THz time domain spectroscopy is an emerging biosensing technique. Photon energy of terahertz wave is relevant to the intermolecular modes of molecules. The unique signatures on THz range help identify polymorphs, biochemical and skin cancers. However high water absorption limit biomedical applications due to the low power of THz sources. This work presents a nanoplasmonic photoconductive antenna (NP-PCA) integrating plasmonically matched optical nanoantenna arrays for high power terahertz emission. Plasmonic resonance of optical nanoantenna arrays is matched to excitation wavelength of optical pulse, 800nm. Optical nanoantenna arrays concentrate the pump beam and enhance electric field around optical nanoantenna arrays. The local field enhancement generates high photocurrent, which also induces high power THz radiation. The NP-PCA has achieved by hierarchical patterning using e-beam, photo lithography and lift-off process. The electrodes have bow-tie antenna shape with 15μm electrode gap and 90° apex. Reflective intensity from optical nanoantenna arrays is measured with micro-spectrometer with a reflective type. THz time-domain waveforms are measured by using conventional optoelectronic sampling method. As a result, Spectral power of the PCA increases 2.6 times when optical nanoantenna arrays plasmonically resonate at the excitation wavelength. THz enhancement change with the plasmonic resonance wavelength.
광학파장과 라디오주파수영역 사이에 존재하는 테라헤르츠 파는 광학적 성질과 라디오 파의 성질을 동시에 가지기 때문에 여러 영역에서 많은 관심을 받고 있다. 특히 테라헤르츠가 가지는 에너지는 생화학물질의 분자간 에너지 준위에 속하기 때문에 테라헤르츠 시간영역 분광 영상을 통해 물질의 분광 정보를 측정, 물질의 검출 및 분류를 할 수 있다. 팸토초 레이저를 이용한 광전도안테나는 가장 널리 사용되고 있는 테라헤르츠 생성소자이다. 하지만 광전도안테나의 낮은 출력은 다양한 응용에 장벽이 되고 있으며, 특히 수분 흡광도가 큰 생명공학응용에서 주요한 문제로 대두되고 있다.
플라즈모닉 광학나노안테나는 최근 활발히 연구되고 있는 분야이다. 광학나노안 테나는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용해 나노수준의 빛조작을 가능케 한다. 국소 표면 플라즈몬 공명이란 금속나노구조에 있는 전도전자들이 입사하는 전자기장에 동조해 발생하는 집단적인 전자의 진동을 말한다. 광학나노안테나의 국소 표면 플라즈몬 공명현상은 나노안테나 주위에 입사된 빛을 집중화 한다. 따라서 전장의 세기는 국소적으로 10 배에서 1000 배 수준으로 증가된다. 이 국소 전장 강화는 근접장 광학이나 비선형 광학 분야에 응용이 시작되고 있다.
이 연구의 목적은 광전도영역에 광학나노안테나 배열이 집적된 나노플라즈모닉 광전도안테나를 개발하는 것이다. 광학나노안테나의 플라즈모닉 공명은 광전도안테나의 여기파장인 800nm 에 맞춰져 있다. 이때 광학나노안테나 배열에 의해 광전도영역에 전기장의 세기증가가 기대된다. 따라서 광전류의 세기가 증가되고 증가된 테라헤르츠 파가 생성될 것이다.
광학나노안테나는 FDTD 수치 해석을 통해 디자인되었다. 입사광의 편광을 고려해 막대형 태의 광학나노안테나를 설계하였다. 막대 광학나노안테나는 격자벡터가 입사 광에 평행하게 설계하였다. 안테나간 간격이 안테나간 공명현상을 만들 수 있는 200nm 로 설정하였으며, 높이는 국소 전장 강화와 전자빔노광 제작 한계를 고려해 50nm 로 두었다. 이때 광학나노안테나의 폭을 변화 시키면서 수치 해석을 진행하였다. 수치 해석 결과 나노안테나 폭이 증가할수록 국소 표면 플라즈몬 공명파장이 적외선 영역으로 이동 함을 알 수 있었으며, 폭이 200nm 일 때 플라즈모닉 공명이 광전도안테나 여기파장인 800n 에서 발생함을 알 수 있었다.
광학 나노안테나 배열이 집적된 나노플라즈모닉 광전도안테나는 전자빔노광법과 광노광법을 동시에 이용해 제작하였다. 일단 전자빔 노광 및 lift-off 공정을 통해 광전도영역에 광학나노안테나 배열을 형성하였으며, 광전도안테나 마스크를 aligner 를 통해 정렬 후 lift-off 공정을 통해 안테나 전극을 형성하였다.
제작된 광학 나노안테나 배열의 광학특성은 50x, N.A. 0.5 인 대물렌즈를 통해 반사도 스펙트럼을 측정하였으며, 측정된 반사도 스펙트럼을 통해 소광도(extinction)을 계산하였다. 측정된 소광도 결과 또한 폭이 증가할수록 플라즈모닉 공명 주파수가 적외선 영역으로 이동함을 알 수 있었고, 수치 해석 결과와 매우 유사한 결과값을 얻을 수 있었고 약간의 오차는 전자빔공정 오차에 따른 것으로 추정된다.
제작된 나노플라즈모닉 광전도안테나의 테라헤르츠 출력은 전광샘플링 기법을 통해 측정하였다. Ti:Sapphire 팸토초 레이저를 광원으로 사용했으며, 이때 중심파장 800nm 인 펌프빔의 평균출력은 60mW 이다. 이때 필스는 100MHz 의 반복속도를 가지고 있으며 10fs 의 필스 폭을 가진다.
측정결과 나노플라즈모닉 광전도안테나는 광학나노안테나 배열의 광학특성이 여기 파장과 맞는 경우 최대 테라헤르츠 신호증가를 보였으며, 이때 증가율은 51%이다. 또한 플라즈모닉 공명 파장이 맞지 않는 경우 신호증가율이 떨어지는 결과를 얻었다.
본 연구는 고출력 광전도안테나 제작을 위해 광학나노안테나 배열이 집적된 나노플라즈모닉 광 전도 안테나를 제작하였으며, 이때 광학나노안테나 배열은 FDTD 광학 수치 해석을 통해 여기파장에서 플라즈모닉 공명을 보이도록 설계하였다. 그 결과 FDTD 수치 해석과 제작된 광학나노안테나의 분광특성을 맞추었으며, 최대 2.6 배의 파워 증가 및 광학나노안테나의 광학특성에 따른 광전도안테나의 증가변화 결과를 얻었다. 차후에 다른 형태의 광학나노안테나 및 다양한 플라즈모닉 공명모드에 따른 테라헤르츠 증가율을 비교하고자 한다.
