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이광자 흡수 광중합을 이용한 고분해능 근접장현미경 탐침 구조의 제작 및 특성 연구 = Fabrication and characterization of high resolution probe structure using two-photon absorbed photopolymerization for near-field scanning optical microscopy
서명 / 저자 이광자 흡수 광중합을 이용한 고분해능 근접장현미경 탐침 구조의 제작 및 특성 연구 = Fabrication and characterization of high resolution probe structure using two-photon absorbed photopolymerization for near-field scanning optical microscopy / 정병제.
저자명 정병제 ; Jung, Byung-Je
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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Two-photon absorption is a nonlinear optical phenomenon that the electrons transit from a low ener-gy level to an upper energy level by absorbing two photons simultaneously. The nanolithography using the two-photon absorbed photopolymerization is a very useful technique to fabricate 3-D structures with a sub-diffraction-limited spatial resolution of 100 nm. In most case, the micro/nano structures can be only fabri-cated on the flat substrate because of the limitation of the two-photon nanolithography system. Usually a coverglass and the attached material on the coverglass are used with the high numerical-aperture objective lens for the fabrication of 3-D structures. In this study, the microfabrication system using the customized fiber mount combined with the piezo stage of the Ti:Sapphire laser system is developed for the fabrication of various 3-D structures on the cross-section of the optical fiber with a sub-diffraction-limited spatial resolution. This system is novel since the fiber mount can be set up and used without any replacement of the optical elements of the existing laser system. In other words, when the mount is detached from the piezo stage, the laser system can be used for the fabrication of 3-D structures on the glass substrate. The mount has three screws for three-axis translation and two adjustable screws for its two-axis tilt capability. Therefore, it is possible to locate the optical fiber precisely at the specified position. By using the fiber-mount system, the micro-optical devices were fabricated on the core surface of an optical fiber. A micro lens, micro prism, and moth-eye structure were fabricated on the core surfaces of multi mode optical fibers. After that, the various polymer tips was designed for scanning probe microscope and fabricated via layer-by-layer accumulation from the core surfaces of single-mode optical fibers. A simple conical polymer tip, a quantum dot containing polymer tip and a sharp-needled polymer tip were fabricated on the core surfaces of optical fibers by two-photon photopolymerization using SCR500 resin. Among them, the sharp-needled polymer tip with the voxel-steeple had a diameter of approximately 90 nm. Also the sharp polymer tip was fabricated by the O2-plasma ashing process and the minimum size of it was approximately 30 nm in diameter. Finally, the high resolution optical fiber probe with a truncated parabolic polymer tip was designed and fabricated for the near-field scanning optical microscope (NSOM). Near-field optical images were obtained by the tuning-fork-based NSOM using the probe to measure the optical signal and resolution. The optical signal measured by the truncated parabolic tip was approximately 96 times larger than that measured by the conical tip and 62 times larger than that measured by the parabolic tip. Also the resolution obtained by the probe with the truncated parabolic tip was higher than other two tips by increasing of signal to noise ratio due to the enhancement of the optical signal.

이광자 흡수는 원자 안의 전자가 동시에 두 개의 광자를 흡수하여 바닥 상태의 에너지 레벨에서 여기 상태의 에너지 레벨로 이동하는 비선형 광학 현상이다. 이러한 이광자 흡수에 의한 광중합을 이용하는 나노리소그래피는 100 nm의 회절 한계 이하의 정밀도를 가지고 3 차원 구조물을 제작할 수 있는 매우 유용한 기술이다. 대부분의 경우 마이크로/나노 구조물은 이광자 흡수를 이용한 나노리소그래피 시스템의 한계로 인하여 평평한 기판 위에서만 제작이 될 수 있었다. 즉, 보통의 경우 3 차원 구조물 제작을 위해서는 커버글래스와 같은 유리 기판과 금속이 코팅된 유리 기판이 고개구수 대물 렌즈와 함께 사용되었다. 본 논문의 연구에서는 기존의 Ti:Sapphire 레이저 시스템의 piezo 스테이지와 특수 제작된 광섬유 마운트를 결합하여 회절 한계 이하의 정밀도를 가지고 광섬유 단면상에 다양한 3 차원 구조물 제작이 가능한 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 기존의 시스템을 어떠한 교체없이 그대로 유지하면서 광섬유 마운트의 결합만으로 구성되었다는 점에서 차별화된다. 즉, 이 시스템에서 piezo 스테이지 위의 광섬유 마운트만 제거하면 기존처럼 유리 기판 위에 3 차원 구조물을 제작하는 데 사용될 수 있다. 이 광섬유 마운트는 3 개의 이동축과 2 개의 기울임축으로 구성되어 있어 광섬유를 원하는 위치에 정확하게 이동시키는 것이 가능하다. 광섬유 마운트 시스템을 이용하여, 먼저 미세 광학 소자를 광섬유 코어 표면에 제작하였다. 마이크로 렌즈, 마이크로 프리즘, 나방눈 구조물이 다중 모드 광섬유 코어 단면에 제작되었다. 그 다음 다양한 주사탐침현미경용 폴리머 팁을 설계하고, 단일 모드 광섬유 코어 표면에 적층 방식으로 제작하였다. 기본적인 원뿔형 폴리머 팁, 양자점이 포함된 폴리머 팁, 끝이 뾰족한 바늘 형태인 폴리머 팁이 SCR500 레진을 이용하여 이광자 흡수 광중합에 의해 광섬유 코어 단면에 제작되었다. 이 중에서 끝이 뾰족한 바늘 형태인 폴리머 팁은 약 90 nm의 팁 끝 직경을 가진다. 또한 O2-plasma ashing 공정 처리를 통하여 더 뾰족한 폴리머 팁을 제작하였으며, 그 직경은 최소 30 nm 까지 제작되었다. 최종적으로, 근접장현미경에 사용하기 위해 끝이 잘린 포물선형 폴리머 팁을 가진 고분해능 광섬유 탐침을 설계하고 제작하였다. 이러한 탐침을 사용하는 튜닝포크를 이용하는 근접장현미경을 이용하여 근접장 광학 이미지를 얻고, 이를 통해 탐침의 광 신호와 분해능을 측정하였다. 그 결과, 끝이 잘린 포물선형 팁에 의한 광 신호는 원뿔형 팁의 96 배, 포물선형 팁의 62 배 만큼 크게 측정되었다. 또한 이러한 광 신호 증가로 인한 신호대잡음비 증가로 끝이 잘린 포물선형 팁을 가진 탐침의 분해능 역시 원뿔형 팁과 포물선형 팁보다 향상되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 13007
형태사항 iii, 110 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Byung-Je Jung
지도교수의 한글표기 : 공홍진
지도교수의 영문표기 : Hong-Jin Kong
공동지도교수의 한글표기 : 조용훈
공동지도교수의 영문표기 : Yong-Hoon Cho
수록잡지명 : "Autofocusing method using fluorescence detection for precise two-photon nanofabrication". Optics Express, vol. 19, issue 23, pp. 22659-22668(2011)
수록잡지명 : "Fabrication of sharp-needled conical polymer tip on the cross-section of optical fiber via two-photon polymerization for tuning-fork-based atomic force microscopy". Optics Communications, vol. 286, pp. 197-203(2013)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 참고문헌 : p. 93-101
주제 이광자 흡수 광중합
폴리머 팁
광섬유
고분해능 탐침
two-photon absorbed photopolymerization
polymer tip
optical fiber
high resolution probe
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