Tip-on-aperture NSOM 프로브의 설계와 제작에 관한 연구

Abstract

일반적인 광학계의 분해능은 회절한계로 인해 사용하는 광원의 파장 수준으로 제한되지만, 광원의 파장보다 짧은 거리의 영역인 근접장 영역에서는 회절한계를 넘는 분해능을 이룰 수 있다. NSOM (근접장광학현미경)이란 이러한 근접장 영역의 특성을 이용하여 100nm이하의 분해능을 이룰 수 있는 탐침(probe)형 현미경의 한 종류이다. NSOM은 100nm정도의 구멍이 있는 탐침이 광원의 역할을 하며, 구멍의 크기가 분해능을 결정짓는 주요 요소이다. 본 연구에서는 새로운 개념의 근접장 광학현미경 탐침인 tip-on-aperture NSOM 프로브(이하 TOA 프로브)의 에너지 전달과정을 규명하고 분해능과 에너지 투과율을 높이는 연구를 수행하였다. FDTD방법은 나노미터 크기 영역의 전자기장 해석분야에서 폭 넓게 사용되고 있는 방법으로 그 적합성이 많은 연구자들에 의해서 증명되었다. FDTD 방법을 적용하여 일반적인 형태의 NSOM 프로브와 새로운 개념의 NSOM 프로브인 slit-on-aperture NSOM 프로브, short slit-on-aperture NSOM 프로브, 그리고 TOA 프로브에 대한 근접장 영역에서의 에너지 분포를 해석하여 TOA프로브의 우수성과 근접장 영역에서 에너지 분포를 제어할 수 있음을 증명하였다. TOA 프로브의 설계를 위하여 다양한 형태와 다양한 재료의 TOA 프로브에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 금속의 광학적 특성을 포함시키기 위하여 Debye model을 적용하였으며 이는 표면플라즈몬 효과를 확인하기 위한 필수적인 요소이다. 해석적 연구를 통하여 세가지 표면플라즈몬의 여기를 포함하는 TOA 프로브의 에너지 전달과정을 규명하였다. 기존의 연구에서 간과되었던 에너지 전달의 요소들을 밝히고 이를 TOA 프로브의 설계에 반영하여 기존의 프로브보다 분해능과 에너지 투과율을 향상시켰다. 그 결과, 최대 에너지 밀도 기준으로 기존의 프로브와 비교하여 16배 향상시킬 수 있었다. 또한, 광원의 편광방향이 에너지 분포에 미치는 영향을 분석하여 편광방향에 대한 최적 조건을 제시하였다. NSOM 프로브는 작은 구멍이 있는 탐침으로 화학적 식각법에 의해 끝을 뾰족하게 가공한 광섬유의 표면을 금속으로 코팅한 후에, 코팅된 광섬유의 끝 부분에 구멍을 만들어 제작한다. TOA 프로브의 제작을 위해서 구멍을 만드는 공정에 FIB(Focused Ion Beam)가공을 도입하였으며 이를 통해 TOA 프로브의 제작공정을 기존의 5단계에서 3단계로 줄일 수 있었으며, 형태가 다양한 TOA 프로브의 제작 가능성을 확인하였다.