All-dielectric metasurfaces, self-assembled by using selenium colloids
- 주제(키워드) Metamaterial , Self-assembly , Selenium nanoparticles
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 이승우
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 바이오마이크로시스템기술협동과정
- 세부전공 나노융합기술전공
- 원문페이지 58 p
- UCI I804:11009-000000277560
- DOI 10.23186/korea.000000277560.11009.0000126
- 본문언어 영어
초록/요약
최근 광학기기가 소형화 되면서 높은 성능을 유지하면서 광학계의 크기의 감소를 위해 많은 연구자들이 노력하고 있습니다. 이를 위해 자연에서 존재하지 않는 광학적 특성을 나타내는 인공적으로 설계된 구조물인 메타물질에 대한 연구가 활발히 수행되고 있습니다. 그러나 메타물질의 제작과정에서 흔히 활용되는 전통의 리소그래피 방식은 높은 비용의 공정을 필요로 합니다. 높은 비용의 공정은 메타물질의 발전을 제한할 수 있습니다. 본 연구에서는 나노 입자를 자기 조립하여 구조물을 만드는 비전통적 리소그래프를 사용하여 적은 비용과 넓은 영역에 메타물질을 제작하였습니다. 재료로 사용한 무정형 셀레늄 나노 입자의 굴절률 (n)은 2.8에서 3.2를 가지며 650 nm 파장 이상에서 k값이 0에 수렴합니다. 이 입자를 자기 조립에 사용하기 위해서는 균일하고 대량으로 입자를 합성할 필요가 있습니다. 기존에 보고된 합성법을 보완하기 위해 핵 형성 이론을 나노 입자 형성 및 성장 과정에 적용하였습니다. 또한 종자 성장 법을 통해 셀레늄 나노 입자의 직경이 150 nm ~ 800 nm까지 입자를 합성하였습니다. 합성된 입자는 물과 헥세인 계면사이에 자기조립에 사용될 수 있으며, 자기조립은 육각 배열 구조의 셀레늄 나노 입자 단층을 형성할 수 있습니다. 셀레늄 단층은 단일입자와는 다른 독특한 두가지의 최대값을 가집니다. 그 값은 결정 모드와 환형태의 전기 이중 극 모드에 기반하는 것을 확인했습니다. 이 논문은 넓은 영역에 쉽고 간편하게 제작한 셀레늄 단층 메타표면을 통하여 다양한 광 현상 연구가 가능함을 제시하였습니다.
more초록/요약
As recent optical devices minimize, many researchers have tried to decrease the size of optical systems while maintaining high performance. Metamaterials, which mean artificial structures that have unnatural optical properties, are one of the research fields helping to make smaller optical devices. Conventional lithography is a commonly used method for fabricating metamaterials, but the used equipment and process generally require high costs. The high-cost fabrication methods can constrain the development of metamaterials. In this work, I fabricated metasurfaces with low-cost and large area by utilizing unconventional lithography techniques that use the self-assembly of nanoparticles. The nanoparticles used amorphous selenium nanoparticles (a-SeNPs) in this study. The refractive index (n) of the a-Se ranges from 2.8 to 3.2 and k is close to 0 for wavelengths above 650 nm. We need to synthesize many and uniform particles for self-assembling metasurfaces. I improved the previously reported synthesis methods by applying nucleation theory to the generation and growth of nanoparticles. Also, the seed growth method was utilized for synthesizing more uniform and larger selenium nanoparticles, and the diameter of the particles ranges from 150 to 800 nm. The synthesized SeNPs were able to self-assemble between the water-hexane interface, and the certain process can form SeNP monolayers with a hexagonal array by entropic packing. The SeNP monolayers can exhibit two unique scattering peaks that are not observed in single SeNPs. These monolayers can show a peak dependent on the lattice mode and another sharp peak based on the toroidal dipole mode. In this thesis, I demonstrate that various optical phenomena can be studied through the SeNP monolayer fabricated using a simple and convenient method.
more목차
Abstract i
국문 초록 ii
Table of Contents iii
Chapter 1. Introduction １
1.1 All-dielectric metamaterial ２
1.2 Properties of selenium nanoparticle ３
1.3 Nucleation theory ５
1.4 Expanded LaMer plot: Seed growth ６
1.5 Interfacial self-assembly of nanoparticles ７
1.6 Multipole decomposition ９
Chapter 2. Experiment Section １１
2.1 Chemical １１
2.2 Synthesis of selenium nanoparticles １２
2.2.1 Seed synthesis of SeNPs １２
2.2.2 Seed growth of SeNPs １２
2.3 Surface modification １３
2.4 Water-oil interfacial self-assembly １３
2.5 Instruments １６
2.5.1 UV spectrophotometer １６
2.5.2 Custom optical microscopy, spectrometer １６
2.5.3 Scanning electron microscopy (SEM) １８
2.5.4 Zeta potential １８
2.5.5 X-ray diffractometer (XRD) １８
2.5.6 Simulation of extinction spectra １９
2.5.7 Simulation of multipolar decomposition １９
Chapter 3. Results and Discussion ２０
3.1 Selenium nanoparticles analysis ２０
3.1.1 Seed synthesis ２０
3.1.2 Seed growth ２３
3.1.3 Stability check of SeNPs ２６
3.1.4 Optical properties of SeNPs ２７
3.1.5 Uniformity check of SeNPs ２８
3.2 Interfacial self-assembly of SeNP monolayer ２９
3.2.1 Zeta-potential of SeNPs ２９
3.2.2 Contact angle ３０
3.2.3 Optimal concentration ３１
3.3 Properties of SeNP monolayer ３２
3.4 Parameter control ３４
3.5 Coupling mode and angle-selective transmittance of SeNP monolayer ３６
3.5.1 Coupling TD mode of SeNP monolayer ３７
3.5.2 Angle-selective transmittance of SeNP monolayer ３８
Chapter 4. Conclusion ４１
Reference ４２
