Development of Zero-Nanometer Gap Technology for Electromagnetic Wave Modulation

Abstract

In this thesis, I demonstrated a new concept of sample which allows the full control of light i.e. from transparency to full extinction of the wave. To demonstrate this, I fabricated two kinds of sample i.e. closable nanotrench and zero-nanometer-gap. These samples are fabricated on a flexible substrate using atomic layer lithography. Taking advantage of the flexible substrate, samples are applied with mechanical strain to control the width of the gap, which manipulates the light. When an inward bending is applied to closable nanotrench, the transmission decreases drastically and becomes zero in microwave (12-18 GHz) and terahertz (0.2-2 THz) frequencies. which shows a subwavelength scale closing of nanogap. This decrease in transmission is understood by R-C modeling and structural mechanics simulation. Using a high-density closable nanotrench sample, the full modulation of microwave transmission is also achieved. By applying an outward bending to zero-gap sample, the transmitted intensity increases from 0.01% to 75%. As an application, zero-gap sample is used as a transformative metasurface, in which it transforms from mirror to polarizer with bending. In terms of stability, it is found that the zero-gaps function remain stable for more 10,000 times of bending and relaxation cycle, better than closable nanotrench which could sustain till 200 times of bending cycles.

나노홀, 나노슬릿, 나노다이머와 같은 금속 나노구조와 빛의 상호작용은 나노광학 분야의 주된 연구 대상입니다. 금속 나노구조에서 일어나는 강한 전자기장 증강은 금속 나노구조를 분자 감지를 위한 센서나 광학 부품 등 다양한 방면에서 활용할 수 있도록 합니다. 하 지만, 금속 나노구조를 이용하여 빛을 능동적으로 조절하는 것은 도전적인 과제로 남아있습니다. 이 논문에서는 빛을 완전하게 조절할 수 있는 새로운 개념을 반영한 샘플을 제시합 니다. 이것을 이용하면 하나의 샘플을 능동적으로 조작하는 것으로 전자기파를 완전히 투 과시키거나 반대로 완전히 전자기파를 차폐할 수 있습니다. 원자층 증착 기술을 활용하여 유연성 기판 위에 클로저블 나노트렌치와 제로 나노미터 갭의 두 가지 형태로 샘플을 제작했습니다. 샘플을 유연성 기판 위에 제작하였기에 기계적인 변형을 가하는 것으로 투과 전자기파를 조절할 수 있습니다. 금속과 금속 사이에 공기 나노갭이 있는 구조의 클로저블 나노트렌치의 경우, 마이크로파 (12~18GHz) 및 테라헤르츠파 (0.2~2THz) 대역에서 안으로 굽히는 방향으로 힘을 가함으로써 투과를 극적으로 감소시킬 수 있습니다. 특히, 최대한 으로 샘플을 굽혔을 때는 투과가 전혀 이뤄지지 않았는데, 이것은 갭 부분의 닫힘이 파장보다 작은 규모임을 나타냅니다. 이와 마찬가지로 고밀도의 클로저블 나노트렌지 샘플을 이 용하면 마이크로파 투과를 완벽히 제어할 수 있음을 확인하였습니다. 한편, 제로 나노미 터 갭 샘플을 바깥으로 굽히는 방향으로 힘을 가함으로써 빛의 투과를 0.01 %에서 75%까 지 증가시켰습니다. 제로 나노미터 갭을 갖는 슬릿 구조에 힘을 가하여 거울을 편광판으로 바꿀 수 있음을 보였습니다.