Optical characterization and application in Si based multilayer structure was investigated.
Nanocluster Si (nc-Si) sensitization of $Er^{3+}$ luminescence is one of the promising candidates for cheap and efficient light source in Si based materials. Two main issues such as optically active Er and sensitized Er should be satisfied simultaneously for realization of the practical application. In part I, we investigated nc-Si sensitization of $Er^{3+}$ luminescence using Si based multilayer structure. First, in order to prevent the optical deactivation of Er during nc-Si formation by thermal annealing, we fabricated and analyzed the multilayer structure which was consisted of silicon-rich silicon nitride layers and Er doped silicon dioxide layers. Use of nitride stabilized the juxtaposition of nc-Si and $Er^{3+}$ within sub-nm sensitization distance against high tempera-ture annealing by preventing structural and chemical reaction between them that could lead to optical deactivation and desensitization of $Er^{3+}$. Second, we reported the increase of the nc-Si/$Er^{3+}$ sensitization distance with Er-Er energy migration process. By using silicon-rich silicon oxide and Er doped silicon nitride multilayers, interaction distance could be increased to 1.3nm which was about 2-3 times longer than previous results. Finally, we further investigated the nc-Si/Er interaction mechanisms and expected the population inversion with Monte-Carlo simulation. The results showed that a few inactive Er act as quenching centers, and the 100% of active $Er^{3+}$ should be the first priority for population inversion. We proposed that the multilayer structures could be an optimal structure for optical deactivation and efficient luminescence of $Er^{3+}$.
In part II, as an application using multilayer structure, we investigated the slot waveguide with a horizon-tal air slot for optical trapping of the nm-sized particles. First, we designed a robust waveguide structure with a horizontal air gap by comparing the restoring force and the capillary force. 230nm-thick SiNx/100nm-thick air/230nm-thick SiNx waveguide with 5um-long air slot was fabricated without critical point drying. Fluidic channel and SU8 waveguide couplers were integrated in the device for nm-sized particle supply and easier and more efficient coupling to the slot waveguide. Light propagation through the device was observed and meas-ured by IR camera and OSA. From numerical simulation, we found that the 75nm-diameter polystyrene parti-cles could be trapped in the slot with the proposed device with trapping force of 5.5pN/W and threshold power of 3.1mW.
실리콘에서의 값 싸고 효율적인 광원 개발을 위해, 실리콘 나노 결정을 이용한 어븀의 발광에 대한 연구가 각광받고 있다. 이에 대한 실제적인 응용을 위해서는 어븀의 광학적 활성도와 실리콘 나노 결정에 의한 에너지 전달을 동시에 만족 시켜야 한다. Part I에서는 이를 만족 시키기 위한 방법으로 실리콘 기반 다층 박막 구조를 이용한 어븀의 발광 특성에 대해 연구하였다. 첫 번째로, 실리콘 나노 결정의 형성 과정에서 생기는 어븀의 광학적 비활성을 막기 위해 실리콘이 다량 포함된 실리콘 나이트라이드와 어븀이 도핑된 실리콘 옥사이드로 이루어진 다층 박막 구조를 제작하고 분석하였다. 실리콘 나이트라이드의 사용은 다층 박막을 구조적, 화학적으로 안정적인 상태를 유지하게 하여 어븀의 비활성을 막는다는 것을 발견하였다. 두 번째로, 실리콘 나노 결정과 어븀 사이의 에너지 전달 거리를 조사하였다. 서로 다른 어븀 사이에 에너지 전달 과정이 존재하고, 이 과정을 통해 실리콘 나노 결정으로부터 1.3nm 떨어진 어븀이 여기되어 발광할 수 있음을 보였다. 세 번째로, 실리콘 나노 결정에 의한 어븀의 발광을 몬테카를로법을 이용해 전산 모사 함으로써 밀도 반전에 대한 연구를 진행하였다. 몇 개의 비활성 어븀이 활성화 된 어븀의 발광을 방해하는 주된 원인이므로, 밀도 반전을 위해서는 100% 활성화된 어븀을 갖는 것이 가장 중요하다는 것임을 보였다. 또한 실리콘 나노 결정과 어븀이 분리된 다층 박막 구조가 실리콘 나노 결정에 의한 어븀의 밀도 반전에 적합하다는 결과를 제시하였다.
Part II에서는 다층 박막 구조의 응용으로써, nm 크기의 미세 입자 조작을 위한 열린 슬롯이 있는 광 도파로에 대한 연구를 진행하였다. 우선 복원력과 모세관력을 비교함으로써 열린 수평 슬롯을 안정적으로 형성할 수 있는 구조를 제시하였다. 그 결과 230nm 두께의 SiNx, 100nm 두께의 열린 슬롯, 230nm 두께의 SiNx로 이루어진 5um길이의 광 도파로의 제작에 성공하였다. 이 장치에는 외부로부터 입자 공급을 가능하게 하는 유체 채널과 슬롯 광 도파로로의 보다 쉽고 효율적인 광전달을 해줄 수 있는 SU8 광도파로 연결 단자가 포함 되어 있다. 적외선 카메라와 광 스펙트럼 분석기를 이용해 장치를 통한 빛 전달을 관찰, 측정하였다. 끝으로, 수치계산을 통해 제작된 장치에서 5.5pN/W 의 힘과 3.1mW의 임계출력으로 75nm 지름의 폴리스틸렌 입자를 잡을 수 있을 것임을 보였다.
