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나노구조체에 의해 생성된 전기장 증폭과 극자외선 특성 연구 = A study on characteristics of field enhancement and EUV light generated by nanostructures
서명 / 저자 나노구조체에 의해 생성된 전기장 증폭과 극자외선 특성 연구 = A study on characteristics of field enhancement and EUV light generated by nanostructures / 이동협.
저자명 이동협 ; Lee, Dong-Hyub
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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Extreme ultraviolet (EUV) light is a key to advances in a variety of research and industrial areas such as EUV lithography, microscopy and spectroscopy. Among the various methods of generating EUV light, using local field enhancement in metallic nanostructures [1] has recently begun to receive attention due to its simplicity and compact experimental set-up. In this thesis, we first adopted the funnel-waveguide nanostructure for EUV generation [2]. The detailed investigation into the spatiotemporal characteristics of the enhanced field in the funnel-waveguide was conducted by means of finite-difference and time-domain (FDTD) simulation and two-photon photoluminescence microscopy. Both of the observations agreed well with the fact that the funnel-waveguide is an effective 3-D nanostructure that is capable of boosting the peak pulse intensity of stronger than $80 TWcm^{-2}$ by an enhancement factor of 20 dB without significant degradation of the ultrafast spatiotemporal characteristics of the original pulses. With a normal incidence spectrometer as well as the revised gas cell, highly reliable and efficient EUV spectra from He, Ne, Ar, Kr and Xe gases were obtained by employing moderate femtosecond laser pulses with the intensities of 0.1 ~ 1 TW/cm². Through the observation of the EUV spectra, we confirmed that the field enhancement in the funnel-waveguide is strong enough to induce multi-photon ionization, resulting in EUV generation via fluorescence process. To increase EUV conversion efficiency, we secondly adopted gold bowtie nanostructure in order to supply the larger number of gas atoms via micro gas nozzle. The revised bowtie with increased thickness and dielectric coating was thoroughly optimized by FDTD simulation as well as by measuring the third harmonic signal of the original laser pulses. In consideration of the increased damage threshold of the dielectric-coated bowtie, it is concluded that the maximum intensity of the plasmon field in the middle of the gap of the bowtie is estimated to be $50 TWcm^{-2}$ with the volume of ~334,000 nm³ where the peak intensity is stronger than $10 TWcm$^{-2}$. In addition to the improvement of bowtie, the grazing incidence spectrometer with 3-stage differential pumping system was newly designed to obtain higher spectral resolution in high pressure environment. Consequently, the reliable EUV spectra from the inert gases with drastically improved spectral resolution were obtained by using a modest incident intensity of 0.1 ~ 0.4 TW/cm². Spectral analysis shows that EUV generated by bowtie nanostructures in the given experimental condition is predominantly caused by fluorescence due to multi-photon absorption or ionization. Under the specific pressure level, we also observed the initiation of avalanche ionization after multi-photon ionization, resulting in the dramatic increase of the EUV conversion efficiency. This study provides the methods of observing the enhanced field as well as the reliable and efficient EUV light generated by metallic nanostructures. Besides, the potential and the limitation of the nanostructure-assisted EUV generation were discussed through the spectral analysis.

수 십 나노미터의 짧은 파장을 가지는 극자외선은 노광공정, 미세 사물 관찰, 분광학 등 다양한 연구 및 산업적 분야에 걸쳐 높은 응용 가능성을 가진다. 이러한 극자외선을 생성하는 방법 중 하나로, 최근 비교적 간단하며 작은 실험 장치 구성을 가지는 금속 나노구조체의 전기장 증폭을 이용한 방법이 크게 각광받고 있다. 본 논문에서는 나노구조체를 이용해 극자외선을 생성하기 위하여, 첫 번째로 funnel-waveguide 나노구조체를 채택하였다. 먼저 FDTD (finite-difference and time-domain) 해석과 이광자형광 방법(Two-photon luminescence, TPL)을 이용하여 funnel-waveguide 내 생성되는 증폭장의 시공간적 특성을 면밀히 관찰하였다. 입사 레이저장의 초고속 특성을 유지한채로 funnel-waveguide 내부에 100배 이상의 전기장 강도 증폭이 발생함을 확인하였으며, 이는 최소 80 TW/cm² 이상의 전기장 강도가 나노구조체 내에 생성될 수 있음을 의미한다. 수직 입사형 분광기, 개선된 가스셀 및 0.1 ~ 1 TW/cm² 광강도의 레이저를 이용하여, He, Ne, Ar, Kr 그리고 Xe 가스로부터 매우 신뢰성 있으며 효율적인 극자외선 스펙트럼을 관찰할 수 있었다. 극자외선 스펙트럼을 분석한 결과, funnel-waveguide 내 증폭된 전기장은 가스 원자들을 이온화하기에 충분한 크기였으며, 생성된 극자외선은 다광자 (multi-photon) 흡수 및 이온화를 통한 형광 신호임을 확인할 수 있었다. 보다 높은 극자외선 변환 효율을 얻기 위하여, 다음으로 마이크로 가스 노즐을 이용한 대량의 가스 공급이 가능한 금 보우타이 (gold bowtie) 나노구조체를 채택하였다. 두께 증가 및 유전체 증착을 통해 새롭게 설계된 보우타이 나노구조체는 FDTD 시뮬레이션과 3차 조화파 관찰 실험을 통해 열적 특성 및 전기장 증폭에 대하여 최적화되었다. 보우타이의 열적 손상 문턱값을 고려하였을 때, 보우타이 틈 중앙에서 생성될 수 있는 최대 전기장 강도는 $50 TWcm^{-2}$이며, 극자외선 생성에 필요한 $10 TWcm^{-2}$ 이상의 전기장 강도를 가지는 부피는 약 334,000 nm³로 확인되었다. 고압 환경에서 보다 높은 효율 및 분해능으로 극자외선을 관찰하기 위하여, 스침 입사형 분광기를 새롭게 제작하였다. 이로부터, 약 0.1 ~ 0.4 TW/cm²의 광강도를 가지는 레이저를 이용해 매우 높은 분해능으로 극자외선 신호를 재현성 있게 관찰하는 것이 가능하였다. 생성된 극자외선 스펙트럼을 관찰한 결과, 보우타이로부터 생성된 극자외선 중 대부분은 다광자 흡수 또는 이온화에 의한 형광 현상에 의한 것임을 추정할 수 있었다. 또한, 특정 압력 구간에서 사태이온화(avalanche ionization)가 관찰되었는데, 이로부터 극자외선 변환효율이 크게 높아짐을 확인하였다. 본 연구에서는 금속 나노구조체로부터 생성된 증폭장과 극자외선 관찰 방법에 대하여 다루었다. 또한, 스펙트럼 분석을 통하여 나노구조체를 이용한 극자외선 생성 방법의 가능성과 한계에 대하여 논의하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 14036
형태사항 vii, 86 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Dong-Hyub Lee
지도교수의 한글표기 : 김승우
지도교수의 영문표기 : Seung-Woo Kim
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 79-86
주제 극자외선
표면 플라즈몬
나노구조체
EUV
surface plasmon
FDTD
two-photon photoluminescence
nanostructure
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