GaAs 나노와이어에서의 테라헤르츠파 발생
Terahertz Emission from Single-Crystalline GaAs
Nanowires
정경복, 공강준, 조용재, 명윤, 김한성, 박정희*, 맹인희, 손주혁**, 유난이, 강철***
*고려대학교 신소재 화학과, **시립대학교 물리학과, ***고등광기술연구소
테라헤르츠 전자기파(terahertz electromagnetic waves)는 적외선과 마이크로파의 중간영역에 해당하는 전자기파로서, 시간영역 테라헤르츠 분광 (time-domain THz spectroscopy), 테라헤르츠 영상 (THz imaging), 센싱과 통신등의 테라헤르츠 융합기술의 연구가 활발히 진행되고 있다(1-2). 이러한 테라헤르츠파의 다양한 응용에 부응하기 위해서는 고효율, 고출력의 테라헤르츠 광원 및 검출기의 개발이 필수불가결 하다. 펨토초 레이저 여기에 의한 테라헤르츠 전자기파 발생에는 광정류 (Optical Rectification)법, 광전도 안테나법 그리고 반도체 표면전계법이 대표적으로 활용되고 있다. 하지만 이러한 방법들은 고출력의 테라헤르츠 전자기파 발생을 위해서 펌프 레이저의 출력을 높이거나, 외부에서 전장을 걸어주어야 하는 단점이 있다. 최근 나노구조에서의 테라헤르츠 전자기파 발생 연구가 주목되고 있는데, 이는 표면에 강한 국부 전장 (local field)의 형성으로 고효율의 테라헤르츠파 발생을 기대 할 수 있기 때문이다(3-4). 특히, 나노와이어는 쌍극자의 방사 방향과 나노와이어의 축이 평행하므로 테라헤르츠파의 신호 증대가 기대된다.
본 연구에서는 GaAs 나노와이어에서의 테라헤르츠 전자기파 발생을 semi-insulting (SI) GaAs film 과 비교하여 보고 한다. GaAs 나노와이어는 열화학기상증착법 (thermal chemical vapor deposition: CVD)으로 합성하였다. 그림 1 은 GaAs 나노와이어의 scanning electron microscopy (SEM) 과 transmission electron microscopy (TEM) 이미지 사진이다. 나노와이어의 직경은 60±10 nm 이다.
그림. 1. GaAs 나노와이어의 SEM (a), TEM (b) 이미지 및 SEAD pattern (c)
테라헤르츠 전자기파 발생을 위한 전체 시스템은 반사형 구조이며, 실온에서 측정하였다. 펌프 및 검출에 사용된 극초단 레이저는 모드 잠금 Ti:Sapphire 레이저이며, 중심파장 800 nm, 반복율 80 MHz, 펄스폭 80 fs 이다. 그림 2 는 GaAs 나노와이어와 SI GaAs film 에서의 테라헤르츠 전자기파의 시간축 (그림 2a)과 주파수축 (그림 2 b)의 신호를 나타내었다. 나노와이어에서의 테라헤르츠 전자기파 발생은 극초단 레이저 여기로 인한 코히런트 플라즈몬에 의하여 테라헤르츠파가 방사되며, 플라즈몬 공명 진동수는 샘플의 구조에 의존한다. 그림 2(b)에서 보는 바와 같이 GaAs 나노와이어는 SI GaAs film 보다 낮은 에너지 쪽으로 이동되었다. 이는 나노와이어의 구조적 특성 때문이라고 생각 된다. 그림 3 은 입사된 펌프 빔의 세기에 따른 테라헤르츠파의 세기를 나타낸다. GaAs 나노와이어와 SI GaAs film 모두 펌프 빔의 증가에 따라 테라헤르츠파는 선형적으로 증가함을 보여 주었다. GaAs 나노와이어의 테라헤르츠파의 세기는 SI GaAs film 보다 10 배정도 작은 값을 보였다. 이는 나노와이어의 표면의 결함, 랜덤한 나노와이어의 배열로 인해서 전하의 이동도가 감소 되었기 때문이라고 생각된다.
참고문헌
1. X. C. Zhang, B. B. Hu, J. T. Darrow, and D. H. Auston, Appl. Phys. Lett. 56, 1011 (1990). 2. P. Y. Han, G. C. Cho, and X. C. Zhang, Opt. Lett. 25, 242 (2000).
3. S. He, X. Chen, X. Wu, G. Wang, and F. Zhao, J. Lightwave Technology. 26, 1519 (2008). 4. D. Seletskity, M. P. Hasselbeck, M. Sheik-Bahae, J. G. Cederberg, L. C. Chuang, M.
Moewe, and C. Chang-Hasnain, CLEO/QELS 2008 CMM2.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 2 4 6 8 10 Frequency (THz) S pectral A m plitude (ar b. units) (b) GaAs NWs SI GaAs Time (ps) THz R adiat ed Field (ar b. uni ts) (a) 10 100 0.1 1 10 100 SI GaAs GaAs NWs TH z Fi el d ( ar b . un its ) Incident Power (mW)
그림 2. GaAs 나노와이어와 SI GaAs film에서의 테라헤르츠 전자기파 스펙트럼
그림 3. 입사된 펌프 빔 세기에 따른 테라헤르츠 전자기파의 세기
