A micro- or nano-antenna has attracted great attention since it can control either near-field or far-field. Antenna well-couples to freely propagating light and enables electric field concentration within ultra-small volume. Due to such near-field properties, there have been numerous researches conducted in bio-chemistry or bio-imaging. Besides employing near-field properties, studies related to visualizing near-field information itself have been also carried out. Since near-field is confined and decays rapidly, it cannot be detected by conventional microscopy. Thus, a new type of microscopy was developed, i.e. near-field scanning optical microscopy (NSOM). NSOM uses either aperture or apertureless probe tip to detect excited near-field by perturbing it. Thanks to the new technique, there was a boost in the research field to measure all electric or magnetic field components of a micro- or nano-structure. A various tip designs have been introduced and employed to demonstrate the amplitude and phase measurement of all electric field components. However, there has been little demonstration on simultaneous measurement of the fields of a nano-structure. In this research, a tip design to detect all the electric fields is introduced and its functionality was investigated. A commercial aperture probe was combined with a sharp tip, fabricated right next to the aperture for out-of-plane electric field detection. Electron beam-induced deposition (EBID) technique was implemented for apertureless tip construction. The NSOM measurement was carried out on an Au grating structure followed by an inverse nano-rod antenna. The result shows that an EBID probe clearly works as an Ez-field scatterer which means that the designed EBID-NSOM tip is capable of detection on the all the electric field components. By implementing finite-domain time-difference simulation and convolution, the measured height and tip response can be estimated. From this research, the intensity measurement on all the electric field components of a nano-structure was successfully demonstrated. If phase measurement is also conducted, we expect that magnetic field can be derived from Maxwell equations, and then Poynting vector distribution cal be also mapped.
마이크로 또는 나노 안테나는 자유자재로 근접장과 먼 장의 성질을 이용하고 조정할 수 있다는 점에서 많은 주목을 받아 왔다. 귀금속 또는 유전체 물질로 만들어진 안테나는 외부에서 자유롭게 진행하는 빛과 깊은 상호작용을 하여 국소 영역에 빛을 집속시키거나 도파로 역할 등을 가능하게 할 수 있다. 이러한 근접장 영역에서의 특성 때문에 생화학, 바이오이미징 등 형광 분자들이 발하는 약한 신호를 증폭 시켜주는 용도 측면에서 많은 연구가 이루어졌다. 이렇게 근접장 영역의 특성을 이용하는 것뿐만 아니라 근접장 자체를 측정하여 이미지로 시각화 하는 부분도 많은 연구가 이루어졌다. 파장 보다 짧은 영역에서 빨리 소멸하는 근접장의 특징 때문에 기존의 현미경으로는 실현 불가능 했고 새로운 현미경 방식이 등장하였는데, 바로 근접장 주사 광학 현미경이다. 구멍이 있는 탐침 또는 뾰족한 탐침을 이용하여 측정하는 방식으로, 이로 인해 마이크로 또는 나노스케일의 구조 주변에 여기된 전기장 또는 자기장 성분을 감지하는 연구가 활발하게 이루어졌다. 여러 모양의 탐침이 제시되어 왔고 이를 이용하여 모든 전기장 성분의 진폭과 위상차를 측정하고자 하는 시도가 있었다. 하지만 어떤 나노 구조의 근접장이 가지고 있는 모든 전기장 성분을 동시에 측정한 사례는 거의 없었다. 그래서 본 연구에서는 모든 전기장 성분을 감지할 수 있는 탐침의 형태를 제안하고, 제작된 탐침이 세 가지 방향의 전기장 성분을 모두 측정하는 장치로 작동하는지 확인했다. 탐침의 형태는 평면에 누워 있는, 두 직교하는 전기장 성분을 측정하기 위한 상업용 구멍난 탐침과 평면에 수직한 전기장 성분 측정을 위한 뾰족한 탐침을 결합시킨 형태이다. 뾰족한 탐침은 전자빔 유도 증착법을 적용하여 구멍 옆에 유전체 물질을 증착함으로써 가능했다. 먼저, 초기 실험으로 서로 마주 보는 금 격자 구조를 만들고 이에 여기된 표면 플라즈몬이 만든, 서있는 파동에 대해 전기장 세기를 측정하였다. 제작한 뾰족한 탐침으로 평면에 수직한 성분의 측정 가능 여부와 이 탐침이 존재함에도 불구하고 탐침 구멍이 평면 전기장 성분들을 잘 모을 수 있는지의 여부를 확인하였다. 이 실험을 바탕으로 나노 구조에서의 모든 전기장 성분들의 세기 측정도 이루어졌다. 금 박막에 막대기 모양이 뚫린 형태의 나노 구조를 제작하여 뚫린 부분 주변에 형성된 전기장 평면 성분과 수직 성분 세기를 모두 측정하였다. 뾰죡한 탐침이 없는 원래 형태의 구멍 탐침으로 대조실험을 진행하여 제안한 탐침 디자인의 수직 전기장 성분 감지 우수성을 확인하였고, 유한 차분 시간영역법과 콘볼루션 계산을 통해 측정된 평면 성분의 높이와 수직 성분의 높이를 유추할 수 있었다. 이 연구를 통해 기존에 측정하기 어려웠던, 나노구조에서 여기된 모든 전기장 성분을 근접장 영역에서 측정할 수 있게 되었다. 모든 전기장 성분의 위상차 측정까지 이루어진다면 맥스웰 방정식을 통한 자기장 성분 유추, 더 나아가 포인팅 벡터 등의 분포를 아는 데도 쓰일 수 있을 것으로 기대한다.
