This research contains a study to broaden the operating wavelength of structural color and hyperbolic metasurface to a near-ultraviolet range and near-infrared range, respectively. We first present near-ultraviolet structural color generation using aluminum nanodisk arrays. The plasmonic resonance of the aluminum nanodisk on a quartz substrate produces a vivid reflective structural color based on the strong backward scattering. As changing the diameter of the nanodisk and the period of the square lattice, the resonance wavelength (λres) in the reflectance spectrum gradually moves over the near-ultraviolet region. Even though the filling ratio and thickness of the nanodisk arrays are only ~11% and ~35 nm, a high reflectance value of ~35% on average can be achieved at the resonant condition. Typical full-width at half-maximum of the resonance peak is ~λres/5, which is narrow enough to generate vivid structural color. The numerical simulations employing the finite-difference time-domain (FDTD) method successfully reproduce the experimental results. We also demonstrated ultraviolet structural color pixels with different resonance wavelengths and examined their performances by measuring bright-field microscope images under various illumination conditions with different center wavelengths.
Secondly, we present hyperbolic metasurface operating in broad wavelength from visible to near-infrared range using gold nanowire array. The transverse electric mode, the electric field of which is highly confined in the gap, exhibits a hyperbolic dispersion, because of the strong near-field coupling between individual gold nanowire modes. The modal properties and dispersion relations of the metasurface-supporting modes are calculated by the finite-element method (FEM). Using the FDTD method, we theoretically demonstrated that the hyperbolic metasurface on a silicon nitride slab waveguide supports the negative refraction for the transverse electric incidence. The correlation between the hyperbolic dispersion and negative refraction is successfully identified. The loss compensation of the hyperbolic dispersion mode by employing a gain medium is also examined.
본 연구에서는 금속 나노구조 배열을 이용해 구조색과 하이터볼릭 페타표면의 파장 영역을 각각 근자외선 영역과 근 적외선 영역으로 넓히는 내용을 담고 있다. 우선 알루미늄 나노 원반 배열을 이용하여 근자외선 영역에서의 구조색을 구현하였다. 알루미늄 나노 원반의 플라즈몬 공진은 반사 방향을 향해 빛을 강하게 산란해 밝고 선명한 구조색을 만든다. 나노 원반의 지름과 배열의 주기에 따라 중심파장이 327부터 401 나노까지 조절되는 다양한 반사형 구조색을 구현할 수 있었다. 나노 원반의 면적 비중은 약 11% 그리고 높이는 약 35 nm에 불과함에도 넓은 근자외선 영역에서 균일하면서도 최대 약 35%의 높은 반사율을 얻을 수 있었다. 각 공진 스펙트럼의 폭은 중심파장의 5분의 1로 좁아 선명한 구조색을 구현을 가능케 한다. 구현된 근자외선 반사형 구조색을 이용해 다양한 칼라 픽셀을 제작하였고 그 동작을 다양한 중심 파장의 자외선 조명 하에서 광학이미지를 찍어 확인하였다. 전산모사와 이론적 모델을 통해 얻어진 실험 결과를 완벽히 이해할 수 있었다.
이어서 금 나노선 배열을 이용해 가시광선영역부터 근적외선 영역까지 동작하는 하이퍼볼릭 메타표면을 제안하였다. 전기장이 나노선 사이에 강하게 집속되는 transverse-electric 모드가 하이퍼볼릭 분산의 특성인 쌍곡선 isofrequency curve를 보임을 확인할 수 있었다. 이는 금 나노선 각각의 모드들이 near-field coupling을 때문인 것으로 사료된다. 하이퍼볼릭 분산 모드를 포함해 제안된 구조가 보이는 다양한 모드들의 성질을 유한요소법을 사용한 수치계산을 통해 확인하였다. 우리는 메타표면을 silicon nitride로 이루어진 평판 도파로 위에 배치하였고, transverse-electric 도파로 모드가 하이퍼볼릭 메타표면 모드로 변환되어 음굴절을 일으키는 것을 확인하였다.
