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Title Page
Contents
List of Abbreviations and Symbols 13
Abstract 17
1. Introduction 19
2. Theoretical background 24
2.1. Upconversion luminescence enhancement in plasmonic nanostructure 24
2.1.1. Photon upconversion 24
2.1.2. Upconversion luminescence with plasmon nanostructures 29
2.2. Vanadium dioxide 41
2.2.1. Review on vanadium dioxide 41
2.2.2. Various phase transition in vanadium dioxide 42
2.2.3. Joule heating effect 45
3. Microfabrication techniques 46
3.1. Microfabrication 46
3.1.1. Microfabrication 46
3.1.2. Thin film fabrication 48
3.1.3. Annealing for Ag nanodomes and VO₂ film fabrication 52
3.1.4. Photolithography for devices fabrication 54
3.2. Experimental techniques 56
3.2.1. Photoluminescence 56
3.2.2. Conductivity measurements 58
3.2.3. Microscopy measurements 61
4. Upconversion luminescence enhancement in plasmonic architecture with random assembly of metal nanodomes 63
4.1. Introduction 63
4.2. Experimental section 64
Preparation of the pNDA BR 64
4.3. Result and discussion 65
4.3.1. Structural characteristics of pNDA BR 65
4.3.2. Upconversion luminescence of pNDA BR 68
4.3.3. Time-resolved photoluminescence results of pNDA BR 70
4.3.4. Total and haze reflection results of pNDA BR 71
4.3.5. Laser power dependence of upconversion luminescence 73
4.4. Conclusion 76
5. A plasmonic platform with disordered array of metal nanoparticles for three-order enhanced upconversion luminescence and highly sensitive near-infrared photodetector 77
5.1. Introduction 77
5.2. Experimental section 78
5.2.1. Fabrication of plasmonic platforms 78
5.2.2. Fabrication and performance measurement of the NIR photodetector 79
5.3. Result and discussion 81
5.3.1. Structural characteristics of plasmonic platforms 81
5.3.2. Optical properties for plasmonic platforms 83
5.3.3. Upconversion luminescence measurements of plasmonic platforms 85
5.3.4. Near-infrared photodetector based on plasmonic platform 87
5.4. Conclusion 90
6. Investigation on I-V characteristics of current induced metal insulator transition in VO₂ device 91
6.1. Introduction 91
6.2. Experiment 92
6.3. Result and discussion 93
6.4. Conclusion 104
7. Micro conduction channel temperature measurements using agglomerated Ag nanoparticles in voltage induced metal-insulator transitions of vanadium dioxide 105
7.1. Introduction 105
7.2. Experimental details 107
7.3. Result and discussion 108
7.4. Conclusion 119
8. Conclusion 120
References 122
Abstract in Korean 137
Figure 2.1. schematic illustration of ETU. 24
Figure 2.2. Simple energy diagram of ETU. 25
Figure 2.3. Overall energy diagram for excitation and emission processes in β-NaYF4:Yb3+/Er3+.(이미지참조) 27
Figure 2.4. (A) Diagram of (A) Diagram of NaYF4:Yb3f, Er3+ core-shell structure, and (b)...(이미지참조) 28
Figure 2.5. Transmission and reflection in metal by light frequency. 30
Figure 2.6. Geometry for SPP propagation at a single interface between a metal and a dielectric... 31
Figure 2.7. plasmon dispersion relation for a metal/air interface. Radiative and bound modes of... 32
Figure 2.8. schematic illustration of LSPR on metal nanoparticle surface. 33
Figure 2.9. Picture of a metal nanoparticle placed into an electrostatic field. 34
Figure 2.10. A spinodal dewetting process by thermal annealing of a thin film deposited on a... 36
Figure 2.11. NIR light is incident on the Ag nanoparticle to form an electric field. When the... 38
Figure 2.12. Sketch showing the enhanced energy transfer and quenching at the upconversion... 38
Figure 2.13. energy state diagram of ETU process. 39
Figure 2.14. the M1, M2, and R phases of the VO₂. V-V monomers (V-V dimers) are denoted by... 41
Figure 2.15. Temperature-dependent resistance curve for VO₂ (a) single crystal and (b) film.... 43
Figure 3.1. (a) upconversion NIR photodetector and (b) Ag-VO₂ device 46
Figure 3.2. Schematic illustration of plasma-enhanced chemical vapor deposition. 48
Figure 3.3. (a) Thermal evaporation and (b) E-beam evaporation. 49
Figure 3.4. Schematic illustration of sputtering. 50
Figure 3.5. Schematic illustration of sol-gel process. 51
Figure 3.6. SEM images according to initial thickness (5,7.5,10, 12.5 ㎚) of Ag under the same... 53
Figure 3.7. Process diagram of photolithography. 55
Figure 3.8. Schematic illustration of photoluminescence. 56
Figure 3.9. Schematic illustration of photoluminescence measurements 57
Figure 3.10. (a) current (source) - voltage (meter) and (b) voltage (source) - current (meter)... 58
Figure 3.11. Schematic illustration of photoconductivity. 60
Figure 3.12. schematic illustration of (a) scanning electron microscope and (b) atomic force... 61
Figure 4.1. (a) A schematic illustration for the fabrication procedure of the plasmonic back-... 66
Figure 4.2. Structure of UCNCs on the flat BR (a, b) and the glass ref (c, d). 67
Figure 4.3. (a) A schematic illustration of the pNDA BR architecture which emits green (542 ㎚)... 68
Figure 4.4. TRPL data for the glass ref, flat BR, and the pNDA BR architecture measured at green... 70
Figure 4.5. (a) Total reflection spectra and (b) haze in the reflection spectra for the flat BR and... 72
Figure 4.6. The integrated UCL intensity as a function of the excitation laser intensity (power... 73
Figure 5.1. Schematic illustration of the photodetector measurement. 81
Figure 5.2. Plasmonic platform with the disordered array of Ag nanoparticles (a) 3D schematic... 82
Figure 5.3. Optical properties of the plasmonic platform. 84
Figure 5.4. Strongly-enhanced UCL in the MIUIM platform with the optimized DANPs. 85
Figure 5.5. Highly-sensitive NIR photodetector based on the ultra-strong UCL. Schematic... 88
Figure 6.1. (a) Temperature dependence of the resistivity of VO₂ film devices with the lengths of... 94
Figure 6.2. (a) Schematic circuit drawing for the current induced MIT and high-speed... 95
Figure 6.3. (a) Current controlled I-V characteristics for increasing current and decreasing current... 96
Figure 6.4. (a) Dependence of the I-V characteristics current on Rext for the 10 ㎛ long VO₂... 100
Figure 6.5. (a) High speed time dependence measurements of the voltage during at MIT of 10 ㎛... 102
Figure 7.1. (a) The cross-section view of the schematics of VO₂ device, (b) An optical microscope... 109
Figure 7.2. (a) Schematic circuit drawing for the voltage induced MIT of the VO₂ film devices... 110
Figure 7.3. (a) The voltage versus current density during voltage controlled I-V measurement. (b)... 112
Figure 7.4. (a) Position dependent SEM images of VO₂ device, (b) far left side of the conduction... 114
Figure 7.5. SEM images of Ag/SiO₂/VO₂/Al₂O₃ reference structures annealed at (a) RT (left as-... 115
Figure 7.6. Dependence of average size of the agglomerated Ag nanoparticles on the annealing... 117
초록보기
상향변환 물질이란 두개 이상의 낮은 에너지의 광자를 흡수하여 높은 에너지를 방출하는 물질을 말한다. 이 상향변환 물질이 갖는 주요한 문제는 본질적으로 낮은 내부 양자 효율이다. 상향변환 발광을 향상시키기 위해, 우리는 단분자층의 상향변환 나노결정을 후면반사체와 산화아연층, 무작위로 분포된 은 나노 반구로 구성된 플라즈몬 구조에 도포하였다. 무작위로 분포된 은 나노 반구는 금속 박막의 자발적인 스피노달 디웨팅에 의해 쉽게 제조된다. 플라즈몬 구조의 구조적, 광학적 특성을 조사하기 위해 주사 전자 현미경, 반사도, 광 발광 측정을 사용하였다. 그 결과, 플라즈몬에 도포된 상향변환 물질은 유리 기판에 도포된 상향변환 물질보다 발광 세기가 최대 800배 (적색), 340배 (녹색)만큼 증폭되었다는 사실을 확인하였다. 이러한 발광 향상은 이전에 보고된 주기적인 금속 나노 구조를 가진 플라즈몬 구조보다 월등히 높은 값이다. 따라서, 우리가 제안한 플라즈몬 구조는 이전에 보고된 방법에 비해 상대적으로 더 간단한 제작 공정을 가지며, 비용면에서 효율적이고, 성능 또한 매우 우수하다.
매우 크게 향상된 상향변환 발광을 최대한 활용하기 위해 100nm 두께의 고분자 (PTB7)를 플라즈몬 구조에 도포하여 근적외선 광 검출기를 제작하였다. 설계된 구조의 광 검출 성능을 시험하기 위해 냉각장치가 없이 실내 온도에서 근적외선을 켜고 끄며 전류 대 전압 특성을 측정하였다. 광 검출기는 근적외선의 파워 밀도 1.81×103Wcm-2에서 거의 100배에 가까운 신호 대 잡음 비 (81배)를 나타냈다. 이 비율은 다른 상향변환 발광 기반의 근적외선 광 검출기에서 관찰된 값보다 비슷하거나 높다. 결과적으로, 매우 크게 향상된 상향변환 발광을 통해 냉각장치 없이 실내 온도에서 약한 근적외선을 감지하는 매우 민감하고 빠르며 안정적인 근적외선 광 검출기를 제작할 수 있었다. 본 연구에서 제안된 단순하면서도 비용 효율적인 접근방법은 근적외선을 겨냥한 탐지기, 감광제 및 이미징 모듈과 같이 근적외선-가시광선 변환을 이용하는 다양한 광전자 장치에서 사용될 수 있을 것이다.
이산화 바나듐(VO₂)은 온도, 압력, 응력, 전류, 전압 및 빛에 의한 미묘한 준 안정 상태의 갑작스러운 붕괴로 인해 다양한 극적인 현상을 나타낸다. 이산화 바나듐의 금속-절연체 전이를 유도하는 다양한 자극 중에서 전기에 의한 자극, 즉 전류와 전압에 의한 전이가 미래에 응용될 수 있는 중요한 특성으로 주목받고 있다. 이 논문에서 우리는 전기적으로 유도된 금속-절연체 전이를 연구하였다. 2개의 단자로 구성된 평면 이산화 바나듐 박막 소자에 전류-전압 측정을 하며 전류로 유도된 금속-절연체 전이를 조사하였다. 그 결과, 우리는 외부 저항이 증가함에 따라 이산화 바나듐 박막 소자의 금속-절연체 전이 시간이 증가함을 알았다. 외부저항이 5kΩ일 때, 전이 시간은 약 390 μs이고 외부저항이 20kΩ일 때, 전이 시간은 약 1400 μs였다.
이산화 바나듐의 금속 전도 채널은 전기적으로 유도된 금속-절연체 전이의 시작 시점에 나타나는데, 금속 전도 채널의 국부적인 온도에 대한 논쟁이 있다. 국부적인 온도가 벌크 이산화 바나듐의 전이 온도와 같은가 또는 그 이상의 온도를 갖는가에 대한 논쟁이다. 그러나 금속 전도 채널의 크기가 작기 때문에 전도 채널의 온도를 직접적으로 측정하기 어려웠다. 이 논문에서, 우리는 자발적인 스피노달 디웨팅에 의해 응집된 은 나노 입자를 사용하여, 전압 유도된 금속-절연체 전이에서 형성된 이산화 바나듐 소자의 마이크로 전도 채널의 국부적인 온도를 측정하였다. 전압 유도된 금속-절연체 전이 후, 금속 전도 채널 상의 은 박막은 평균 크기가 약 50nm인 은 나노 입자로 응집되었지만, 소자의 전도 채널 외부에서는 은 박막의 변화가 거의 없었다. 은 박막의 응집을 통해 형성된 은 나노 입자로부터 추정된 국부적인 채널 온도는 약 500℃를 초과한다. 이는 줄 가열 모델에서 추정된 값 또는 벌크 이산화 바나듐의 상전이 온도 (67℃)보다 훨씬 높다. 본 연구의 결과는 응집된 금속 나노 입자가 마이크로/나노 소자의 고온 공정을 위한 온도 지표로 사용될 수 있음을 시사한다.MARC 보기
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