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  • 그래핀으로 만들어진 새로운 하이브리드 메타물질등록일 : 2015/12/03
  • 엑서터 대학(University of Exeter)의 Geoff Nash 교수가 이끄는 국제 연구팀은 천연 소재에서는 존재하지 않는 독특한 특성들을 가진 새로운 하이브리드 구조 또는 메타물질을 만드는데 성공했다.

    이번 연구진은 분할 고리 공진기(split ring resonator)라고 불리는 안테나와 그래핀 나노리본을 결합시켰다. 그래서 전자들은 앞뒤로 진동할 수 있다. 이런 두 개의 구성요소를 결합한 디자인은 전자기 복사선과 매우 상호작용하는 시스템을 이끌었다. 이번 연구진은 인간의 눈이 볼 수 있는 한계 이상을 볼 수 있는 매우 긴 파장을 가진 광을 사용했다. 이러한 새로운 구조는 광학적 스위치를 방해하는데 사용될 수 있고 광 빔을 매우 빠르게 온/오프(on/off)할 수 있다.

    독일 아우크스부르크 대학(University of Augsburg)의 Sergey Mikhailov 박사의 연구진이 포함된 이번 연구팀은 이 연구결과를 저널 Nature Communications에 게재했고, 여기서 하이브리드 메타물질로 만들어진 분할 고리 공진기를 소개했다.

    메타물질과 플라즈몬은 광을 조절하고 활용하기 위한 강력한 도구이다. 메타물질은 음의 굴절률과 같은 천연 소재에서 부족한 흥미로운 특성들을 가질 수 있다. 플라즈몬은 파장 이하의 크기 속에 빛을 구속시킬 수 있고 광-물질 상호작용을 향상시킬 수 있다. 최근에, 그래핀 기반의 플라즈몬이 금속 기반의 플라즈몬에 비해서 큰 조율 가능성, 더 높은 전기장-구속, 낮은 손실 등의 특성을 가진다는 것이 알려졌다 .

    이번 연구진은 기존의 분할-고리 공진기에 그래핀 플라즈몬 공진기를 결합함으로써 새로운 하이브리드 구조를 개발했다. 이것은 높은 조율성을 가진 메타물질이고, 두 개의 공진 간의 상호작용이 강한 결합을 달성할 수 있게 했다. 이러한 하이브리드 메타물질은 고속 THz 변조기로서 활용되고, ~60%의 투과 변조(transmission modulation)를 가지고, 40MHz 이상의 작동 속도를 가진다. 이런 장치 개념은 감지, 광검출, 비선형 주파수 생성 등의 그래핀 플라즈몬 구조 속의 공동(空洞)-향상된 광-물질 상호작용 및 광학적 프로세스를 조사할 수 있는 플랫폼으로 제공된다.

    엑스터 대학의 Geoff Nash 교수는 “새로운 유형의 구조가 새로운 과학 분야를 조사하는 흥미로운 테스트 베드(test bed)로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 기술적으로 중요한 구성요소의 기초를 형성할 수 있다는 것을 보여주었다”고 말했다. 

    이 연구는 EU FET Open Project GOSFEL의 일환으로 수행되었다. 이 프로젝트는 가스 감지와 같은 분야에 새로운 레이저원을 적용할 수 있는 완전히 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다.

    Nash 교수는 “우리의 구조의 중요한 특징 중의 하나는 이것의 파장보다 훨씬 더 작은 면적 속에 전자기 방사선을 집속시킬 수 있다는 것이다. 이것은 생체 분자의 초고해상도 분광기를 개발하기 위한 새로운 방법을 이끌 수 있다. 우리는 이러한 효과의 일부를 조사하기 시작했다”고 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Highly tunable hybrid metamaterials employing split-ring resonators strongly coupled to graphene surface plasmons” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms9969).

    그림. 제조된 하이브리드 메타물질 장치의 SEM 이미지.
  • 키워드 : 그래핀, 하이브리드, 메타물질
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑