[논문 리뷰] Hyper-doped silicon nanoantennas and metasurfaces for tunable infrared plasmonics

Jean‐Marie Poumirol, Clément Majorel외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Plasmonic and Surface Plasmon ResearchEngineering참고 문헌 43인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 중간 적외선(2–5 μm) 범위에서 조절 가능한 국소 표면 플라스몬 공진(이하 LSPR)을 갖는 전량 실리콘 기반 플라스모닉 메타표면을 초고농도 도핑된 실리콘 나노디스크(Si-NDs)를 이용해 구현한다. 100 nm 지름, 23 nm 높이의 Si-NDs에서 펄스 레이저 열처리를 통해 10²¹ cm⁻³까지의 적재 농도를 달성함으로써 저자들은 강한 적외선 흡수 및 반사율 조절을 달성하였으며, 시뮬레이션을 통해 근접장 결합과 격자 주기성 효과가 흡수율과 반사율을 독립적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.

ABSTRACT

We present the experimental realization of ordered arrays of hyper-doped silicon nanodisks, which exhibit a localized surface plasmon resonance. The plasmon is widely tunable in a spectral window between 2 and 5 $\\mu$m by adjusting the free carrier concentration between 10$^{20}$ and 10$^{21}$ cm$^{-3}$. We show that strong infrared light absorption can be achieved with all-silicon plasmonic metasurfaces employing nano-structures with dimensions as low as 100\\,nm in diameter and 23 nm in height. Our numerical simulations show an excellent agreement with the experimental data and provide physical insights on the impact of the nanostructure shape as well as of near-field effects on the optical properties of the metasurface. Our results open highly promising perspectives for integrated all-silicon-based plasmonic devices for instance for chemical or biological sensing or for thermal imaging.

연구 동기 및 목표

• 중간 적외선(MIR) 영역에서 조절 가능한 국소 표면 플라스몬 공진(LSPR)을 갖는 전량 실리콘 기반 플라스모닉 메타표면을 개발하기 위해.
• 귀금속 및 고굴절률 다이에렉트릭 물질의 한계를 극복하기 위해 고자기자 농도를 갖는 초고농도 도핑된 실리콘 나노구조를 사용하여 중간 적외선 플라스모닉스를 실현하기 위해.
• 스케일업 가능하고 CMOS 호환 가능한 제조 공정을 위해 펄스 레이저 열처리(LTA)를 활용한 정밀하고 균일한 실리콘 나노디스크 도핑을 달성하기 위해.
• Si-NDs 내 자유전자 농도를 제어함으로써 2–5 μm 범위에서 강한 적외선 흡수 및 조절 가능한 LSPR를 실험적으로 입증하기 위해.
• 근접장 결합 및 집단 효과가 조밀한 메타표면에서 어떻게 영향을 미치는지 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 분석하고 정량화하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판에 23 ± 2 nm 두께의 실리콘 상층과 20 nm 두께의 베이드 옥사이드(BOX)를 사용하여 상향식 공정으로 실리콘 나노디스크(Si-NDs)를 제작하였다.
• 자기자 농도를 10²⁰–10²¹ cm⁻³ 범위로 조절하기 위해 저에너지(4 keV) 인산염(P) 이온 주입을 4단계로 증가시켰다.
• 고체 용해도 한계를 초월하는 초고농도 도핑을 달성하면서도 단일 결정립의 구조를 유지하기 위해 펄스 레이저 열처리(LTA)를 적용하였다.
• 절삭 원뿔 형태의 효과적 분극성도 근사법을 사용한 그린 따디아틱 방법(GDM)을 활용해 메타표면의 광학적 반응을 시뮬레이션하였다.
• Si-NDs 간의 이중극 상호작용 여부를 비교함으로써 근접장 결합 효과를 시뮬레이션에 통합하였다.
• 반사율과 흡수율에 미치는 간섭 및 공진 효과를 연구하기 위해 격자 주기성(즉, Si-NDs 간 간격)을 50 nm에서 500 nm까지 체계적으로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고농도 도핑된 실리콘 나노디스크는 중간 적외선(2–5 μm) 영역에서 조절 가능한 국소 표면 플라스몬 공진(LSPR)을 지닐 수 있는가?
• RQ2 펄스 레이저 열처리가 결정립의 품질을 손상시키지 않고 실리콘 나노구조에 균일하고 고농도의 도핑을 가능하게 하는가?
• RQ3 근접장 결합 및 집단 산란 효과는 밀도가 높은 Si-ND 메타표면의 반사율과 흡수율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 격자 주기성을 반사율을 독립적으로 조절할 수 있는 제어 변수로 사용할 수 있는가, 이때 흡수율은 일정하게 유지되는가?
• RQ5 3차원 나노디스크 형상과 광학적 근접장 상호작용은 전량 실리콘 메타표면의 LSPR 반응에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자기자 농도를 10²⁰에서 10²¹ cm⁻³로 조절함으로써 Si-ND 메타표면의 LSPR 피크가 2.5–5 μm 범위에서 조절 가능하다.
• LSPR 주파수에서 투과도가 약 10% 감소함을 관측하였으며, 이는 2–5 μm 파장에 비해 하위파장 크기(100 nm 지름)임에도 불구하고 강한 적외선 상호작용을 나타낸다.
• Si-NDs 간의 근접장 결합으로 반사율이 약 20% 증가하고, 고립된 디스크보다 약간 파장이 오른쪽으로 이동하는 적응이 발생한다.
• Si-NDs 간 간격을 500 nm에서 50 nm로 줄일 경우, 반사율 단위 면적당 10배 이상 증가한다. 이는 간섭과 건설적 간섭에 기인한 공진적 산란 때문이며.
• 다양한 격자 간격에서도 흡수율 단위 면적당 값은 거의 일정하게 유지되며, 이는 근접장 결합이 주로 반사율을 증가시키며 흡수율에는 영향을 주지 않는다는 것을 시사한다.
• 근접장 결합 효과를 고려한 그린 따디아틱 방법(GDM)과 효과적 분극성도 근사법을 사용한 수치 시뮬레이션 결과는 실험적 반사율 및 투과도 스펙트럼과 우수한 정량적 일치를 보였다.