규소

Jun 05, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12311(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

중적외선 스펙트럼 범위의 감지는 다양한 가스를 감지하고 모니터링하는 데 매우 바람직합니다. 이로써 우리는 중적외선 범위 내에서 (3.5-10 μm)에서 작동하는 CMOS 호환 실리콘 기반 센서를 제안합니다. 실리콘 소재는 플라즈몬 공명을 3μm 파장으로 이동시키는 수준으로 도핑됩니다. 센서 장치는 인라인 직사각형 미세공동과 스터브 미세공진기로 구성됩니다. 두 공진기의 공진 주파수/파장은 서로 다른 설계 치수로 연구되었습니다. 두 공진기가 가까운 주파수에서 공진하도록 설계되면 두 공진 프로파일 간의 간섭으로 인해 뚜렷하고 날카로운 선 모양을 갖는 흥미로운 Fano 공명이 여기됩니다. Fano 공명은 급격한 강도 변화 프로필로 인해 매우 민감한 측정에 유용합니다. 센서는 유한 차분 요소 및 2D 유한 차분 시간 영역 방법을 사용하여 연구 및 분석됩니다. 센서의 성능은 6000nm/RIU의 높은 감도, 353의 FOM, 6.5μm 작동 파장 주변에서 0.45dB의 제한된 삽입 손실이 특징입니다. 또한, 각각 3.6μm 파장과 4.46μm 파장의 강한 흡수대를 통해 포름알데히드 CH2O와 아산화질소 N2O 가스를 동시에 검출하는 센서를 개발합니다.

많은 가스가 중적외선 범위1,2에 흡수 지문을 가지고 있기 때문에 중적외선 감지는 통신, 국방, 환경 및 산업 모니터링과 같은 다양한 영역에 적용되기 때문에 특히 중요합니다. 광학 센서는 기존 실리콘 Si 포토닉 플랫폼과 플라즈몬 플랫폼3이라는 두 가지 주요 플랫폼을 기반으로 개발되고 있습니다. Si 구조는 CMOS와 호환되고 도파 손실이 낮다는 장점이 있는 반면, 플라즈몬 구조는 훨씬 더 작은 크기를 가질 수 있습니다. 더욱이, 플라즈몬 구조는 금속-절연체-금속 도파관, 플라즈몬 슬롯 및 공동과 같은 작은 영역4,5에서 전자기장을 강화하고 제한하는 흥미로운 특성을 가지고 있습니다. 일반적으로 사용되는 귀금속 Au 및 Ag의 문제는 이들이 고정된 자유 전자 밀도를 가지고 있어 고정된 플라즈몬 공명 주파수를 초래하고 CMOS와 호환되지 않는다는 것입니다. 반대로, 도핑된 반도체6,7는 CMOS 호환성과 도핑 농도에 따른 플라즈몬 공명 주파수의 조정 가능성이라는 장점이 있습니다8.

센서 작동 원리는 경마장 공진기9 및 Mach Zender 간섭계10와 같은 다양한 구성에서 달성되는 강력한 광학 공명 및 간섭 효과를 기반으로 합니다. 다른 기술로는 토로이달(11), 표면 격자 공명(12) 및 연속체 센서(13)의 결합 상태도 조사되었습니다. 그러나 우리는 잠재적으로 센서 성능을 향상시킬 수 있는 중적외선 감지에서 결합 공진기의 효과를 연구하고 싶습니다. 두 개 이상의 공진기를 결합하면 Fano 공명14,15,16, 전자기 유도 투명도 및 Borrmann 효과17와 같은 특수 프로파일을 사용하여 독특한 특성과 스펙트럼 선 모양이 나타날 수 있습니다.

일반적으로 Fano 공명은 투과 스펙트럼에서 급격한 하락 또는 최고점을 생성하는 방식으로 광파가 물질과 상호 작용하는 통합 포토닉스에서 발생하는 현상입니다. 파노 공명은 1961년 이탈리아 물리학자 우고 파노(Ugo Fano)에 의해 처음 기술되었으며, 이후 양자점, 플라즈몬 나노입자, 광결정 등 다양한 시스템에서 관찰되었습니다.

Fano 공명은 두 광학 경로 사이의 간섭으로 인해 발생합니다. 하나의 경로는 물질을 통한 빛의 직접적인 전달을 포함하고, 다른 하나는 물질 내의 개별 공진 구조에 의한 빛의 산란을 포함합니다. 이 두 경로 사이의 간섭은 보강 또는 상쇄 간섭 효과를 생성하여 전송 스펙트럼의 급격한 피크 또는 딥을 초래할 수 있습니다. 이 효과는 공진 구조의 특성에 매우 민감하며 다양한 감지 및 신호 처리 응용 분야에 사용될 수 있습니다.