원자수준으로 뾰족한 양자광학용 나노안테나 개발-초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나 및 나노공정 기술 개발 성공

원자수준으로 뾰족한 양자광학용 나노안테나 개발-초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나 및 나노공정 기술 개발 성공

 

융합기술과 작성일 2020.09.03.

 

원자수준으로 뾰족한 양자광학용 나노안테나 개발
- 초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나 및 나노공정 기술 개발 성공 -

□ 국내연구진이 수 나노미터 수준에서 일어나는 양자광학 현상에 대한 관찰이 가능한 초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나* 개발에 성공했다.
* 원자수준으로 뾰족한(곡률반경 1nm이하) 극한 광 집속 나노안테나

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 포항공과대학교(총장 김무환, 이하 ‘포항공대’) 노준석 교수팀이 원자수준 해상도의 나노안테나 및 이를 제작하기 위한 나노공정 기술을 개발하였다고 밝혔다.

ㅇ 이는 현존하는 나노공정 기술의 한계를 극복하는 연구성과로써 극한 나노광학 및 나노생산 기술에 기여할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 재료공학 분야 학술지인 ‘머티리얼즈 투데이’ (Materials Today, IF=26.416)에 9월 2일 표지논문으로 게재되었고, 나노생산 분야 학술지인 '마이크로 시스템즈 & 나노엔지닝어링‘ (Microsytems and Nanoengineering, IF=5.616)에 9월 21일 게재 예정이다.
※ 논문명1: Cascade domino lithography for extreme photon squeezing (Materials Today, Elsevier)
※ 저자정보: 김인기(포항공대, 제1저자), 문정호(포항공대, 공동 제1저자), 백광민(KAIST), 김민경(포항공대), Chenglong Hao(싱가포르국립대), Cheng-Wei Qiu 교수(싱가포르국립대), 정연식 교수(KAIST), 노준석 교수(포항공대, 교신저자), 총 8명
※ 논문명2: Capillary-force-induced collapse lithography for controlled plasmonic nanogap structures (Microsystems and Nanoengineering, Springer-Nature)
※ 저자정보: 김인기(포항공대, 제1저자), 문정호(포항공대), 황우습(포항공대), 양영환(포항공대), 노준석 교수(포항공대, 교신저자), 총 5명
□ 새로운 광학 현상을 탐구하기 위해서는 10nm 미만의 크기의 구조를 정교하게 제작하고 배열하는 기술이 필수적이기 때문에 많은 연구자들이 다양한 비전통적 나노가공 기술을 개발하고 있지만,

ㅇ 전자와 이온의 물리적인 회절* 문제로 인해, 10nm 이하의 나노구조를 정교하고 날카롭게 제작・가공하는 것은 극히 어려운 난제로 여겨지고 있다. 이는 일반 기계가공에서 공구의 크기가 제작물의 크기를 제한하는 이유와 동일하다.
* (회절) 전자와 이온이 모두 전하를 가지고 있어 강한 전압을 통해 빔을 집속해도 전자 또는 이온간 상호작용으로 인해 집속 가능한 빔의 크기가 제한됨

□ 연구진은 이러한 난제를 해결하기 위해 ‘도미노’ 놀이에서 영감을 얻어 새로운 방식의 ‘연속 도미노 리소그래피*’ 기술을 개발하였고, 이를 통해 기존 전자빔 리소그래피**에서 제약받는 해상도를 원자수준으로 뾰족하게 만들어 나비넥타이(bowtie) 형태의 나노안테나를 개발하는 데 성공하였다. [그림 1]
* (연속 도미노 리소그래피) 포토레지스트(빛 또는 전자빔에 노출됨으로써 화학적 특성이 변하는 고분자 재료)로 기둥 형태의 구조들을 만들어서, 이를 모세관력을 통해 고의로 쓰러뜨려 구현하고자 하는 나노패턴을 만들어 내는 새로운 형태의 나노공정 기술
** (전자빔 리소그래피) 전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술

ㅇ 일반적인 나노구조 제작에 사용되는 전자빔 리소그래피 기술을 기반으로, 도미노에서 일어나는 구조의 쓰러짐 현상을 포토레지스트 구조에 의도적으로 접목시켜, 쓰러진 구조의 선과 선이 만나는 곳의 이상적인 뾰족한 부분을 활용, 1nm 이하의 곡률을 갖는 뾰족한 나노구조를 제작한 것이다. [그림 2,3]

□ 이 나노안테나는 1nm 이하의 곡률을 갖는 것과 동시에 5nm 정도의 나노갭(nanogap) 공간을 갖고 있으며, 이 미세 공간상의 빛은 5만 배 이상의 세기를 가지며 극한으로 집속(태양표면 에너지 밀도의 100만 배에 해당)된다. [그림 4]

ㅇ 이렇게 강하게 집속되는 빛을 바탕으로 단분자 수준을 검출할 수 있는 초고민감도 바이오센서를 실험적으로 구현하였고,

ㅇ 현재는 양자광학적 특성인 양자 플라즈모닉스* 및 강한 결합** 현상 등을 관찰할 수 있는 극한 나노 및 양자광학 플랫폼을 마련하여 후속 연구를 진행하고 있다.
* (양자 플라즈모닉스) 파장보다 극히 작은 영역에 집속되는 빛을 플라즈모닉스라 하고, 이의 양자역학적 특성을 관찰하는 분야를 양자 플라즈모닉스라 함.
** (강한 결합) 빛이 강하게 집속되는 나노공진기와 빛을 내뿜는 방사체가 서로 강한 결합이 되어있는 상황을 나타내는 물리적 특성

□ 극한 광 집속 나노안테나는 이러한 극한 나노광학 연구뿐 만 아니라, 현재 반도체 및 파운드리 산업에서 가장 중요한 이슈 가운데 하나인 단일 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노리소그래피 기술, 그리고 양자 정보 기술을 위한 고효율 단일 광자 소스 등과 같은 새로운 나노공학 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 본 연구성과는 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어 연구단), 중견연구자지원사업, RLRC사업(자율형자동차부품소재 청색기술 선도연구센터), ERC사업(광기계기술 선도연구센터), 미래소재디스커버리사업, 글로벌박사펠로우십 등의 지원을 받아 수행되었다.

<참고자료> : 1. 용어 설명 2. 연구이야기 3. 그림설명 4. 연구자 이력사항

참고1

용어 설명

1. 전자빔 리소그래피 (electron beam lithography)
전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술을 의미함. 특별히 포토레지스트로 불리는 전자빔에 반응하는 고분자 물질에 전자빔을 통해 그림을 그리듯이 스캔을 하고, 전자빔을 맞은 부분과 맞지 않은 부분의 화학적 특성이 달라지면서 현상액에 샘플을 담그면 선택적으로 패턴이 생성됨. 공정 해상도는 15~20 nm 수준임.

* 포토레지스트: 전자빔 또는 자외선 빛에 반응하는 고분자 물질로서, positive 포토레지스트의 경우에는 전자빔/자외선에 노출된 영역이 현상액에서 사라지고, negative 포토레지스트의 전자빔/자외선에 노출되지 않은 부분이 현상액에서 사라지게 됨. 이를 통해 나노패턴을 형성할 수 있음.

* 리소그래피: 리소그래피는 석판 인쇄라는 어원을 갖고 있듯이, 특정한 형태의 패턴을 기판 상에 각인하는 기술로서, 특히 전자빔이나 자외선 등의 빛을 활용해 나노구조를 만드는 기술들을 통칭함.

2. 집속 이온빔 밀링 (focused ion beam milling)
집속된 이온빔을 바탕으로 모재를 직접 깎아 나노구조를 만들 수 있는 나노공정 기술을 의미함. 전자빔 리소그래피와 달리 직접 구조를 깎아나가기 때문에, 정교한 나노구조를 제작하기 어려울 뿐만 아니라, 이온이 모재에 축척이 되기도 하며, 깎여나간 모재가 다시 구조에 붙는 현상들로 인해 구조의 오염이 발생함. 공정 해상도는 수십 나노미터 수준.

3. 회절 (diffraction)
집속된 전자빔 또는 이온빔의 경우 모두 전하를 갖고 있기 때문에, 강한 전압을 통해 빔을 집속한다 해도 전자 간 또는 이온 간 상호작용(척력)으로 인해 집속 가능한 크기가 제한이 되며, 이러한 특성을 회절이라 통칭함.

4. 플라즈모닉스 (plasmonics)
빛이 나노구조와 상호작용을 일으켜, 나노구조 특히 금속 나노구조 표면 상의 자유전자를 집단적으로 진동시켜 발생하는 물리적 특성으로, 나노구조에서 빛이 수십 또는 수 나노미터 상에 집속되는 특성을 나타냄.

* 양자 플라즈모닉스는 플라즈모닉 광학 현상에서 양자 역학적 특성을 탐구하는 분야로, 터널링 효과, 약한/강한 상호작용 및 양자 광원 생성 등과 같은 양자광학적 특성을 연구함.

5. 터널링 (tunneling)
터널 효과는 양자 역학에서 나온 개념으로 전자가 상대적으로 높은 포텐셜을 갖는 장애물을 확률적으로 통과할 수 있는 개념을 의미함. 이러한 양자 역학적 특성을 플라즈모닉 구조에서도 관측할 수 있음.

6. 공정 수율
나노공정, 특히 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피 또는 이온빔 리소그래피 등과 같이 깎아서 만드는 탑다운 방식의 가공 기술에서는 공정의 반복성과 정밀성을 나타내는 공정 수율이 매우 중요함. 예를 들어 100개의 샘플을 만들었을 때, 반복적으로 오차 없이 만들어낼 수 있는 샘플의 개수가 80개이면 공정 수율이 80%임.

7. 연속 도미노 리소그래피 (cascade domino lithography)
나노공정의 난제로 여겨지는 10nm 미만의 해상도 한계와 나노구조를 날카롭게 가공할 수 있는 문제를 해결하기 위해, 포토레지스트의 쓰러짐을 제어한 나노공정 기술을 개발함. 포토레지스트로 기둥 형태의 구조들을 만들어서, 이를 모센관력을 통해 고의로 쓰러뜨려 최종적으로 구현하고자 하는 나노패턴을 만들어 낼 수 있는 새로운 형태의 나노공정 기술을 의미함.

8. 모세관력 (capillary force)
모세관 현상은 모세관을 액체 속에 넣었을 때 관 속의 액체에 작용하는 힘을 나타내는 것으로, 본 연구에서 사용된 모세관력은 나노기둥 주위로 액체가 들어있을 때 작용하는 힘을 나타냄.
9. 나노갭 (nanogap)
1나노미터는 1nm = 10-9mm(10억분의 1)을 나타내는 길이 단위로서, 나노갭은 나노구조들 사이의 수 나노미터 크기의 간극을 의미함.

10. 강한 커플링 (strong coupling)
빛이 강하게 집속되는 나노공진기와 빛을 내뿜는 방사체가 서로 강한 결합이 되어있는 상황을 나타내는 물리적 특성으로, 방사체에서 방출되는 빛의 발광특성이 나노공진기에 의해 조절됨. 예를 들면, 일반 공기 중에서는 붉은 색 빛을 내던 양자점이 공진기 안에서는 다른 색을 방출하기도 함.

11. 극한 나노광학 플랫폼 (Extreme nanophotonics platform)
연속 도미노 리소그래피를 통해 만들 수 있는 원자수준으로 뾰족한 나노안테나 기술은 수 나노미터 영역에서 발생하는 새로운 광학적 특성을 탐구할 수 있는 플랫폼 기술로 사용될 수 있을 것으로 기대됨. 특별히 저차원 나노물질 또는 양자물질의 숨겨진 광학적/전자기적 특성을 탐구할 수 있는 플랫폼으로 사용될 것으로 기대되며, 공학적으로는 수 나노미터 영역에 강하게 집속되는 빛을 바탕으로 초고민감도 분자 센서, 나노리소그래피 기술, 양자 광원 생성 장치 등에 상요될 수 있을 것으로 기대됨.

12. 서브나노미터 (sub-1nm)
“1nm 이하“의 의미로, 원자/분자 수준에 해당하는 크기

참고2

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구는 연구책임자가 UC Berkeley 박사과정 시절 전자빔 리소그래피를 이용해 나노 공정을 진행하던 중, 패터닝이 실패한 샘플을 발견하면서부터 시작되었다. 링 형태의 나노구조를 제작하기 위해 전자빔 노광을 진행한 후, 현상 과정을 거치면서 실수로 현상액에 오랜 시간 담가두었더니 포토레지스트 이중층 구조가 넘어지는 것을 관찰하였고, 구조가 랜덤한 방향으로 넘어지면서 외벽에 기대었을 때 매우 뾰족한 공간이 형성되는 것을 볼 수 있었다. 일반적이 공정이라면, 이렇게 포토레지스트 구조가 넘어지게 되면 원하는 형상대로 패터닝이 되지 않기 때문에, 실패한 샘플로 여기고 바로 포토레지스트를 제거하는 것이 맞으나, 본 연구팀은 반대로 이러한 현상을 활용할 수 있는 새로운 개념의 나노공정을 개발할 수 있지 않을까 고민하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구는 앞서 언급한 것과 같이 통상적으로 ‘실패한’ 샘플을 관찰하면서 시작했기 때문에, 왜 구조가 넘어지게 되는지 그리고 이 넘어지는 경향성을 어떻게 조절할 것인지 등에 대한 근원적인 질문들을 하나씩 해결해나가야만 했다. 이러한 궁금증들을 하나씩 해결해 나감과 동시에 ‘도미노’ 놀이에서 얻은 창의적인 영감을 바탕으로 매우 뾰족한 형태의 나노안테나를 구현할 수 있겠다는 아이디어를 도출하게 되었다. 그리고 실제 실험을 통해 나노안테나를 제작해보니, 매우 뾰족하면서 동시에 매우 미세한 수 나노미터 수준의 간극을 갖는 극한 형태의 나노구조를 관찰할 수 있었다. 그 이후에, 이 구조에서 극한으로 집속되는 빛을 3D 전자기 시뮬레이션 및 고급 광학 측정 실험을 통해 하나 하나 검증해나갈 계획을 세웠다. 하지만, 원자수준으로 작고 뾰족한 나노구조의 극한 광 특성을 검증하는 것은 매우 어려운 문제였다. 이 과정에서 국내외의 많은 나노광학 이론/실험 및 센서 분야의 전문가들의 조언과 협력연구를 바탕으로 6여년의 긴 연구를 성공적으로 마무리할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구에서 개발한 ‘쓰러짐 제어 리소그래피(Controlled Collapse Lithography)’ 및 ‘연속 도미노 리소그래피(Cascade Domino Lithography)’ 기술은 전 세계에서 처음으로 개발된 리소그래피 기술임과 동시에 이를 통해 제작된 나노안테나는 원자수준으로 작고 뾰족한 형태(1 nm 수준의 곡률 반경)를 갖고 있다. 피뢰침 효과에서 볼 수 있는 것과 같이 빛은 뾰족한 나노구조 끝단에 모이려는 특성을 갖고 있기 때문에, 끝단이 뾰족한 나노구조 두 개가 마주보고 있는 나비넥타이 모양의 안테나는 빛을 태양표면 에너지 밀도의 100만 배에 해당하는 극한 세기를 갖도록 집속 시킬 수 있었다. 그리고 이렇게 강하게 집속되는 빛의 특성을 분석하기 위해 시행한 엄밀한 3D 전자기 시뮬레이션, 수치해석, 근접장 광학 실험 및 초고민감도 표면증강 라만센서 실험들을 통해 10 nm 미만에서 일어나는 극한 광학 현상에 대한 이해를 한 차원 더 확장할 수 있었다. 학계에서는 이러한 노력의 결과를 인정받아, 세계적인 재료공학 분야 학술지인 ‘머티리얼즈 투데이 (IF: 24.372, JCR 2% in Materials Science, Multidisciplinary)’와 나노공정 분야 학술지인 ‘마이크로시스템즈 & 나노엔지니어링 (IF: 5.616, JCR 5% in Instruments & Instrumentation)’에 연구 결과가 게재될 수 있었던 것이라 판단된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

수 나노미터 또는 그 이하의 영역에서는 빛과 물질 사이의 상호작용이 고전 광학만으로는 설명되지 않는 양자 플라즈모닉스(quantum plasmonics), 광학 비국소성(nonlocality) 빛과 전자의 터널링(tunneling) 및 강한 커플링(strong coupling) 현상 등이 발생한다고 이론적으로 잘 알려져 있다. 본 연구팀은 개발한 극한 광 집속 나노 안테나를 바탕으로 실험적으로는 아직 잘 밝혀지지 않은 이 미지의 극한 광학 영역을 탐구하기 위한 나노광학 플랫폼을 구현하고자 한다. 또한 이와 더불어 단일 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노리소그래피 기술 및 양자 정보 기술을 위한 고효율 단일 광자 소스 등과 같은 새로운 나노공학 분야를 개척해나가고자 한다. 더 나아가서는, 본 연구에서 개발한 나노공정을 바탕으로, 현재 반도체 및 파운드리 산업에서도 가장 중요한 이슈 중에 하나인 한 자릿수 나노미터 구조 정밀 가공 한계를 극복할 수 있는 범용 나노가공 기술을 개발 및 상용화하고자 한다.

참고3

그림 설명

[그림 1] 연속 도미노 리소그래피 공정 및 이를 통해 제작된 원자수준으로 뾰족한 나노안테나. 그리고 이를 통해 구현된 초고민감도 나노센서.
도미노 놀이에서 볼 수 있는 것처럼, 포토레지스트 구조를 의도적으로 넘어뜨린다. 전자빔 리소그래피 공정을 통해, 넘어지게 될 도미노 형태의 포토레지스트 외곽 부분과 포토레지스트 구조를 둘러싸고 있는 외벽에 구조에 각각 반 쪽 나비넥타이 모양을 각인한다. 그 이후 도미노 형태의 포토레지스트가 넘어지게 되면서 오른쪽 위 상단에 보이는 전자현미경 이미지와 같이 매우 뾰족한 끝을 갖는 나비넥타이 모양의 빈 공간이 형성된다. 이렇게 만들어진 포토레지스트 마스크 상에 금을 증착해 주게 되면, 왼쪽 아래 이미지와 같이 원자수준으로 뾰족한 나노안테나 구조를 만들 수가 있다. 이 구조 끝단 팁 부분의 곡률반경은 1 nm 정도로 겨우 금 나노클러스터 크기 수준으로 극히 날카롭고, 이런 두 팁이 5 nm 간격으로 놓여있다. 또한 여기서 한 걸음 더 나아가, 극한으로 집속되는 빛을 활용해 단분자를 검출할 수 있는 초고민감도 나노센서를 구현하였다.

[그림 2] 기존 전자빔 리소그래피 공정의 한계
그림 a에서 볼 수 있는 것 과 같이, 기존의 전자빔 리소그래피 공정의 경우에는 전자빔의 회절 또는 근접장 효과로 인해서, 제작 가능한 나노 구조의 크기가 극히 제한되어왔다. 그래서 그림 b에서와 같이 삼각형 형태의 뾰족한 구조를 전자빔으로 패터닝을 하여도, 끝 부분은 항상 뭉뚝하게 제작이 되는 고질적인 문제가 발생한다. 이러한 문제를 극복할 수 있는 방안으로, 본 연구에서는 포토레지스트 구조의 쓰러짐을 이용한다. 그림c, d에서와 같이, 마치 도미노가 넘어지는 것과 같은 상황을 나노 공정에서도 적용할 수 있는데, 그림 d에서 보는 것처럼 포토레지스트로 ‘섬’ 형태의 구조를 만들 수가 있다. 이렇게 만들어진 섬 형태의 구조를 현상액에 오래담가 두면 구조적으로 매우 불안정한 T-자 형태의 나노 구조를 만들 수가 있고, 이 구조가 넘어지면서 벽면 쪽으로 쓰러지게 할 수 있다. 여기서 그림 d 하단의 전자현미경 사진을 보면 기둥 구조와 벽면이 맞닿으면서 매우 예리한 공간이 생기는 것을 확인할 수 있다.

[그림 3] 포토레지스트 구조의 쓰러짐 제어 방식
그림 a에서 볼 수 있는 것 과 같이, 포토레지스트로 만들어진 T-자 형태의 기둥의 구조적 특성을 조절하여, 구조의 쓰러지는 방향을 조절할 수 있다 (파란색 화살표). 이렇게 특정한 방향으로 쓰러지는 포토레지스트 구조 가장 자리에, 그림 b에서와 같이 반 쪽 형태의 나비넥타이 모양을 각인해주고, 마찬가지로 기둥이 쓰러지면서 맞닿는 벽면 구조에도 반 쪽 형태의 나비넥타이 모양을 각인해 준다. 여기서 포토레지스트 구조가 서로 맞닿으면서 생기는 공간은 선과 선이 점으로 만나서 형성되는 부분으로, 매우 뾰족한 형태의 빈 공간이 생긴다. 그림 c에서는 이런 포토레지스트의 쓰러짐을 더욱 효과적으로 만들 수 있다. 그림 c 하단 오른쪽에 전자현미경 사진을 보면 알 수 있듯이, 포토레지스트 기둥이 벽면 쪽에 맞닿으면서 완전한 형태의 나비넥타이 모양의 나노안테나를 만들 수 있다.

[그림 4] 극한 광(光 )집속 나노안테나 및 도미노 리소그래피 모식도
본 연구팀에 의해 개발된, 극한 광 집속을 위해 만들어진 원자수준으로 뾰족한 나노안테나, 이를 구현하기 위한 도미노 리소그래피 공정 및 초고민감도 분자 센싱 기술을 잘 묘사해주는 예술적 이미지.

참고3

연구자 이력사항

<노준석 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 교수>

□ 인적사항
○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과

□ 경력사항
○ 2013 ~ 2013 : Lawrence Berkeley National Laboratory 박사후연구원
○ 2013 ~ 2014 : Argonne National Laboratory 연구책임자
○ 2014 ~ 2018 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 조교수
○ 2018 ~ 현재 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 부교수
○ 2019 ~ 현재 : 포항공과대학교 기계공학과/화학공학과 무은재 석좌교수

□ 전문 분야 정보
○ 나노광학, 나노공정, 메타물질

□ 연구 지원 정보
○ 2016년 ~ 2023년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 글로벌프런티어사업
○ 2019년 ~ 2024년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 중견연구자지원사업
○ 2019년 ~ 2026년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 지역현식선도연구센터 사업
○ 2018년 ~ 2024년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 미래소재디스커버리사업
○ 2015년 ~ 2022년 : 과학기술정보통신부․한국연구재단 선도연구센터사업

<김인기 박사과정 연구원>

□ 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과

□ 경력사항
○ 2015 ~ 현재 : 포항공과대학교 기계공학과 석박사통합과정
○ 2017 ~ 2017 : University of Heidelberg, 방문연구원

□ 전문 분야 정보
○ 나노공정, 메타물질

□ 연구 지원 정보
○ 2016년 ~ 2020년 : 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 글로벌박사양성사업

<문정호 박사과정 연구원>

□ 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 화학공학과

□ 경력사항
○ 2015 ~ 현재 : 포항공과대학교 화학공학과 석박사통합과정

□ 전문 분야 정보
○ 나노광학, 메타물질