Active Thermal Control of 5 nm Gap Terahertz Antennas /

본 연구에서는 물질이 가지고 있는 근본적인 현상인 열팽창 (thermal expansion) 현상을 활용하여 나노 구조물의 광학적 투과 특성을 변화시켰다. 일반적으로 열팽창 현상은 온도 변화에 따른 길이 변화의 정도가 크지 않기 때문에 일상적으로 접하는 물체의 크기 정도의 영역에서 주로 고려되는 현상이다. 하지만 본 연구실에서는 나노 틈의 폭이 수 nm 정도이고 패턴의 크기가 수백 um인 테라헤르츠파 영역에서 공진하는 금속 나노 틈 구조를 제작하고 이러한 구조에서의 극단적인 틈 대비 패턴 크기 비율을 활용하여 금속의 열팽창으로 인한 아주 작은 길이 변화에도 나노 틈의 폭이 매우 민감하게 변화하는 현상을 발견하였다. 특히 테라헤르츠파의 공진 주파수 및 진폭이 나노 틈의 폭에 민감한 의존성을 보이기 때문에 테라헤르츠파 투과 특성을 측정함으로써 온도 변화에 따른 금속 틈의 폭 변화를 관찰하였으며, 섭씨 150도의 온도에서 테라헤르츠파 공진주파수는 22%, 공진 진폭은 20% 정도의 변화를 보였다. 본 연구에서 제시한 온도 변화에 따른 나노 틈 구조의 테라헤르츠파 투과 특성 변화는 이산화바나듐 등의 능동 소자 (active material)가 없이도 가능하다는 장점이 있으며, 향후 능동 소자와 결합될 경우 능동 소자의 응용 범위를 크게 넓혀줄 수 있을 것으로 기대된다.

Authors: Hyeong Seok Yun, Jeeyoon Jeong, Dasom Kim, and Dai-Sik Kim

Abstract: Metallic nanostructures are combined with various active materials for electrical, optical, and thermal modulations of their optical properties. In particular, for the thermal modulation, deformation of metallic nanostructures at high temperatures limits the applications to relatively low temperatures, where thermal expansion of metals is negligible. Here, a unique regime is reported where terahertz (THz) waves transmitting through 5 nm wide slot antennas can be significantly modulated via controlled thermal expansion of metals without active materials. The normalized amplitude is modulated by 20% and the resonant frequency by 22% at an elevated temperature of 150 °C, indicating a decrease in the gap width by 50%. The extreme width‐to‐length ratio of the THz slot antennas compensates the small thermal expansion coefficient of metals, enabling the gap width to be considerably changed. COMSOL simulation and coupled‐mode method (CMM) calculation quantitatively support the experimental data. This works suggests a new possibility of thermally active metallic nanostructures.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201800856