For the last decade, metamaterials and metasurfaces have attracted much attention because of their extraordinary properties. They can achieve distinguishable performances beyond nature materials. In order to fabricate metasurface working at the visible wavelengths, metal nanostructures smaller than the skin depth scales (tens of nanometers) are needed. First, the size effect on metal nanostructures is analyzed. When the size of the material becomes a nanometer scale, the material properties are changed from bulk’s properties due to the high surface to volume ratio. So the influence of size effect on the final optical performance of the fabricated visible metasurface is analyzed. Second, new design principle for high refractive index metasurface in visible wavelengths is proposed based on effective medium theory and the large difference between Thomas-Fermi screening length of longitudinal electric field and penetration depth (skin depth) of the transverse electromagnetic field. Using Finite-Difference Time-Domain simulations, the proposed design principle is numerically verified and experimentally demonstrated with two different experiments: close-packed gold nanoparticle array and strip nanostructures with aluminum thin films. The refractive index (n) is the single most important optical property, as it governs how materials emit, diffract, refract, and absorb light. The ultimate resolutions in optical microscopy and photolithography are also directly determined by this index. Here, a self-assembled metal nanoparticle array can possess a record-high refractive index over broad wavelength ranges in the visible and infrared regions, with a peak value of 5.0 and a broadband value which exceeds 4.2. This optical material is realized by monodispersed nanoparticle synthesis and evaporation-induced close-packed array formation, with a potential application to large, curved surfaces and which do not require any costly top-down patterning steps. Moreover, the refractive index can be tuned in real time by stretching the material or by substituting the encapsulation material. On the other hand, strip nanostructures with aluminum thin film and hafnium oxide were designed and optimized for CMOS process compatible structures. The optimized structure can achieve a refractive index of 4.0 overall visible wavelengths regime.
지난 십 수 년 동안 메타 물질과 메타 표면은 자연 소재의 한계를 뛰어 넘는 탁월한 물성 때문에 많은 주목을 받았다. 가시광 영역에서 동작하는 메타 표면을 만들기 위해서는 표피 깊이 (수십 나노 미터)보다 작은 금속 나노 구조가 필요하다. 이 논문에서는 먼저 금속 나노 구조에 대한 크기 효과가 연구되었다. 재료의 크기가 나노 미터 수준으로 작아지면, 재료의 특성이 표면 대 부피 비율이 현저히 높아지기 때문에 벌크 (bulk) 의 특성에서 크게 달라진다. 따라서 크기 효과가 실제 제작 된 가시광 영역 메타표면의 최종 광학 성능에 어떤 영향을 미치는지 확인하였다. 둘째, 유효 매체 이론과 전기장의 Thomas-Fermi screening length와 표피 깊이의 큰 차이에 근거한 가시광 영역 고 굴절률 메타 표면에 대한 새로운 설계 원리를 제안하였다. 유한 차분 시간 영역법을 사용해 이론적으로 제안 된 설계 원리는 수치적으로 검증되었다. 또한 조밀하게 배열 된 금 나노 입자를 이용한 방법과, 전자 빔 리소그래피를 이용해 제작한 나노 스트립 구조를 이용하여 실험적으로 증명되었다. 굴절률은 빛의 방출, 회절, 굴절 및 흡수를 제어하기 때문에 가장 중요한 재료의 광학 특성이다. 광학 현미경 및 포토 리소그래피의 궁극적인 해상도는 굴절률에 의해 직접 결정된다. 자기 조립을 통해 조밀하게 배열 된 금속 나노 입자는 가시광 및 적외선 영역의 넓은 파장 범위에 걸쳐 최고 값 5.0과 4.2를 초과하는 광대역 값으로 매우 큰 굴절률을 실험적으로 검증하였다. 이 메타 물질은 금속 나노 입자 합성 및 증발 공정에 의해 조밀하게 자기 조립되며, 커다란 곡면에 적용될 수 있고, 고비용 top down 공정을 필요로 하지 않는다. 한편 전자 빔 리소그래피를 이용해 제작한 나노 스트립 구조를 이용하여 CMOS 공정에 적합한 구조를 설계하고 최적화하였다. 알루미늄 박막과 산화 하프늄을 이용해 가시광선 전 영역에서 굴절률 4 이상을 가질 수 있는 구조를 도출해냈다.