기계적 밴딩과 광학 트위징 이용한 테라헤르츠 나노안테나 광학적 반응 측정

Abstract

Abstract

Resonators with metallic nanometer gap structures are used and aimed for controlling the enhanced and the local confinement of the electromagnetic waves funneling through the metallic gaps of the resonators. Studies showed that the active resonators manipulate one of the optical responses, for instance, the amplitude, and the resonance frequency of the incident electromagnetic waves, by changing the connectivity of the gap of the resonators. In this work, we changed the connectivity of the gaps based on terahertz bowtie antennas and observed the optical responses on the terahertz spectrum. First, we fabricated a two-fold terahertz resonator where bending the flexible substrate outward breaks a diabolo array into a bowtie array. For the cases on flattening/ bending/ re-flattening, the electrical properties in conductance measurements and optical properties in THz transmission spectra are analyzed. While the conductance shows electrically connected in the diabolo antennas and disconnected in bowtie antennas results, THz transmittance shows two-fold resonant behavior. In this manner, we drop-casted lactose and caffeine molecules on the resonator, respectively. When the absorption peak of the chemicals and the resonant frequency match, the chemical sensing properties show increased sensitivity and selectivity compared to drop-casting on a bare substrate. On the other hand, we conducted a single particle detection experiment by putting the particle in a single bowtie nanogap with optical tweezing and detect it in a terahertz reflection spectrum. We found the conditions for stably manipulating a single particle by optical tweezing and analyzed it with trapping video, confirming that the size of the trapping potential is four times greater than the Brownian motion (1 kBT~ 26 meV). The reduced amplitude in terahertz reflectance was observed by terahertz time-domain spectroscopy, and the simulation results ensured that a single gold particle filled the bowtie gap. These works will open up as a preliminary step in the detection of single or multiple biomolecules, providing practical applications.

국문초록 Connectivity-changing terahertz nanoantennas manipulated by mechanical bending and optical tweezing

Jiyeah Rhie Department of Physics and Astronomy The Graduate School Seoul National University

금속 나노 미터 갭 구조를 가진 안테나는 금속 나노갭을 통해 퍼널링되는 전자기파의 증폭 및 국소적 집속을 제어하는 데 사용됩니다. 연구에 따르면 능동 안테나는 안테나 갭의 연결성을 변경하여 입사 전자기파의 진폭 및 공명 주파수와 같은 광학적 반응 중 하나를 조작합니다. 이 작업에서는 테라헤르츠 보우타이 안테나를 기반으로 갭의 연결성을 변경하고 테라헤르츠 스펙트럼에서 광학적 반응을 관찰했습니다. 먼저 유연한 기판을 바깥쪽으로 구부리면 디아볼로 어레이가 보타이 어레이로 금속연결성이 분리되는 테라헤르츠 안테나를 제작했습니다. 이 때, 테라헤르츠 스펙트럼상에서 공진 주파수는 보우타이 어레이로 변하면서 거의 2 배 값으로 주파수 변화를 보였습니다. 기판을 펴고/구부리고/다시 펼 때 전도도 측정의 전기적 특성과 테라헤르츠 투과 스펙트럼의 광학 특성을 분석하였습니다. 컨덕턴스 측정결과로는 디아볼로 안테나에서 전기적으로 연결되고 보타이 안테나에서 분리된 결과를 보여주었고 그에 따른 테라헤르츠 투과도에서는 공진 주파수가 2배 공진기처럼 주파수 이동을 보여줍니다. 이러한 특성 때문에 저는 안테나에 락토오스와 카페인 물질을 각각 떨어뜨렸습니다. 화학 물질의 흡수 피크와 공진 주파수가 일치할 경우, 화학적 감지 특성은 베어 기판의 드롭 캐스팅에 비해 감도와 선택성이 증가합니다. 다른 한편으로, 저는 광학 트위징 방법으로 테라헤르츠 반사 스펙트럼에서 싱글 보타이 나노 갭에서 싱글 금 나노입자 검출 실험을 진행했습니다. 광학 트위징으로 싱글 입자를 안정적으로 조작하기 위한 조건을 찾고 트래핑 비디오로 분석하여 트래핑 퍼텐셜의 크기가 실온에서의 브라우니안 운동에너지(1 kBT~ 26 meV)보다 4 배 크다는 것을 확인했습니다. 테라헤르츠 반사도에서의 감소된 진폭은 테라 헤르츠 시간 영역 분광법에 의해 관찰되었고, 싱글 금 입자가 보타이 갭을 채웠다고 볼 수 있음을 시뮬레이션으로 확인했습니다. 이러한 작업들은 단일 또는 다중 생체 분자 검출의 사전 단계가 되어 응용연구에 밑거름이 될 것입니다.