통적으로 유기발광소자(OLED)와 액정 디스플레이(LCD)에 사용되어 왔습니다. 이러한 필터는 유기 물질의 화학적 안정성이 낮기 때문에 신뢰성이 충분하지 않습니다11. 더욱이, 유기 필터링 재료는 통합 공정11과 호환되지 않습니다. 메타물질, 나노와이어 도파관, 양자점 및 플라즈몬을 활용하는 것은 컬러 필터 설계의 대안입니다. 플라즈몬 현상에서 표면 플라즈몬 공명(SPR)이라고 불리는 금속-절연체 경계면에서의 표면 공명은 원하는 파장을 포착하고 필터 역할을 하는 다층 구조를 설계하는 데 활용될 수 있습니다. 플라즈몬 구조의 간단한 구현으로 연구자들은 도파관, 광학 감지, 흡수체 및 필터와 같은 광범위한 응용 분야에서 플라즈몬을 사용할 수 있습니다. 필터링 관점에서 볼 때, 플라즈몬 구조는 절연체 층의 두께에 의해 쉽게 조정되어 공진 주파수를 변경하고 이어서 필터링된 스펙트럼을 변경할 수 있습니다.

플라즈몬 필터는 주로 정적 필터와 동적 필터의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 정적 경우와 달리 동적 경우는 입사광의 편광, 열 또는 장치에 가해지는 기계적 응력에 따라 다른 특성을 나타냅니다. 격자, 주기, 하위 파장, 하이브리드 나노홀35,36,37 및 나노디스크 어레이17,37는 정적 필터에 도입된 몇 가지 예입니다. 플라즈몬 필터의 내구성과 분해능은 비플라즈몬 필터보다 우수합니다. 이러한 이유로 우리는 플라즈몬 기반 구조를 사용하여 컬러 필터를 설계했습니다.