Metamaterials can achieve extraordinary properties, which does not observed in nature such as nega-tive index, zero index and high index of refraction. These unnatural properties of metamaterial comes from its meta-atom. Meta-atom has much smaller size than operation wavelength, therefore incident wave ob-serves metamaterial as a homogenous medium. Especially, metamaterial with high refractive index has vari-ous applications. It can enhance optical resolution by reducing wavelength, control spontaneous emission and absorption by changing optical density of states, and maximize index contrast to low index material for resonator, reflector, grating structure. Due to wide applicable field, high refractive index metamaterial already suggested and it was demonstrated in THz. However, it is hard to directly apply in visible wavelengths, due to difficulty in nanofabrication for the complex structure. On the other hand, in order to realize visible met-amaterial, it is needed to fabricate meta-atom which size is around tens-of-nanometer scale. Through con-ventional lithography, periodically arranged pattern with nanometer size is difficult to fabricate. Using self-assembly characteristic of diblock copolymer, it can be applied to realize metamaterial in visible wavelengths.
In this work, we propose new design principle of visible metamaterial with simplicity. Using close-packed nanoparticles with tens-of-nanometer size, it is possible to achieve both enhancement of permittivity and sustenance of permeability. Refractive index is square root of product of permittivity and permeability, therefore, suggested structure can show high refractive index. Permittivity can be enhanced by confined elec-tric field between metal nanoparticles and permeability can be sustained due to small size of metal nanopar-ticle which can lead penetration of magnetic field. Through finite-difference time-domain (FDTD) simulation, numerical analysis is used to verify electromagnetic response of suggested structure. By measuring both magnitude and phase of transmission and reflection, complex refractive index is retrieved and also permittiv-ity, permeability are calculated. In order to realize suggested structure, block copolymer lithography was used to fabricate metal nanoparticles with tens-of-nanometer size, and fabrication result is analyzed through FDTD simulation result. Therefore, using close-packed metal nanoparticles with tens-of-nanometer size can achieve broadband, high refractive index.
파장보다 매우 작은 크기의 금속 나노파티클 집합을 이용하면 가시광선 영역에서 광대역 특성을 보이는 동시에 고굴절률을 나타내는 메타 물질을 구현하는 것이 가능하다는 것을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다. 금, 은, 알루미늄 등 가시광선 및 적외선 영역에서 광손실이 적은 금속으로 수십 나노 이하 크기를 가지는 입자를 제작하여 수 나노 이하의 간격으로 조밀하게 배열할 경우, 유전율의 향상과 투자율의 보존을 동시에 달성할 수 있어 높은 굴절률을 얻을 수 있음을 보였다. 특히 알루미늄은 전자 밀도가 높아 가시광선 전 대역에서 고굴절률을 얻는 것이 가능하였다.
알루미늄은 매우 반응성이 좋은 금속이기 때문에 나노 수준으로 구조체를 구현하기 매우 힘들지만, 블록공중합체 리소그래피를 이용하여 매우 작은 크기의 알루미늄 구조체를 만드는 것에 성공하였다. 구현된 알루미늄 나노 구조체는 UV영역에서 공진 특성을 나타내었으며, 그 이상의 파장에서 고른 성능을 보이는 결과를 나타냈다. 앞으로 형성된 알루미늄 나노 구조체들 간의 거리를 더 가깝게 만들고, 제안한 MNA 구조가 다층일 때 어떻게 동작하는 지에 대한 연구와 그를 뒷받침하는 실험적 연구 등의 후속 연구가 필요할 것으로 생각된다.
