Confinement of light has been investigated thoroughly because it is a direct way to enhance light and matter interaction. Local enhancement of electromagnetic wave has been applied to triggering interesting nanopho-tonic behavior and to realizing high performance optical devices. Especially, visible light confinement is im-portant because it has various potential usage in optical devices and energy devices. Among promising nanostructures, nanogap structures have gained much attention for their strong light confinement potentials. Using conventional lithography techniques including deposition with varying angles, nanosphere lithography, focused ion beam lithography and self-assembled monolayers lithography, it was hard to achieve uniform and controllable nanogap arrays in large scale. Besides, nanogap structures so far have had operating wave-length longer than visible light due to the fact that the resonance wavelength is mainly determined by the overall dimensions of the unit structure, which remained larger than a hundered nanometer in most cases.
In this work, uniform and large-area nanogap array operating in visible range is fabricated by combining the block copolymer lithography, atomic layer deposition and template stripping methods. The fabricated struc-ture can effectively confine visible light within a volume of $1.57×10^{-5} \lambda^3$, where $\lambda$ is resonance wavelength of proposed nanostructure. In addition, strong electric field enhancement was predicted inside the insulator nanogap and it was verified using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) signal with graphene oxide as a Raman analyte. The structure’s strong plasmonic resonance was observed in the transmission spectrum and it correlated with numerical simulations obtained using finite-difference time-domain (FDTD) method. The structure has not only a small effective mode volume, compared with other nanoresonators operating in the visible range, but also possesses atomically flat surface and uniformity.
전기장을 물질 내부에 강하게 집속하는 것은 빛과 물질의 상호작용을 증가시키는 직접적인 방법이기 때문에 지금까지 연구자들의 많은 관심을 받아왔다. 전기장의 국부적 증가는 독특한 나노포토닉 거동을 유발하고, 광학 소자의 성능을 한층 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있다. 특히나 가시광선의 집속은 중요한데 다양한 광학소자와 에너지 소자의 성능 향상에 기여할 수 있기 때문이다. 현존하는 나노구조체 중에서도 특히 나노틈새 구조는 효과적으로 빛을 집속시킬 수 있다. 증착각도조절 공정, 나노구 공정(nanosphere lithography), 집속이온빔 공정 그리고 자가조립 단분자막 공정과 같은 공정 방법들이 제안되어 왔으나 아직까지 균일하고 정확히 조절가능한 나노 틈새 배열을 대면적으로 구현해내기 힘든 것이 현실이다. 또한 이렇게 만들어진 대부분의 나노구조체는 공진 파장대가 가시광선보다 더 장파장대에 위치해 있는데, 이것은 단위구조체의 사이즈가 공진파장대를 결정짓는 중요한 요소인데, 현재까지는 대부분 100 nm 이상 수준을 가지고 있기 때문이다.
본 연구에서는 블록공중합체 공정과 원자층 증착방법, 그리고 템플릿 스트리핑 기법을 조합한 공정과정으로, 손쉽게 가시광선에서 공진을 가지는 균일하고 대면적 나노틈새 구조체를 만들 수 있음을 보인다. 시간영역 유한차분법(FDTD)를 이용해서 구조체 안의 강한 가시광선 세기의 증가와 작은 모드 볼륨($1.57×10^{-5} \lambda^3$)을 계산적으로 보였으며 실험적으로 수치해석적으로 예측된 강한 전기장은 표면 증강 라만 산란(SERS)를 이용해 증명하였다. 제시된 작은 모드 볼륨은 현존하는 다른 나노공진기와 비교했을 때 매우 작은 수준이며 원자 수준으로 평평한 표면을 가지기 때문에 2차원 물질의 표면 증감 라만 사란의 기판으로 쓰기에 상당한 장점을 가진다. 더불어 실험과 이론의 상관관계를 검증하기 위해 구조체의 강한 플라즈모닉 공진을 실험적, 이론적으로 관찰한 투과 스펙트럼에서 비교하였으며, 그 둘이 면밀히 일치하는 것을 보였다.
