분자 감지를 위한 대면적 그래핀 플라즈몬 소자 제안

Abstract

지난 수년 간 분자 센서 산업은 점점 더 거대해져 왔고, 보다 많은 정보를 얻기 위해 고해상도 분자 센서에 대한 연구가 증가되어 왔다. 하지만 현재 연구되고 있는 단일 분자 센서들은 상용화 되기에는 민감도가 낮고 공정상 대량으로 생산하기에 어려움이 있었다. 이런 문제점을 해결하기 위해 본 학위논문에서는 민감도를 증대시키기 위한 이론적인 방법들을 분석하여, 대면적으로 제작이 가능하면서도 기존의 연구들보다 민감도가 증대된 소자를 제안한다. 먼저 기존의 소자들이 대면적으로 제작이 불가능한 이유는 분자를 감지하는데 물리적으로 패터닝된 구조를 사용하기 때문이다. 물리적으로 패터닝된 그래핀은 그래핀의 가장자리에 결함이 필연적으로 생기게 되고 그로 인해 민감도에 영향을 주게 된다. 또한 전자 빔 리소그래피 공정은 직렬 공정이기 때문에 병렬화 하기 힘들어 대면적으로 제작이 불가능하다. 그러므로 우리는 본 학위논문에서 반복적인 산화 및 식각 공정을 통해 제작된 주기적인 구조를 갖는 기판을 사용하여 그래핀의 물리적 패터닝 없이 그래핀 플라즈몬을 발생시키는 소자를 제안한다. 또한 그래핀 플라즈몬과 광자 간 낮은 상호작용 때문에 생기는 낮은 민감도 문제를 해결하기 위해 우리는 2.1절에서 민감도를 증대시키는 공진 구조와 공진 구조의 중첩을 통해 민감도를 큰 폭으로 향상시키는 구조에 대하여 이론적으로 분석하였다. 2.3절에서는 2.1절에서 분석한 정보를 바탕으로 대면적 제작이 가능한 그래핀 플라즈몬 공진 중첩 소자를 제안하고 소자의 최적조건을 계산하였다. 그리고 나아가 3장에서는 제안 소자가 분자 감지기로서 어떤 성능을 보이는지 보여줬다.