Laser interference lithography is promising method to generate periodic nanostructures under the wavelength length scales. Interference of multiple coherent laser beams produces one-dimensional (1D), 2D and 3D periodic light intensity patterns by varying the number of interfered beams with different wave vectors, phases and polarizations. By transferring the interfered intensity variation to the photoresist polymer, nanopatterns with various morphologies are produced, which is useful for the photonic applications such as photonic crystal, plasmonic structures.
Diffraction grating is simple optical device to split the incident wave into the several diffraction orders for the generation of interference patterns at Fresnel diffraction region. For the fabrication of diffraction grating, we used molding technique and self-assembly of colloidal particles. The order of diffraction beams are determined by the ratio between grating period and wavelength of incident light. High-order diffraction beams produce complex and hierarchical nanopatterns due to the multi-beam interference with different wave vectors. Interference patterns from diffraction grating have periodicity along the propagation direction of incident light as well as lateral direction. Periodic patterns from diffraction grating are used as the photonic crystals and surface-enhanced Raman scattering (SERS) applications.
Periodic dielectric nanostructures whose refractive index is periodically arranged on the length scale of interacting waves have photonic band gap. The position of photonic bandgap can be tuned by modulating the lattice constant of nanosturctures as well as refractive index of materials. Small periodicity under 100 nm structures can be fabricated by vertical standing waves in polymer regions and it can be used as ‘hot-spot’ regions for highly localization of electromagnetic (EM) field after metal deposition. Because the intensity of Raman signal is proportional to the square of electric field intensity, the plasmonic nanostructures with high EM field enhancement is necessary for the detection of low concentration of molecules.
이 논문의 주제는 빛의 파동의 성질에서 비롯되는 간섭 현상을 이용하여 빛의 파장에 상응하는 크기의 나노구조를 제작하고 이를 광학적으로 응용하는 것이다. 파동은 진폭을 가지며 진행하는 현상을 의미하며, 두 개 이상의 파동이 만날 경우 공간상에서 진폭의 구배를 형성하며 간섭패턴을 만들어 낸다. 이 연구에서 간섭현상을 위해 사용한 파동의 형태는 electromagnetic 성질을 갖는 ‘빛’이다. 빛의 세기는 electric-field의 제곱으로 나타낼 수 있기 때문에, 두 개 이상의 빛이 만나서 형성되는 electric-field의 간섭 패턴으로부터 빛의 세기의 구배(intensity variation)를 만들어 낼 수 있다. Ultraviolet 영역대의 빛을 이용하여 간섭 패턴을 만들 경우, 빛의 파장(수백 나노미터) 크기의 간섭 패턴을 형성할 수 있고 이렇게 만들어진 세기 구배(intensity variation)를 감광성 고분자에 전사할 경우 수백 나노미터 크기의 고분자 나노구조를 만들 수 있다.
빛의 간섭현상을 위해서 사용한 광학적 장치는 회절격자 (diffraction grating)이다. 회절격자는 입사하는 단일 빛을 여러 갈래의 빛으로 나눠주는 역할을 한다. 이때, 입사되는 빛이 회절 되어 진행하는 방향 (wave-vector)은 회절격자의 격자 상수 (grating period)와 빛의 파장 (wavelength)의 비율로 정해진다. 회절 되어 진행하는 빛은 Fresnel 영역에서 간섭현상을 보이며, 회절 격자 방향뿐만 아니라, 빛의 진행방향으로도 규칙적인 간섭패턴을 갖는다. 이를 Talbot effect라 한다. 이렇게 만들어진 규칙적인 빛의 간섭패턴을 감광성 고분자에 전사시킬 경우 2차원뿐만 아니라 3차원의 나노구조를 제작할 수 있다.
이 논문의 제 1장에서는 빛의 간섭으로 만들어지는 간섭패턴 형성 원리에 대해 간략하게 설명하였다. 또한, 회절격자를 통과한 빛의 3차원적인 규칙성을 나타내는 Talbot effect의 원리에 대해서 설명하였다. 뿐만 아니라, 빛의 간섭으로 만든 규칙적인 나노구조의 응용처로서 미세 금속 나노구조에서 비롯되는 표면증강라만 산란 현상(surface-enhanced Raman scattering)에 대해서 설명하였다.
논문의 제 2장의 주제는 콜로이드 단층의 결정을 이용하여 회절격자를 만들고 이를 빛의 간섭을 유도하기 위한 광학적 구조체로 이용한 연구이다. 콜로이드 단층을 회절격자로 이용할 경우, 콜로이드 입자의 lens효과로 인하여 콜로이드 입자를 통과한 빛의 세기 구배가 더욱 증가되어, 만들어지는 나노구조의 선명도가 올라간다. 또한, 입자의 크기와 형태를 제어함에 따라서 최종적으로 만들어지는 3차원의 나노구조의 형태를 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 최종적으로 만들어진 3차원 나노구조는 그 구조의 규칙성으로 인해 광 결정(photonic crystal)로써 사용 가능하다.
제 3장은 회절격자의 격자상수를 변화시킴에 따라 회절 되는 빛의 개수를 조절하고 간섭 현상에 참여하는 빛의 개수를 늘림에 따라서 만들어지는 간섭패턴의 복잡성을 증대시킨 연구이다. 높은 차수의 회절로부터 만들어지는 나노구조는 기존의 나노구조 형성법으로는 쉽게 만들 수 없는 복잡성 및 특이성을 지닌다. 이를 이용하여 금속 나노구조를 만들경우, 표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance) 현상을 극대화 시킬 수 있다.
제 4장은 광 간섭 식각법에서 발생하는 빛의 반사 현상을 인위적으로 극대화 시켜 수직 방면으로의 빛의 간섭현상을 유도하고, 이를 통해 고밀도의 나노 갭 (nano-gap)을 형성한 연구이다. 금속 증착 이후에 20 nm 크기의 나노 갭이 형성되고 이를 electric-field의 증폭을 위한 hot-spot으로 이용하여 표면증강라만산란 신호를 극대화 할 수 있다.
제 5장에서는 광 간섭 식각법으로 만든 오목한 형태(re-entrant)의 나노구조를 이용하여 물 뿐만 아니라 오일에서도 높은 접촉각을 갖는 omniphobic 기판을 만들었다. 이 구조를 이용할 경우, 물과 오일 등에 들어있는 극미량의 시료를 농축할 수 있고, 나노구조에서 비롯되는 표면 플라즈몬 공명현상을 유도할 수 있어 미세 시료를 분석할 수 있는 센서로 사용 가능하다.
