KR102162023B1 - Nano-filter for tunable transmission of infrared radiation and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
기판, 기판 상에 형성된 그래핀 레이어, 슬릿을 형성하도록 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들 및 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부를 포함하는 입사된 광을 투과시키는 필터 장치가 제공된다. 필터 장치의 그래핀 레이어는 슬릿을 통해 노출되고, 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있다. 게이트 전압을 조절함으로써 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되어 필터 장치에 대해 입사되는 광에 대한 투과율이 조절될 수 있다. There is provided a filter device that transmits incident light including a substrate, a graphene layer formed on the substrate, metal plates formed on the graphene layer to form a slit, and a gate voltage controller that adjusts a gate voltage. The graphene layer of the filter device is exposed through a slit, and the graphene layer is electrically doped. By adjusting the gate voltage, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted, so that the transmittance of light incident on the filter device can be adjusted.
Description
실시예들은 적외선 광에 대한 투과율을 조절할 수 있는 필터에 관한 것으로, 특히, 게이트 전압(Vg)을 조정하는 것을 통해 적외선 광에 대한 투과율을 조절할 수 있도록 하는 필터에 관한 것이다. The embodiments relate to a filter capable of adjusting transmittance for infrared light, and more particularly, to a filter capable of adjusting transmittance for infrared light by adjusting a gate voltage (V g ).
입사된 광을 투과시키는 필터 장치는, 입사된 광에 대한 투과율/흡수율을 분석하기 위해 사용된다. 예컨대, 이와 같은 필터 장치는 특정한 분자(또는 가스)를 탐지하기 위한 센서로서 사용될 수 있다.A filter device that transmits incident light is used to analyze transmittance/absorption rate of incident light. For example, such a filter device can be used as a sensor for detecting a specific molecule (or gas).
이러한 필터 장치는 중적외선 영역에서의 광을 탐지함에 있어서, 측정 민감도와 정확도가 낮은 경우가 많다. 예를 들어, 마이크로 볼로미터는 비교적 저렴하지만 측정 민감도와 정확도가 낮다. 또한, 대부분의 중적외선 영역의 광을 흡수할 수 있는 반도체 화합물들(Mercury Cadmium Telluride (MCT), lithium tantalate, lead selenide, indium antimonide 등)의 경우 가격이 비싼 경우가 많고 인체에도 유독한 것인 경우가 많다. These filter devices often have low measurement sensitivity and accuracy in detecting light in the mid-infrared region. Microbolometers, for example, are relatively inexpensive but have low measurement sensitivity and accuracy. In addition, most of the semiconductor compounds that can absorb light in the mid-infrared region (Mercury Cadmium Telluride (MCT), lithium tantalate, lead selenide, indium antimonide, etc.) are often expensive and are toxic to the human body. There are many.
또한, 높은 민감도와 정확도를 갖는 센서를 구현하기 위해서는 센서에서 발생하는 열을 식히기 위한 추가적인 장치가 요구된다. 이러한 점을 고려하여, 중적외선 영역에서의 광을 통한 분자의 탐지나 가스 센싱을 높은 정확도로 구현하기 위해서는, 특정 주파수에 대해 높은 민감도를 가질 수 있게 설계된 좁은 대역의 레이저들이 주로 사용된다. 이러한 레이저는 각 주파수 영역마다 다른 레이저가 사용되어야 한다. In addition, in order to implement a sensor with high sensitivity and accuracy, an additional device for cooling the heat generated by the sensor is required. Considering this point, in order to realize the detection of molecules through light in the mid-infrared region or gas sensing with high accuracy, narrow band lasers designed to have high sensitivity to a specific frequency are mainly used. For these lasers, different lasers must be used for each frequency domain.
한편, QCL (Quantum Cascade Laser)와 같은 튜닝 가능한 광대역 중적외선 레이저들의 경우, 매우 비싸며 부피도 크기 때문에 저렴한 비용으로 소형의 센서를 구현해 내기가 어렵다. On the other hand, in the case of tunable broadband mid-infrared lasers such as QCL (Quantum Cascade Laser), it is very expensive and bulky, so it is difficult to implement a small sensor at low cost.
따라서, QCL와 같은 비싼 레이저나 저렴하지만 민감도와 정확도가 낮은 센서들을 대체할 수 있는, 소형으로 구현될 수 있고 높은 민감도와 정확도로 광대역 중적외선 영역에서의 센싱을 가능하게 하는 필터 장치의 개발이 요구된다. Therefore, it is required to develop a filter device that can be implemented in a small size that can replace expensive lasers such as QCL or sensors with low sensitivity and accuracy, and enables sensing in the broadband mid-infrared region with high sensitivity and accuracy. do.
한국등록특허 제10-1308079호(등록일 2013년 09월 06일)는 기판과, 기판 위에 형성되고, 주기적으로 배치되고 나노(nano) 크기를 각각 가지는 다수의 구멍(hole)들을 각각 가지는 적어도 두 개의 단위 셀(cell)들을 포함하는 금속 박막과, 금속 박막 위에 형성되는 유전체층을 포함하는 표면 플라즈몬 컬러 필터에 대해 설명하고 있다.Korean Patent Registration No. 10-1308079 (registration date September 06, 2013) discloses a substrate and at least two holes each having a plurality of holes each formed on the substrate, periodically arranged, and each having a nano size. A metal thin film including unit cells and a surface plasmon color filter including a dielectric layer formed on the metal thin film are described.
상기에서 설명된 정보는 단지 이해를 돕기 위한 것이며, 종래 기술의 일부를 형성하지 않는 내용을 포함할 수 있으며, 종래 기술이 통상의 기술자에게 제시할 수 있는 것을 포함하지 않을 수 있다.The information described above is for illustrative purposes only, may include content that does not form part of the prior art, and may not include what the prior art may present to a person skilled in the art.
일 실시예는 기판, 기판 상에 형성된 그래핀 레이어, 슬릿을 형성하도록 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들 및 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부를 포함하는 입사된 광을 투과시키는 필터 장치를 제공할 수 있다. An embodiment may provide a filter device that transmits incident light including a substrate, a graphene layer formed on the substrate, metal plates formed on the graphene layer to form a slit, and a gate voltage controller that controls a gate voltage. have.
일 실시예는 게이트 전압을 조절함으로써 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절될 수 있고, 따라서, 입사되는 광에 대한 투과율이 조절될 수 있는 필터 장치를 제공할 수 있다. An embodiment may provide a filter device capable of adjusting a Fermi level and a plasmon resonance wavelength of a graphene layer by adjusting a gate voltage, and thus, a transmittance of incident light.
일 측면에 있어서, 입사된 광을 투과시키는 필터 장치에 있어서, 기판, 상기 기판 상에 형성된 그래핀 레이어, 적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들 및 상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부를 포함하고, 상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고, 상기 게이트 전압을 조절함으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되는, 필터 장치가 제공된다. In one aspect, in a filter device that transmits incident light, a substrate, a graphene layer formed on the substrate, metal plates formed on the graphene layer to form at least one slit, and applied to the filter device And a gate voltage control unit for adjusting a gate voltage, at least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped, and the Fermi of the graphene layer is controlled by adjusting the gate voltage. A filter device is provided in which the level and the plasmon resonance wavelength are adjusted.
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨이 조정되고, 상기 그래핀 레이어의 플라즈몬 공진 파장은 수학식 1에 따라 조절될 수 있다. As the gate voltage is adjusted, the Fermi level of the graphene layer is adjusted, and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer may be adjusted according to
[수학식 1][Equation 1]
상기 필터 장치에 대해 입사되는 광은 중적외선 영역의 광이고, 상기 게이트 전압이 조절됨에 따라, 상기 필터 장치의 파노 공진(Fano Resonance)이 일어나는 위치에 해당하는 상기 중적외선 영역의 광의 파장이 변경될 수 있다. The light incident on the filter device is light in the mid-infrared region, and as the gate voltage is adjusted, the wavelength of the light in the mid-infrared region corresponding to the position where the fano resonance of the filter device occurs is changed. I can.
상기 필터 장치의 파노 공진이 일어나는 피크에 해당하는 상기 중적외선 영역의 광의 파장은 상기 플라즈몬 공진 파장에 대응할 수 있다. A wavelength of light in the mid-infrared region corresponding to a peak at which the pano resonance occurs of the filter device may correspond to the plasmon resonance wavelength.
상기 파노 공진이 일어나는 위치에 대응하는 중적외선 영역의 광의 파장의 주변에서, 상기 중적외선 영역의 광의 파장의 변화에 대해 상기 중적외선 영역의 광의 투과율(transmittance)은 선형적으로 변화할 수 있다. In the vicinity of the wavelength of light in the mid-infrared region corresponding to the position where the pano resonance occurs, the transmittance of the light in the mid-infrared region may change linearly with respect to the change in the wavelength of the light in the mid-infrared region.
상기 중적외선 영역의 광은 상기 슬릿에 대해 수직으로 편광된 광일 수 있다. The light in the mid-infrared region may be light polarized perpendicularly to the slit.
상기 기판은 투명 기판일 수 있다. The substrate may be a transparent substrate.
상기 기판은 CaF2를 포함할 수 있다. The substrate may include CaF 2 .
상기 금속 판은 Au, Ag 또는 Al을 포함할 수 있다. The metal plate may include Au, Ag or Al.
상기 그래핀 레이어는 전해질을 사용하여 전기적으로 도핑될 수 있다. The graphene layer may be electrically doped using an electrolyte.
상기 슬릿의 폭은 타겟으로하는 상기 그래핀 레이어의 플라즈몬 공진 파장에 대해 동일한 크기 스케일을 갖도록 결정될 수 있다. The width of the slit may be determined to have the same size scale with respect to the plasmon resonance wavelength of the graphene layer as a target.
다른 일 측면에 있어서, 입사된 광을 투과시키는 필터 장치의 제조 방법에 있어서, 기판을 제조하는 단계, 상기 기판 상에 그래핀 레이어를 형성하는 단계, 적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 금속 판들을 형성하는 단계 및 상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고, 상기 게이트 전압을 조절함으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절될 수 있다. In another aspect, in the manufacturing method of a filter device that transmits incident light, manufacturing a substrate, forming a graphene layer on the substrate, on the graphene layer to form at least one slit Forming metal plates on the filter device and disposing a gate voltage adjuster for adjusting a gate voltage applied to the filter device, wherein at least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, and the graphene layer is It is electrically doped, and the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer may be adjusted by adjusting the gate voltage.
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨이 조정되고, 상기 그래핀 레이어의 플라즈몬 공진 파장은 수학식 2에 따라 조절될 수 있다. As the gate voltage is adjusted, the Fermi level of the graphene layer is adjusted, and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer may be adjusted according to
[수학식 2][Equation 2]
또 다른 일 측면에 있어서, 입사된 광을 투과시키는 필터 장치에 있어서, 기판, 상기 기판 상에 형성된 그래핀 레이어 및 적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들을 포함하고, 상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고, 상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압이 조절됨으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되고, 상기 필터 장치에 대해 입사되는 광에 대한 투과율이 조절되는, 필터 장치가 제공된다.In another aspect, a filter device for transmitting incident light, comprising a substrate, a graphene layer formed on the substrate, and metal plates formed on the graphene layer to form at least one slit, the At least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped, and the gate voltage applied to the filter device is adjusted to adjust the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer. , A filter device is provided in which transmittance of light incident on the filter device is adjusted.
또 다른 일 측면에 있어서, 입사된 광을 투과시키는 필터 장치의 제조 방법에 있어서, 기판을 제조하는 단계, 상기 기판 상에 그래핀 레이어를 형성하는 단계 및 적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고, 상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압이 조절됨으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되고, 상기 필터 장치에 대해 입사되는 광에 대한 투과율이 조절되는, 필터 장치의 제조 방법이 제공된다. In yet another aspect, in a method of manufacturing a filter device that transmits incident light, the method includes: preparing a substrate, forming a graphene layer on the substrate, and forming at least one slit. Forming metal plates formed thereon, wherein at least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped, and the gate voltage applied to the filter device is adjusted. There is provided a method of manufacturing a filter device in which a Fermi level and a plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted, and transmittance of light incident on the filter device is controlled.
실시예의 필터 장치는 게이트 전압을 조절함으로써 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되어 필터 장치에 대해 입사되는 광에 대한 투과율을 조절할 수 있다. In the filter device of the embodiment, by adjusting the gate voltage, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted to control transmittance of light incident on the filter device.
실시예의 필터 장치는, QCL와 같은 비싼 레이저나 저렴하지만 민감도와 정확도가 낮은 센서들을 대체할 수 있으며, 소형으로 구현될 수 있고 높은 민감도와 정확도로 광대역 중적외선 영역에서의 센싱이 가능하도록 구현될 수 있다. 또한, 실시예의 필터 장치는 온-칩(on-chip) 원격 센싱 플랫폼을 제공할 수 있으므로, 생체, 산업, 및 보안 상의 목적으로 사용되는 디바이스의 구현에 있어서 적용될 수 있다. The filter device of the embodiment can replace expensive lasers such as QCL or sensors with low sensitivity and accuracy, which are inexpensive, and can be implemented in a small size and can be implemented to enable sensing in a broadband mid-infrared region with high sensitivity and accuracy. have. In addition, since the filter apparatus of the embodiment can provide an on-chip remote sensing platform, it can be applied in the implementation of devices used for biometric, industrial, and security purposes.
실시예의 필터 장치를 통해서는, 중적외선 영역에서의 광에 대해, 튜닝 가능하고 광대역으로 동작할 수 있으면서 저렴하고 소형인 센싱 플랫폼을 제공할 수 있다. 이러한 필터 장치는 다양한 환경에서 대기 가스를 측정할 수 있는 센서를 구현함에 있어서 사용될 수 있다. Through the filter device of the embodiment, it is possible to provide a sensing platform that is tunable and can operate in a broadband manner for light in the mid-infrared region, and is inexpensive and compact. Such a filter device may be used to implement a sensor capable of measuring atmospheric gas in various environments.
도 1은 일 실시예에 따른 게이트 전압을 조절함으로써 입사되는 광에 대한 투과율을 조절할 수 있는 필터 장치를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 필터 장치의 입사되는 광의 파장의 변화에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 필터 장치의 입사되는 광의 파장의 변화에 따른 투과율의 변화와, 입사되는 광의 파장의 변화량에 대한 투과율의 변화량의 비를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 일 예에 따른 주요 분자들의 측정 가능한 광 흡수 영역을 나타내는 그래프이고, 도 4b는 일 예에 따른 유기 분자들의 적외선 영역에서의 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 게이트 전압을 조절함으로써 입사되는 광에 대한 투과율을 조절할 수 있는 필터 장치의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 1 illustrates a filter device capable of adjusting transmittance of incident light by adjusting a gate voltage according to an exemplary embodiment.
2 is a graph showing a change in transmittance according to a change in a wavelength of incident light of a filter device according to an exemplary embodiment.
3 is a graph showing a change in transmittance according to a change in a wavelength of incident light of a filter device and a ratio of a change in transmittance to a change in wavelength of incident light in an exemplary embodiment.
4A is a graph showing a measurable light absorption area of major molecules according to an example, and FIG. 4B is a graph showing transmittance of organic molecules in an infrared region according to an example.
5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a filter device capable of adjusting transmittance of incident light by adjusting a gate voltage according to an exemplary embodiment.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.
도 1은 일 실시예에 따른 게이트 전압을 조절함으로써 입사되는 광에 대한 투과율을 조절할 수 있는 필터 장치를 나타낸다.1 illustrates a filter device capable of adjusting transmittance of incident light by adjusting a gate voltage according to an exemplary embodiment.
도 1을 참조하여, 입사된 광을 투과시키는 필터 장치(100)로서, 입사된 광의 투과율을 분석하는 것을 통해 분자 또는 가스를 탐지할 수 있는 센서로서 활용될 수 있는 필터 장치(100)에 대해 설명한다. Referring to FIG. 1, a
도시된 (나노) 필터 장치(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 그래핀 레이어(120), 적어도 하나의 슬릿(140)을 형성하도록 그래핀 레이어(120) 상에 형성된 금속 판들(130) 및 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압(Vg)을 조절하는 게이트 전압 조절부(160)를 포함할 수 있다. 게이트 전압 조절부(160)는 필터 장치(100) 자체의 구성이 아닌 외부에서 필터 장치(100)에 접속되는 전압 공급부 및 전압 조절부에 대응할 수도 있다.The illustrated (nano)
그래핀 레이어(120)는 기판(110) 상에 형성된 그래핀 패턴일 수 있다. 그래핀 패턴은 적외선 영역의 광에 대해 플라즈몬 공진을 일으킬 수 있다. 말하자면, 그래핀 레이어(120)는 적외선 광이 조사될 때 플라즈몬 공진을 발생시킬 수 있다. 공진을 일으키는 적외선 광은 예컨대, 중적외선(Mid-Infrared 또는 Medium Wave Infrared) 영역의 파장을 갖는 광일 수 있다. 중적외선 영역에 해당하는 대역의 파장은 일례로, 3μm 이상 10μm 미만일 수 있다. 즉, 그래핀 레이어(120)는 중적외선 영역의 광이 조사될 때 플라즈몬 공진을 발생시키도록 형성될 수 있다. 그래핀 레이어(120)는 전기적으로 도핑되어 있을 수 있다. 예컨대, 그래핀 레이어(120)는 도시된 바와 같이, 전해질(150)을 사용하여 전기적으로 도핑될 수 있다. 전해질(150)은 유전체의 특성을 갖는 유전체 층(dielectric layer)일 수 있다. 유전체 층(150)은 그래핀 레이어(110) 위에 형성되어 슬릿(140)에 의한 갭을 매울 수 있다. 예컨대, 전해질(150)은 광학 주파수(일례로, 중적외선(mid-IR)에 해당하는 10THz 이상의 매우 높은 주파수)에서 유전체가 될 수 있고, 따라서, 그래핀 플라즈몬을 위해, 전해질(150)은 소정의 유전율을 갖는 유전체 특성을 나타낼 수 있다. The
기판(110)은 그래핀 레이어(120)가 형성된 측으로부터 조사되는 광을 투과할 수 있도록 투명의 재료로 구성될 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 CaF2, Al2O3 또는 SiO2를 포함할 수 있으나, 투명의 여하한 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 도시된 기판(110)은 하나의 층으로 도시되었으나 복수의 층이 순차적으로 적층됨에 따라 제조될 수도 있다. The
금속 판들(130)은 그래핀 레이어(120) 상에 형성(예컨대, 그래핀 레이어(120) 상에 증착)되며, 적어도 하나의 슬릿(140)을 형성할 수 있다. 금속 판들(130)의 각각은 나노 슬릿 금속 판일 수 있다. 금속 판들(130)의 각각은 금속 스트립일 수 있다. 금속 판들(130)의 각각은 Au, Ag 또는 Al과 같은 금속이나 그 합금(또는 화합물)을 사용하여 제조될 수 있다. 도시된 바와 같이, 그래핀 레이어(120)의 적어도 일부는 슬릿(140)을 통해 노출될 수 있다. The
필터 장치(100)에 대해 광은 기판(110)의 그래핀 레이어(120)가 적층된 방향으로부터 입사될 수 있다. 입사되는 광은 슬릿(140)에 대해 수직으로 편광된 광일 수 있다. 필터 장치에 대해 입사되는 광은 전술된 중적외선 영역의 광일 수 있고, 광대역의 광(broadband light)일 수 있다. 편광된 광은 전계(Electirc field)(EIR)에 대응할 수 있다. Light may be incident on the
실시예의 필터 장치(100)는, 게이트 전압 조절부(160)를 통해 인가되는 게이트 전압이 조절됨으로써 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절될 수 있다. 이에 따라, 필터 장치(100)에서는 입사되는 광에 대한 투과율이 조절될 수 있다. 플라즈몬 공진 파장은 그래핀 레이어(120)가 플라즈몬 공진을 일으키는 광의 파장을 나타낼 수 있다. In the
예컨대, 실시예의 필터 장치(100)에서는 인가되는 게이트 전압이 조절됨에 따라 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨이 조정될 수 있으며, 이러한 페르미 레벨이 조정됨에 따라 그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장이 조절될 수 있다. For example, in the
그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장은 아래 수학식 1에 따라 조절될 수 있다.The plasmon resonance wavelength of the
수학식 1에서의 관계에 따라, 게이트 전압이 조절됨에 따라 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨과 플라즈몬 공진 파장이 조절될 수 있다. According to the relationship in
실시예의 필터 장치(100)에서는, 인가되는 게이트 전압이 조절됨에 따라, 필터 장치(100)의 파노 공진(Fano Resonance)(즉, 파노 공진(Fano Interference))이 일어나는 위치에 해당하는 광(예컨대, 중적외선 영역의 광)의 파장이 변경될 수 있다. 필터 장치(100)의 파노 공진이 일어나는 피크에 해당하는 광(중적외선 영역의 광)의 파장은 전술한 플라즈몬 공진 파장에 대응할 수 있다. 말하자면, 파노 공진은 그래핀의 공진에 의해 일어나는 바, 파노 공진이 일어나는 피크에 해당하는 광의 파장은 전술한 플라즈몬 공진 파장과 동일할 수 있다. In the
필터 장치(100)에 있어서, 슬릿(140)의 폭 w는 그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장과 유사한 값으로서 결정될 수 있다. 예컨대, 슬릿(140)의 폭은 필터 장치(100)(즉, 필터 장치(100)의 설계자)가 타겟으로 하는 그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장에 대해 동일한 크기 스케일을 갖도록 결정될 수 있다. 동일한 크기의 스케일을 갖는다는 것은, 슬릿(140)의 폭이 타겟으로 하는 그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장에 대해 서브 파장(subwavelength) 스케일이 되는 것을 의미할 수 있다. 일례로, 슬릿(140)의 폭은 타겟으로 하는 그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장 1/10 이상 10배 미만이 될 수 있다. 즉, 슬릿(140)의 폭에 대한 그래핀 레이어(120)의 플라즈몬 공진 파장 간의 크기의 비는 수십 내지 수백배(또는 수십 내지 수백분의 1)이 되는 것이 아니라, 수분의 일 정도가 되거나 1에 가까운 값이 될 수 있다. 또한, 1주기(금속 판(130)의 폭+슬릿(140)의 폭)는 슬릿의 폭의 10배 이상이 될 수 있다.In the
금속 판(130)과 슬릿(140)의 1 주기를 나타내는 L은 필터 장치(100)(즉, 필터 장치(100)의 설계자)가 타겟으로 하는 주파수 밴드에서의 광대역 EOT (ExtraOrdinary Transmission)를 허용할 수 있도록 초파장 스케일로서 결정될 수 있다. 예컨대, L은 w의 10배 이상이 될 수 있다.L, which represents one period of the
예컨대, EOT를 가지려면, 격자의 주기(period of grating)는 파장에 비해 더 작거나 유사해야 하며, 슬릿(140)의 크기는 훨씬 더 작게 되어야 할 수 있다. 슬릿(140)의 크기는 갭 내에서의 플라즈몬 공명의 조건(그래핀이 아닌 금속성 플라즈몬)을 만족시켜야한다. 이에 따라, EOT가 동작할 수 있고, 광은 금속 상의 슬릿 플라즈몬에 결합하여 좁은 슬릿(슬릿의 플라스몬 모드들을 통해)을 매우 높은 효율로 격자의 다른면(other side)으로 통과할 수 있다.For example, to have an EOT, the period of grating must be smaller or similar to the wavelength, and the size of the
위와 같이 L과 w가 결정됨으로써, L에 의존하는 EOT 연속 전파 모드들과 w에 의존하는 나노 캐비티의 플라즈몬 공명이 간섭함에 따라 파노 공진(파노 공진)이 발생할 수 있다. 이러한, 파노 공진에 의한 최대 간섭은, 전술한 바와 같이 입사되는 광이 슬릿(140)에 대해 수직으로 편광된 광일 경우에 일어날 수 있다. As L and w are determined as described above, a pano resonance (pano resonance) may occur as the EOT continuous propagation modes depending on L and the plasmon resonance of the nano-cavity depending on w interfere. The maximum interference due to the wave resonance may occur when the incident light is light polarized perpendicularly to the
인가되는 게이트 전압을 변경함에 따라, 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨과 플라즈몬 공진 파장이 조절되고, 따라서, 필터 장치(100)의 파노 공진(또는 플라즈몬 공진)이 일어나는 피크에 해당하는 광(중적외선 영역의 광)의 파장이 변화되는 방법에 대해서는 후술될 도 2 및 도 3을 참조하여 더 자세하게 설명된다. As the applied gate voltage is changed, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the
설명한 바와 같은, 실시예의 필터 장치(100)는 (1) 인가되는 게이트 전압을 조절함으로써 능동적으로 입사되는 중적외선 영역의 광의 투과율을 튜닝할 수 있고, (2) 높은 정확도로 튜닝 가능한 분광학적 분석을 중적외선 영역의 광에 대해 수행할 수 있다는 점에서 유용하다. As described, the
또한, 실시예의 필터 장치(100)는 광이 투과될 수 있는 영역 내에서의 전기 게이팅을 통해 효과적으로 중적외선 영역의 광의 투과율을 매우 급격하게 변화시킬 수 있다. 전기 게이팅은 정전기 게이팅(Electrostatic gating)으로서, 외부 전계가 가해질 때, 그래핀 내의 전자의 에너지가 변화하고, 따라서, 그래핀 내의 에너지 레벨의 population이 변화하는 것을 나타낼 수 있다. In addition, the
따라서, 실시예의 필터 장치는 이 디바이스는 싸고 소형인 광대역 중적외선 측정을 가능케하고, 온-칩 원격 센싱 플랫폼을 제공함으로써, 생체, 산업, 및 보안 상의 목적으로 사용되는 디바이스의 구현에 있어서 유용하게 적용될 수 있다. Therefore, the filter device of the embodiment enables the device to measure inexpensive and small wideband mid-infrared rays, and by providing an on-chip remote sensing platform, it is usefully applied in the implementation of devices used for biometric, industrial, and security purposes. I can.
도 2는 일 실시예에 필터 장치의 입사되는 광의 파장의 변화에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing a change in transmittance according to a change in a wavelength of incident light of a filter device according to an exemplary embodiment.
도 2를 참조하여, 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압을 변경함에 따라, 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨과 플라즈몬 공진 파장이 조절되고, 따라서, 필터 장치(100)의 파노 공진(또는 플라즈몬 공진)이 일어나는 피크에 해당하는 광(중적외선 영역의 광)의 파장이 변화되는 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다. Referring to FIG. 2, as the gate voltage applied to the
도시된 그래프와 관련된 필터 장치(100)는, 금속 판들(130)의 두께가 50nm, w는 160 nm, L은 1.6 μm인 것이 가정되었다. In the
도시된 그래프들의 피크는 파노 공진에 의해 발생된 피크를 나타낼 수 있다. 투과율의 급격한 변화는 1차 플라즈몬 캐비티 모드(first order cavity mode)와 그래핀-금속 하이브리드 모드들에서 나온 EOT의 파노 공진에 의한 결과일 수 있다. 피크는 도시된 것처럼 매우 뾰족하게 나타나며, 피크의 부근에서는 광의 투과율이 입사된 광의 파장에 따라 매우 가파르게 변할 수 있다. 예컨대, 입사된 광의 투과율은 아주 좁은 스펙트럼 갭(즉, 파장의 100 nm 미만의 변화)에 대해 10배 이상이 변화할 수 있다.Peaks of the illustrated graphs may represent peaks generated by Pano resonance. The abrupt change in transmittance may be a result of the Pano resonance of the EOT from the first order cavity mode and graphene-metal hybrid modes. The peak appears very sharp as shown, and in the vicinity of the peak, the transmittance of light may change very steeply depending on the wavelength of the incident light. For example, the transmittance of incident light may vary by 10 or more for a very narrow spectral gap (ie, less than 100 nm change in wavelength).
도시된 그래프들은 게이트 전압(Vg)의 변화량을 1V 미만으로 한 경우에 있어서, 피크가 이동되는 경향을 나타낸 것일 수 있다. 이와 같이, 1V 미만의 게이트 전압의 변화로도 피크의 위치를 크게 변경할 수 있다.The illustrated graphs may indicate a tendency of a peak shift when the amount of change of the gate voltage Vg is less than 1V. In this way, even with a change in the gate voltage of less than 1V, the position of the peak can be significantly changed.
1차 플라즈몬 캐비티 모드(first order cavity mode)는 
도시된 붉은색 그래프는, 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨이 0.34eV가 되도록 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압을 변경함에 따른, 중적외선 영역의 광의 파장에 대한 중적외선 영역의 광의 투과율의 변화를 나타낸다. The illustrated red graph shows the transmittance of light in the mid-infrared region to the wavelength of light in the mid-infrared region as the gate voltage applied to the
도시된 녹색 그래프는, 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨이 0.42eV가 되도록 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압을 변경함에 따른, 중적외선 영역의 광의 파장에 대한 중적외선 영역의 광의 투과율의 변화를 나타낸다. The illustrated green graph shows the transmittance of light in the mid-infrared region with respect to the wavelength of light in the mid-infrared region as the gate voltage applied to the
도시된 녹색 그래프는, 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨이 0.50eV가 되도록 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압을 변경함에 따른, 중적외선 영역의 광의 파장에 대한 중적외선 영역의 광의 투과율의 변화를 나타낸다.The illustrated green graph shows the transmittance of light in the mid-infrared region with respect to the wavelength of light in the mid-infrared region as the gate voltage applied to the
즉, 도시된 바와 같이 필터 장치(100)는, 입사된 중적외선 영역의 광에 대해, 금속 판들(130)과, 그래핀 레이어(120)에 의해 나타나는 파노 공진에 의한 급격한 투과율 변화를 나타낼 수 있고, 이러한 급격한 투과율의 변화가 나타나는 파장은 게이트 전압을 변경함에 따라 튜닝될 수 있다. 또한, 광대역으로 입사되는 입사 광의 좁은 스펙트럼 특징들을 (예를 들면, 흡수선) 정밀하게 분해해 낼 수 있다.In other words, as shown, the
도 1을 참조하여 전술된 기술적 특징에 대한 설명은, 도 2에 대해서도 그대로 적용될 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the description of the technical features described above with reference to FIG. 1 may be applied to FIG. 2 as it is, a duplicate description will be omitted.
도 3은 일 실시예에 필터 장치의 입사되는 광의 파장의 변화에 따른 투과율의 변화와, 입사되는 광의 파장의 변화량에 대한 투과율의 변화량의 비를 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing a change in transmittance according to a change in a wavelength of incident light of a filter device and a ratio of a change in transmittance to a change in wavelength of incident light in an exemplary embodiment.
도 3의 내부의 그래프는, 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨이 0.50eV가 되도록 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압을 변경함에 따른, 중적외선 영역의 광의 파장에 대한 중적외선 영역의 광의 투과율의 변화를 나타낸다.The internal graph of FIG. 3 shows the light in the mid-infrared region with respect to the wavelength of the light in the mid-infrared region as the gate voltage applied to the
도 3의 외부의 그래프는, 파노 기울기(피크 이후 급격하게 투과율이 감소하는 파장 영역)(또는, 파노 공진이 일어나는 위치에 대응하는 중적외선 영역의 광의 파장의 주변을 포함하는 파장 영역)에서 중적외선 영역의 광의 파장에 대한 중적외선 영역의 광의 투과율의 변화를 나타낸다.The external graph of FIG. 3 shows the mid-infrared rays in the pano slope (a wavelength region in which the transmittance rapidly decreases after the peak) (or a wavelength region including the periphery of the wavelength of light in the mid-infrared region corresponding to the position where the pano resonance occurs). It shows the change of the transmittance of light in the mid-infrared region with respect to the wavelength of the region light.
투과율의 기울기(
필터 장치(100)에 대해, 파노 기울기(또는, 투과율의 기울기)를 튜닝함으로써 광대역의 중적외선 광의 좁은 흡수선과 일치시킬 수 있다. 이를 통해서는, 예컨대, 50 nm 가량의 스펙트럼 선폭(spectral linewidth)(FWHM 
도 1 및 2를 참조하여 전술된 기술적 특징에 대한 설명은, 도 3에 대해서도 그대로 적용될 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the description of the technical features described above with reference to FIGS. 1 and 2 may be applied to FIG. 3 as it is, a duplicate description will be omitted.
도 4a는 일 예에 따른 주요 분자들의 측정 가능한 광 흡수 영역을 나타내는 그래프이고, 도 4b는 일 예에 따른 유기 분자들의 적외선 영역에서의 투과율을 나타내는 그래프이다.4A is a graph showing a measurable light absorption area of major molecules according to an example, and FIG. 4B is a graph showing transmittance of organic molecules in an infrared region according to an example.
도 4를 참조하여, 필터 장치(100)의 분자 센서에의 적용 가능성에 대해 더 자세하게 설명한다. With reference to FIG. 4, the possibility of applying the
아래 도 4a에서 도시되어 있는 것처럼, 중적외선 영역에 해당하는 스펙트럼 구간은 흔히 사용되는 주요 무기 분자들 및 유기 분자들의 진동 흡수 에너지를 커버할 수 있다. 즉, 중적외선 영역의 광을 필터 장치(100)에 조사하여 그 투과율(또는 흡수율)의 패턴을 분석하는 것을 통해서는 이러한 주요 무기 분자들 및 유기 분자들의 존재를 검출해 낼 수 있다. As shown in FIG. 4A below, a spectral section corresponding to the mid-infrared region may cover vibration absorption energy of commonly used main inorganic molecules and organic molecules. That is, by irradiating light in the mid-infrared region to the
한편, 도 4에서는 중적외선 영역에서의 주요 유기 분자들의 흡수율이 도시되었다. 따라서, 적외선 영역의 광을 필터 장치(100)에 조사하여 그 투과율(또는 흡수율)의 패턴을 분석하는 것을 통해서는 도시된 것과 같은 유기 분자들(메탄, 프로판, 에탄, 에텐, 프로펜, 아세틸렌 등)을 검출해 낼 수 있다.Meanwhile, in FIG. 4, absorption rates of major organic molecules in the mid-infrared region are shown. Therefore, by irradiating light in the infrared region to the
이와 같이, 필터 장치(100)는 생체, 산업, 및 보안 상의 목적으로 사용되는 디바이스/센서의 구현에 있어서 유용하게 적용될 수 있다.In this way, the
도 1 내지 3을 참조하여 전술된 기술적 특징에 대한 설명은, 도 4에 대해서도 그대로 적용될 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the description of the technical features described above with reference to FIGS. 1 to 3 may be applied to FIG. 4 as it is, a duplicate description will be omitted.
도 5는 일 실시예에 게이트 전압을 조절함으로써 입사되는 광에 대한 투과율을 조절할 수 있는 필터 장치의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a filter device capable of adjusting transmittance of incident light by adjusting a gate voltage according to an exemplary embodiment.
단계(510)에서, 기판(110)이 제조될 수 있다. 기판은 박막 형상으로 제조될 수도 있다. 기판(110)은 그래핀 레이어(120) 및 금속 판들(130)이 형성되는 기저일 수 있다. 기판(110)은 투명한 물질을 사용하여 제조될 수 있다. In
단계(520)에서, 기판(110)에 그래핀 레이어(120)가 형성될 수 있다. 그래핀 레이어(120)를 기판(210)에 적층하여 형성하기 위해서는 기판(110)에 대해 적용되는 여하한 그래핀 패턴 형성 방법이 사용될 수 있다.In
단계(530)에서, 적어도 하나의 슬릿(140)이 형성되도록 그래핀 레이어(120) 상에 금속 판들(130)이 형성될 수 있다. 그래핀 레이어(120)의 적어도 일부는 슬릿(140)을 통해 노출될 수 있다.In
단계(540)에서, 필터 장치(100)에 인가되는 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부(160)가 배치될 수 있다. 게이트 전압 조절부(160)는 필터 장치(100)에 게이트 전압을 인가할 수 있도록 필터 장치(100)에 전기적으로 접속될 수 있다. In
필터 장치(100)의 제조 방법은, 그래핀 레이어(120)가 전기적으로 도핑되는 단계를 더 포함할 수 있다. 그래핀 레이어(120)는 전해질을 사용하여 전기적으로 도핑될 수 있다.The method of manufacturing the
제조된 필터 장치(100)는 인가되는 게이트 전압이 조절됨으로써 그래핀 레이어(120)의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절될 수 있고, 따라서, 필터 장치(100)에 대해 입사되는 광에 대한 투과율이 조절될 수 있다. The manufactured
도 1 내지 4b를 참조하여 전술된 기술적 특징에 대한 설명은, 도 5에 대해서도 그대로 적용될 수 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the description of the technical features described above with reference to FIGS. 1 to 4B may be applied to FIG. 5 as it is, a duplicate description will be omitted.
중적외선 영역의 광에 대해 분광을 할 경우에는 주로 푸리에 변환 방법(FTIR)을 이용하는 비싸고 큰 FTIR 현미경들이 사용된다. 이러한 FTIR 현미경들은 매우 높은 정확도와 광대역 성능을 나타내지만, 대기의 수중기로부터 캐비티 내에 있는 중적외선 광학 제품들이 보호될 수 있도록 끊임 없이 질소 가스가 공급될 수 있는 실험실 환경에서만 사용될 수 있다. 실시예의 필터 장치(100)는 이러한 FTIR 현미경 역시 대체하기 위해 사용될 수 있다. In the case of spectroscopic light in the mid-infrared region, expensive and large FTIR microscopes using the Fourier transform method (FTIR) are mainly used. These FTIR microscopes exhibit very high accuracy and broadband performance, but can only be used in laboratory environments where nitrogen gas can be supplied constantly to protect the mid-infrared optics in the cavity from atmospheric water. The
전술된 실시예의 필터 장치(100)는 그래핀 레이어(120)의 전기적 도핑 레벨을 변경함으로써, 입사되는 광대역의 광의 좁은 스펙트럼 선들을 중적외선 영역에서 높은 정확도로 분해 및 센싱할 수 있다. The
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the embodiment, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.
Claims (15)
기판;
상기 기판 상에 형성된 그래핀 레이어;
적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들; 및
상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부
를 포함하고,
상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고,
상기 게이트 전압을 조절함으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되고,
상기 필터 장치에 대해 입사되는 광은 중적외선 영역의 광이고,
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라, 상기 필터 장치의 파노 공진(Fano Resonance)이 일어나는 광의 파장이 변경되고,
상기 파노 공진이 일어나는 광의 파장의 주변에서, 상기 입사되는 중적외선 영역의 광의 파장의 변화에 대해 상기 중적외선 영역의 광의 투과율(transmittance)은 선형적으로 변화하는, 필터 장치.In the filter device that transmits the incident light,
Board;
A graphene layer formed on the substrate;
Metal plates formed on the graphene layer to form at least one slit; And
A gate voltage adjusting unit that adjusts a gate voltage applied to the filter device
Including,
At least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped,
By adjusting the gate voltage, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted,
Light incident on the filter device is light in the mid-infrared region,
As the gate voltage is adjusted, the wavelength of light at which Fano Resonance of the filter device occurs is changed,
A filter device, wherein a transmittance of light in the mid-infrared region changes linearly with respect to a change in the wavelength of the incident mid-infrared light in the vicinity of a wavelength of light where the wave resonance occurs.
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨이 조정되고,
상기 그래핀 레이어의 플라즈몬 공진 파장은 수학식 1에 따라 조절되고,
[수학식 1]
As the gate voltage is adjusted, the Fermi level of the graphene layer is adjusted,
The plasmon resonance wavelength of the graphene layer is adjusted according to Equation 1,
[Equation 1]
상기 필터 장치의 파노 공진이 일어나는 피크에 해당하는 상기 중적외선 영역의 광의 파장은 상기 플라즈몬 공진 파장에 대응하는, 필터 장치. The method of claim 1,
The filter device, wherein a wavelength of light in the mid-infrared region corresponding to a peak at which the pano resonance occurs of the filter device corresponds to the plasmon resonance wavelength.
상기 중적외선 영역의 광은 상기 슬릿에 대해 수직으로 편광된 광인, 필터 장치. The method of claim 1,
The light in the mid-infrared region is light polarized perpendicularly to the slit.
상기 기판은 투명 기판인, 필터 장치.The method of claim 1,
The filter device, wherein the substrate is a transparent substrate.
상기 기판은 CaF2를 포함하는, 필터 장치.The method of claim 1,
The filter device, wherein the substrate comprises CaF 2 .
상기 금속 판은 Au, Ag 또는 Al을 포함하는, 필터 장치.The method of claim 1,
The metal plate comprises Au, Ag or Al, filter device.
상기 그래핀 레이어는 전해질을 사용하여 전기적으로 도핑되는, 필터 장치.The method of claim 1,
The graphene layer is electrically doped using an electrolyte.
상기 슬릿의 폭은 타겟으로하는 상기 그래핀 레이어의 플라즈몬 공진 파장에 대해 동일한 크기 스케일을 갖도록 결정되는, 필터 장치.The method of claim 1,
The width of the slit is determined to have the same size scale with respect to the plasmon resonance wavelength of the graphene layer as a target.
기판을 제조하는 단계;
상기 기판 상에 그래핀 레이어를 형성하는 단계;
적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 금속 판들을 형성하는 단계; 및
상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압을 조절하는 게이트 전압 조절부를 배치하는 단계
를 포함하고,
상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고,
상기 게이트 전압을 조절함으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되고,
상기 필터 장치에 대해 입사되는 광은 중적외선 영역의 광이고,
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라, 상기 필터 장치의 파노 공진(Fano Resonance)이 일어나는 광의 파장이 변경되고,
상기 파노 공진이 일어나는 광의 파장의 주변에서, 상기 입사되는 중적외선 영역의 광의 파장의 변화에 대해 상기 중적외선 영역의 광의 투과율(transmittance)은 선형적으로 변화하는, 필터 장치의 제조 방법.In the method of manufacturing a filter device that transmits incident light,
Manufacturing a substrate;
Forming a graphene layer on the substrate;
Forming metal plates on the graphene layer to form at least one slit; And
Arranging a gate voltage adjuster for adjusting a gate voltage applied to the filter device
Including,
At least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped,
By adjusting the gate voltage, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted,
Light incident on the filter device is light in the mid-infrared region,
As the gate voltage is adjusted, the wavelength of light at which Fano Resonance of the filter device occurs is changed,
A method of manufacturing a filter device, wherein the transmittance of light in the mid-infrared region is linearly changed with respect to a change in the wavelength of the incident mid-infrared region in the vicinity of the wavelength of the light where the wave resonance occurs.
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨이 조정되고,
상기 그래핀 레이어의 플라즈몬 공진 파장은 수학식 2에 따라 조절되고,
[수학식 2]
As the gate voltage is adjusted, the Fermi level of the graphene layer is adjusted,
The plasmon resonance wavelength of the graphene layer is adjusted according to Equation 2,
[Equation 2]
기판;
상기 기판 상에 형성된 그래핀 레이어; 및
적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들
을 포함하고,
상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고,
상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압이 조절됨으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되고, 상기 필터 장치에 대해 입사되는 광에 대한 투과율이 조절되고,
상기 필터 장치에 대해 입사되는 광은 중적외선 영역의 광이고,
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라, 상기 필터 장치의 파노 공진(Fano Resonance)이 일어나는 광의 파장이 변경되고,
상기 파노 공진이 일어나는 광의 파장의 주변에서, 상기 입사되는 중적외선 영역의 광의 파장의 변화에 대해 상기 중적외선 영역의 광의 투과율(transmittance)은 선형적으로 변화하는, 필터 장치.In the filter device that transmits the incident light,
Board;
A graphene layer formed on the substrate; And
Metal plates formed on the graphene layer to form at least one slit
Including,
At least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped,
By controlling the gate voltage applied to the filter device, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted, the transmittance of light incident on the filter device is adjusted,
Light incident on the filter device is light in the mid-infrared region,
As the gate voltage is adjusted, the wavelength of light at which Fano Resonance of the filter device occurs is changed,
A filter device, wherein a transmittance of light in the mid-infrared region changes linearly with respect to a change in the wavelength of the incident mid-infrared light in the vicinity of a wavelength of light where the wave resonance occurs.
기판을 제조하는 단계;
상기 기판 상에 그래핀 레이어를 형성하는 단계; 및
적어도 하나의 슬릿을 형성하도록 상기 그래핀 레이어 상에 형성된 금속 판들을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 그래핀 레이어의 적어도 일부는 상기 슬릿을 통해 노출되고, 상기 그래핀 레이어는 전기적으로 도핑되어 있고,
상기 필터 장치에 인가되는 게이트 전압이 조절됨으로써 상기 그래핀 레이어의 페르미 레벨 및 플라즈몬 공진 파장이 조절되고, 상기 필터 장치에 대해 입사되는 광에 대한 투과율이 조절되고,
상기 필터 장치에 대해 입사되는 광은 중적외선 영역의 광이고,
상기 게이트 전압이 조절됨에 따라, 상기 필터 장치의 파노 공진(Fano Resonance)이 일어나는 광의 파장이 변경되고,
상기 파노 공진이 일어나는 광의 파장의 주변에서, 상기 입사되는 중적외선 영역의 광의 파장의 변화에 대해 상기 중적외선 영역의 광의 투과율(transmittance)은 선형적으로 변화하는, 필터 장치의 제조 방법.
In the method of manufacturing a filter device that transmits incident light,
Manufacturing a substrate;
Forming a graphene layer on the substrate; And
Forming metal plates formed on the graphene layer to form at least one slit
Including,
At least a portion of the graphene layer is exposed through the slit, the graphene layer is electrically doped,
By controlling the gate voltage applied to the filter device, the Fermi level and the plasmon resonance wavelength of the graphene layer are adjusted, the transmittance of light incident on the filter device is adjusted,
Light incident on the filter device is light in the mid-infrared region,
As the gate voltage is adjusted, the wavelength of light at which Fano Resonance of the filter device occurs is changed,
A method of manufacturing a filter device, wherein the transmittance of light in the mid-infrared region is linearly changed with respect to a change in the wavelength of the incident mid-infrared region in the vicinity of the wavelength of the light where the wave resonance occurs.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015045629A (en) * | 2013-04-26 | 2015-03-12 | 三菱電機株式会社 | Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array |
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2015513067A (en) | 2012-01-23 | 2015-04-30 | ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミシガンＴｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｍｉｃｈｉｇａｎ | Photoconductive device having a plasmon electrode |
| JP2015045629A (en) * | 2013-04-26 | 2015-03-12 | 三菱電機株式会社 | Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array |
| JP2017526015A (en) | 2014-06-10 | 2017-09-07 | 中国科学院蘇州納米技術与納米倣生研究所Ｓｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｎａｎｏ−Ｔｅｃｈ Ａｎｄ Ｎａｎｏ−Ｂｉｏｎｉｃｓ（Ｓｉｎａｎｏ），Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ | Terahertz modulator based on low-dimensional electron plasma wave and manufacturing method thereof |
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