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Mar 19, 2023

경사 유전율 메타

과학 보고서 6권,

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 23460(2016) 이 기사 인용

1896년 액세스

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측정항목 세부정보

GPMS(Gradient Permittivity Meta-Structure) 모델과 초해상도 이미징에서의 적용이 이 연구에서 제안되고 논의되었습니다. 제안된 GPMS는 초해상도의 표면 플라즈몬(SP) 정재파 간섭 패턴을 지원할 수 있는 경사 유전율을 갖는 대체 금속 및 유전체 필름으로 구성됩니다. 엄격한 수치적 FDTD 시뮬레이션 방법을 사용하여 GPMS를 신중하게 시뮬레이션하여 SP 간섭 패턴의 주기가 532nm 입사광에 대해 84nm에 불과하다는 것을 확인했습니다. 또한, 광시야 초고해상도 이미징을 위한 GPMS의 잠재적인 적용에 대해서도 논의되었으며, 시뮬레이션 결과는 플라즈몬 구조 조명 현미경 방법을 기반으로 45 nm 미만의 이미징 해상도를 달성할 수 있음을 보여줍니다. 기존 표면형광 현미경과 비교하여 해상도가 몇 배나 향상되었습니다. 또한, 제안된 GPMS 모델은 초고해상도 이미징 애플리케이션 외에도 나노리소그래피 및 초해상도 패턴이 필요한 기타 영역에도 적용될 수 있습니다.

표면 플라즈몬(SP)은 금속의 자유 전자의 집합적 진동으로 인해 금속-유전체 경계면에 갇힌 표면 전자기파입니다1. 강력한 위치 파악 및 큰 평면 내 운동량 특성과 같은 흥미로운 특성은 바이오센서2,3, 비선형 광학4 및 초해상도 이미징5,6응용 프로그램에 활용되었습니다. 유전체 및 금속 재료의 유전율을 신중하게 선택하면 SP의 파동 벡터 ksp가 공기 중 여기광(k0)의 파동 벡터보다 높을 수 있습니다. 따라서 SP는 해상도 개선 목적에 이상적인 후보입니다. 지난 수십 년 동안 SP 초해상도는 완벽한 렌즈7, 실버 슈퍼렌즈8,9 및 하이퍼렌즈10에서 널리 연구되고 적용되었습니다. 이러한 장치는 근거리 초해상도 현미경 검사에 대한 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 SP는 정재파 표면 플라즈몬 공명 형광 현미경(SW-SPRF)11,12,13 및 구조 조명 현미경(SIM)14,15과 같은 원거리 현미경 이미징 모드에도 사용할 수 있습니다. 이 두 가지 방법에서는 정립 SP 파동 패턴이 조명 패턴으로 사용됩니다. 기존 표면형광 현미경과 비교하여 일반적으로 측면 해상도가 2배 이상 향상된 해상도를 얻을 수 있습니다. 이러한 현미경의 해상도 향상은 조명 패턴의 공간 주파수에 의존하므로 ksp의 증가가 중요합니다. 이전 연구에 따르면 고주파수 SP는 단일 금속층 표면에서 여기될 수 있는 것으로 나타났습니다. 최근에는 다층 구조를 적용한 kspby를 더욱 개선하기 위한 노력도 많이 이루어지고 있다. G. Bartal et al. 단파장 SP의 70nm 초점을 실현하기 위해 2D 은-실리콘 질화물-공기 플랫폼을 구축했습니다. 그러나 이 설계에 사용된 유전층은 유전율이 다소 높아 생물학적 시료와 금속 필름 사이의 근접장 상호 작용을 차단할 수 있습니다. 매우 높은 ksp를 지원할 수 있는 유전율 측면에서 이방성 물질의 일종인 쌍곡선 메타물질은 최근 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다. 쌍곡선 재료는 SP의 높은 파동 벡터를 얻기 위해 신중하게 설계될 수 있지만 까다롭고 비용이 많이 드는 나노제조 공정이 필요하며 각 금속/유전체 재료 쌍의 오류는 결과의 정확성에 영향을 미칩니다. 따라서, SP의 단파장을 달성하고 동시에 나노제조 공정을 용이하게 하기 위해서는 더 적은 쌍 또는 대체 형태의 쌍곡선 메타물질이 선호됩니다.

본 논문에서는 단파장 SP를 구현하기 위해 경사 유전율 메타물질 구조(GPMS)라고 불리는 다소 간단하고 우아한 모델을 제시합니다. 이러한 종류의 구조는 유전율이 감소된 세 개의 연속된 유전막과 유전막 사이에 얇은 은막으로 구성됩니다. 유한 차분 시간 영역(FDTD) 방법을 사용하여 제안된 GPMS를 주의 깊게 시뮬레이션하고 분석하여 532 nm 입사 파장에 대해 1차원에서 84 nm 주기를 갖는 정상 SP 파를 얻을 수 있음을 확인했습니다. 또한, 플라즈모닉 구조 조명 현미경 방법에 GPMS를 사용하여 이미징 해상도를 향상시킬 수 있는 가능성이 이론적으로 입증되었습니다. GPMS의 한 차원에서 41nm의 분해능을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. 마지막으로 GPMS에서 단파장 SP를 지원하는 물리적 메커니즘에 대해서도 논의합니다.