이광자 흡수 광중합을 이용한 고분해능 근접장현미경 탐침 구조의 제작 및 특성 연구

Abstract

이광자 흡수는 원자 안의 전자가 동시에 두 개의 광자를 흡수하여 바닥 상태의 에너지 레벨에서 여기 상태의 에너지 레벨로 이동하는 비선형 광학 현상이다. 이러한 이광자 흡수에 의한 광중합을 이용하는 나노리소그래피는 100 nm의 회절 한계 이하의 정밀도를 가지고 3 차원 구조물을 제작할 수 있는 매우 유용한 기술이다. 대부분의 경우 마이크로/나노 구조물은 이광자 흡수를 이용한 나노리소그래피 시스템의 한계로 인하여 평평한 기판 위에서만 제작이 될 수 있었다. 즉, 보통의 경우 3 차원 구조물 제작을 위해서는 커버글래스와 같은 유리 기판과 금속이 코팅된 유리 기판이 고개구수 대물 렌즈와 함께 사용되었다. 본 논문의 연구에서는 기존의 Ti:Sapphire 레이저 시스템의 piezo 스테이지와 특수 제작된 광섬유 마운트를 결합하여 회절 한계 이하의 정밀도를 가지고 광섬유 단면상에 다양한 3 차원 구조물 제작이 가능한 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 기존의 시스템을 어떠한 교체없이 그대로 유지하면서 광섬유 마운트의 결합만으로 구성되었다는 점에서 차별화된다. 즉, 이 시스템에서 piezo 스테이지 위의 광섬유 마운트만 제거하면 기존처럼 유리 기판 위에 3 차원 구조물을 제작하는 데 사용될 수 있다. 이 광섬유 마운트는 3 개의 이동축과 2 개의 기울임축으로 구성되어 있어 광섬유를 원하는 위치에 정확하게 이동시키는 것이 가능하다. 광섬유 마운트 시스템을 이용하여, 먼저 미세 광학 소자를 광섬유 코어 표면에 제작하였다. 마이크로 렌즈, 마이크로 프리즘, 나방눈 구조물이 다중 모드 광섬유 코어 단면에 제작되었다. 그 다음 다양한 주사탐침현미경용 폴리머 팁을 설계하고, 단일 모드 광섬유 코어 표면에 적층 방식으로 제작하였다. 기본적인 원뿔형 폴리머 팁, 양자점이 포함된 폴리머 팁, 끝이 뾰족한 바늘 형태인 폴리머 팁이 SCR500 레진을 이용하여 이광자 흡수 광중합에 의해 광섬유 코어 단면에 제작되었다. 이 중에서 끝이 뾰족한 바늘 형태인 폴리머 팁은 약 90 nm의 팁 끝 직경을 가진다. 또한 O2-plasma ashing 공정 처리를 통하여 더 뾰족한 폴리머 팁을 제작하였으며, 그 직경은 최소 30 nm 까지 제작되었다. 최종적으로, 근접장현미경에 사용하기 위해 끝이 잘린 포물선형 폴리머 팁을 가진 고분해능 광섬유 탐침을 설계하고 제작하였다. 이러한 탐침을 사용하는 튜닝포크를 이용하는 근접장현미경을 이용하여 근접장 광학 이미지를 얻고, 이를 통해 탐침의 광 신호와 분해능을 측정하였다. 그 결과, 끝이 잘린 포물선형 팁에 의한 광 신호는 원뿔형 팁의 96 배, 포물선형 팁의 62 배 만큼 크게 측정되었다. 또한 이러한 광 신호 증가로 인한 신호대잡음비 증가로 끝이 잘린 포물선형 팁을 가진 탐침의 분해능 역시 원뿔형 팁과 포물선형 팁보다 향상되었다.