Плазмонный магнитофотонный кристалл

Техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано для управления когерентными потоками света в устройствах оптоэлектроники и нанофотоники в системах отображения, хранения и передачи информации, при создании датчиков технического и медико-биологического применения.
RLSPP
Известна наноструктура, содержащая нанесенную на кварцевую подложку пленку висмутзамещенного железоиттриевого граната (Bi: YIG) с расположенными на ее поверхности наночастицами золота, на которых при прохождении через наноструктуру света на длине волны λ возникает локализованный поверхностный плазмонный резонанс, что приводит к увеличению угла фарадеевского вращения кристалла по сравнению с чистой (т.е. без наночастиц золота) пленкой Bi: YIG [R. Fujikawa, A.V. Baryshev, J. Kim, H. Uchida, and M. Inoue. Contribution of the surface plasmon resonance to optical and magneto-optical properties of a Bi: YIG-Au nanostructure. Journal of Applied Physics. 103, 07D301. 2008].
Недостатками устройства на основе такой наноструктуры являются невысокие значения коэффициента усиления угла фарадеевского вращения.
Известен плазмонный магнитофотонный кристалл (ПМФК) [патент РФ №158802, опубл. 20.01.2016, Бюл. №2], содержащий диэлектрическое зеркало Брэгга, нанесенную на зеркало двухслойную пленку висмутзамещенного железоиттриевого граната, между слоями которой помещены наночастицы золота размером от 20 до 80 нм, и металлическое зеркало, выполненное в виде пленки золота толщиной от 40 до 100 нм, расположенное на поверхности двухслойной пленки висмутзамещенного железоиттриевого граната.
Недостатками устройства на основе такой наноструктуры являются относительно невысокие значения коэффициента усиления угла фарадеевского вращения, что обусловлено технологическими ограничениями формирования наночастиц золота на поверхности напыленной пленки Bi: YIG, а именно, невозможностью проведения отжига пленки золота, из которой формируются наночастицы золота, при высоких (800-1000°С) температурах вследствие разрушения при таких температурах пленки Bi: YIG. Отжиг в этом случае ограничивается температурой примерно 750°С, что не позволяет сформировать наночастицы золота необходимой формы и размера и эффективно возбуждать на них локализованный поверхностный плазмонный резонанс. Значение угла фарадеевского вращения в случае отжига пленки золота при 750°С примерно в три раза ниже, чем при 1000°С, а полная ширина линии резонанса на полувысоте примерно в три раза выше, т.е. такая структура характеризуется низкой оптической и магнитооптической добротностью [R. Fujikawa, А.V. Baryshev. J. Kim. Н. Uchida. and M. Inoue. Contribution of the surface plasmon resonance to optical and magneto-optical properties of a Bi: YIG-Au nanostructure. Journal of Applied Physics, 103, 07D301. 2008].
Задачей полезной модели является разработка плазмонного магнитофотонного кристалла, обеспечивающего повышенные по сравнению с прототипом значения коэффициента усиления угла фарадеевского вращения благодаря наложению двух резонансов - локализованного поверхностного плазмонного резонанса на наночастицах золота и резонанса на оптических Таммовских состояниях (ОТС).
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что плазмонный магнитофотонный кристалл, содержащий подложку, прозрачную в видимом оптическом диапазоне спектра, пленку висмутзамещенного железоиттриевого граната, наночастицы золота размером от 20 до 80 нм, пленку, выполненную из золота, причем подложка выполнена из немагнитного материала со структурой граната, наночастицы золота сформированы на поверхности подложки, сверху на наночастицах золота сформирован одномерный магнитофотонный кристалл периодического типа, состоящий из чередующихся четвертьволновых слоев висмутзамещенного железоиттриевого граната и немагнитного диэлектрика, соответственно, с большим и малым показателями преломления, на поверхности которого расположена дополнительная пленка висмутзамещенного железоиттриевого граната с помещенной на нее пленкой из золота толщиной от 5 до 50 нм.
Отличительными признаками технического решения по сравнению с прототипом являются: выполнение подложки из немагнитного материала со структурой граната, расположение наночастиц золота размером от 20 до 80 нм на поверхности подложки, наличие магнитофотонного кристалла периодического типа, выполненного из чередующихся слоев висмутзамещенного железоиттриевого граната и немагнитного диэлектрика, соответственно, с большим и малым показателями преломления, наличие дополнительной пленки висмутзамещенного железоиттриевого граната на поверхности магнитофотонного кристалла периодического типа с помещенной на нее пленкой из золота толщиной от 5 до 50 нм. Общая формула заявляемого ПМФК может быть представлена в виде:
NP
m
S/Au/(M/L)/M*/Au,
где S - подложка из немагнитного граната;
NP
Au - наночастицы золота;
m
(M/L) - периодический кристалл из m пар четвертьволновых магнитного М и немагнитного L слоев с большим и малым показателем преломления, соответственно;
М* - магнитный слой, позволяющий изменением его толщины управлять резонансной длиной волны;
Au - пленка золота для формирования резонанса на ОТС.
При этом, нижним слоем периодического кристалла, расположенным на наночастицах золота, должен быть магнитный слой М.
RLSPP
rots
rlspp
rots
R
rlspp
rots
Совокупность признаков обеспечивает повышение коэффициента усиления угла фарадеевского вращения благодаря наложению эффектов локализованного поверхностного плазмонного резонанса на длине волны λ на наночастицах золота, расположенных на подложке из немагнитного материала со структурой граната под магнитным слоем Bi: YIG, и резонанса на длине волны λ на оптических Таммовских состояниях, возникающих на поверхности пленки золота со стороны границы раздела фотонный кристалл - пленка золота (т.е. λ=λ), что позволяет получить на резонансной длине волны λ=λ =λ более высокие, чем в прототипе, значения коэффициента усиления угла фарадеевского вращения.
3
5
12
Преимущество заявляемой структуры ПМФК по сравнению с прототипом обусловлено тем. что в заявляемой структуре реализуется возможность проведения отжига пленки золота на поверхности подложки из немагнитного граната при температурах вплоть до 1000°С и кристаллизации пленки Bi: YIG непосредственно на поверхности немагнитной подложки со структурой граната, что позволяет обеспечить эпитаксиальный рост пленки Bi: YIG и. соответственно, более высокие по сравнению с прототипом значения коэффициента усиления угла фарадеевского вращения. Кроме того, использование в качестве подложки немагнитного граната с большим параметром решетки позволяет наносить пленку Bi: YIG с большим содержанием висмута, вплоть до чистого железо-висмутового граната BiFeO и обеспечивать благодаря этому еще более высокие значения коэффициента усиления угла фарадеевского вращения.
На фиг. 1 представлена схематичное изображение структуры плазмонного магнитофотонного кристалла.
2
2
m
3
На фиг. 2 представлены рассчитанные спектры пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла (M/SiO)/M*/Au, расположенного сверху на наночастицах золота, при различных значениях толщины верхней пленки из золота. (M/SiO)/M*/Au при различных значениях толщины верхнего слоя золота: 1-5 нм; 2-10 нм; 3-20 нм; 4-30 нм: 5-40 нм; 6-50 нм.
2
2
5
На фиг. 3 представлены рассчитанные спектры пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла (M/SiO)/M*/Au, расположенного сверху на наночастицах золота, при толщинах слоев М и М* - 58,5 nm; SiO - 112,5 nm; Au - 40 nm.
2
2
m
На фиг. 4 представлены рассчитанные спектры пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла (M/SiO)/M*/Au, расположенного сверху на наночастицах золота, при толщинах слоев М - 58,5 nm; SiO - 112,5 nm; М* - 168 нм; Au - 40 nm; m=3 и m=5.
R
2
ПМФК (фиг. 1) изготовлен на подложке из немагнитного граната 1, на поверхности которого путем высокотемпературного отжига сформированы наночастицы золота 2. На наночастицы золота попеременно нанесены четвертьволновые (λ/4) магнитный М (Bi:YIG) 3 и немагнитный L (например, SiO) 4 слои с большим и малым показателями преломления, соответственно, образующие магнитофотонный кристалл периодического типа. На верхний немагнитный слой 4 магнитофотонного кристалла нанесена дополнительная пленка 5 состава Bi: YIG, на поверхность которой нанесена пленка золота 6.
R
R
R
R
R
Заявляемый ПМФК работает следующим образом. Кристалл помещается во внешнее магнитное поле H, направленное по нормали к его поверхности и превышающее поле насыщения магнитных слоев, как чистого Bi: YIG, так и с наночастицами золота. На кристалл направляется поток линейно поляризованного излучения 7 оптического диапазона с длиной волны λ. В результате взаимодействия излучения с наночастицами золота на границе раздела пленка Bi: YIG - наночастицы золота на длине волны λ происходит возбуждение локализованных поверхностных плазмонов, что сопровождается резонансным усилением угла фарадеевского вращения. На границе раздела пленка Bi: YIG - пленка золота на этой же длине волны λ возникает резонанс на оптических таммовских состояниях. Наложение двух резонансов приводит к многократному усилению фарадеевского вращения в ПМФК на длине волны λ. При этом, на спектральных зависимостях коэффициента пропускания и фарадеевского вращения на длине волны λ наблюдаются резонансные пики пропускания и фарадеевского вращения.
rots
rlspp
R
Как показано в работе [S.V. Tomilin, V.N. Berzhansky, A.N. Shaposhnikov, A.R. Prokopov, E.T. Milyukova, A.V. Karavaynikov, O.A. Tomilina, Ultrathin and Nanostructured Au Films with Gradient of Effective Thickness. Optical and Plasmonic Properties, Journal of Physics: Conference Series 741 (2016) 012113], в зависимости от геометрических размеров наночастиц золота, сформированных путем отжига при 950°С пленок золота с толщиной в диапазоне от 3 до 15 нм, нанесенных на поверхность немагнитного гадолиний-галлиевого граната. резонансное поглощение излучения, обусловленное локализованным поверхностным плазмонным резонансом на наночастицах золота, может наблюдаться на длинах волн в диапазоне от 600 до 720 нм. Используя эти данные, было проведено моделирование структуры заявляемого ПМФК с наночастицами золота на поверхности подложки из немагнитного граната для определения параметров слоев периодического кристалла и пленки из золота на его поверхности, при которых резонанс на ОТС реализуется на длине волны λ=λ=λ.
R
F
Параметры структуры, при которых ОТС возникают на длине волны λ, определены численным решением уравнений Максвелла методом матриц распространения 4×4. Полагалось, что на структуру падает ТМ поляризованный свет. Для решения использованы тензоры диэлектрической проницаемости составляющих структуру слоев. Для магнитных слоев - антисимметричный тензор с недиагональной мнимой компонентой. Компоненты тензора диэлектрической проницаемости определены, используя экспериментальные данные по показателю преломления n, коэффициенту затухания k, удельному фарадеевскому вращению Θ и магнитному кругового дихроизму Δα из работ [Microcavity One-Dimensional Magnetophotonic Crystals with Double Layer Bi-Substituted Iron Garnet Films: Optical and Magneto-Optical Responses in Transmission and Reflection / Vladimir N. Berzhansky, Tatyana V. Mikhailova. Andrey V. Karavainikov, Anatoly R. Prokopov. Alexander N. Shaposhnikov. Yuriy M. Kharchenko. Irene M. Lukienko, Olga V. Miloslavskaya. Mykola F. Kharchenko, Vladimir I. Belotelov and Vladimir O. Golub // Solid State Phenomena. - 2015. - Vol.230. - P. 241.; Magneto-optics of nanoscale Bi:YIG films / V. Berzhansky. T. Mikhailova, A. Shaposhnikov, A. Prokopov, A. Karavainikov, V. Kotov, D. Balabanov. and V. Burkov // Appl. Opt. - 2013. - Vol. 52. - P. 6599-6606.]. Диэлектрическая проницаемость золота взята из работы [Robert L. Olmon, Brian Slovick, Timothy W. Johnson. David Shelton, Sang-Hyun Oh, Glenn D. Boreman, and Markus B. Raschke, Optical dielectric function of gold PHYSICAL REVIEW В 86, 235147 (2012)].
В расчете использованы следующие материалы и параметры слоев.
В качестве подложки использован гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ). Диэлектрическая проницаемость 3,6; показатель преломления 2,02.
2
R
В качестве немагнитного диэлектрического слоя L периодического магнитофотонного кристалла использована пленка двуокиси кремния SiO: диэлектрическая проницаемость 2,123; показатель преломления 1,457, оптическая толщина (λ/4).
1.0
0.5
1.5
4.2
0.8
12
xx
xy
-3
-3
В качестве магнитного слоя М периодического магнитофотонного кристалла использована пленка Bi: YIG состава BiYGdFeAlO, диэлектрическая проницаемость: диагональная компонента ε=6,843+0,094*i, недиагональная компонента ε=8,224*10-1,864*10*i; показатель преломления 2,616.
np
Толщина золотого слоя для формирования наночастиц золота (Au) составляла от 3 до 15 нм.
Au
Пленка золота на поверхности кристалла: толщина пленки h изменялась в диапазоне от 10 до 50 нм, диэлектрическая проницаемость золота ε=-10,729+1,33*i; показатель преломления 0,203, коэффициент экстинкции 3,282.
np
Коэффициент усиления угла фарадеевского вращения определялся как отношение угла фарадеевского вращения в ПМФК к углу фарадеевского вращения исходной структуры ГГГ/ Au /M.
R
2
3
Как было показано при моделировании, управление положением резонансной длины волны в спектрах ПМФК и его магнитооптическими характеристиками может осуществляться изменением толщины слоя М* и толщины верхнего слоя золота при фиксированных толщинах слоев периодического магнитофотонного кристалла, равных (λ/4). На фиг. 2 в качестве примера представлены расчетные спектры пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла (M/SiO)/M*/Au при различных значениях толщины верхнего слоя золота, на основании которых был выбран оптимальный диапазон толщин верхнего слоя золота (от 5 до 50 нм) для заявляемого ПМФК. Выбор диапазона толщин слоя золота на поверхности кристалла от 5 до 50 нм обусловлен тем, что при этих значениях толщин магнитооптическая добротность структуры имеет более высокие значения, чем за пределами указанного диапазона.
Примеры исполнения структуры заявляемого ПМФК и параметры составляющих его слоев.
NP
2
5
1. ПМФК ГГГ/Au/(M/SiO)/M*/Au. Параметры слоев структуры;
Aueff
- толщина золотого слоя для формирования наночастиц золота на поверхности подложки ГГГ h=4 нм;
- толщина магнитных слоев М и М* 58,5 нм;
2
- толщина слоя SiO 122.5 нм;
Au
- толщина золотого слоя на поверхности кристалла h=40 нм.
R
2
5
Для такой структуры на резонансной λ=710 нм угол фарадеевского вращения составил 3,2°, коэффициент усиления угла фарадеевского вращения составил 53.3. Спектры пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла (M/SiO)/M*/Au представлены на фиг. 3.
NP
2
3
2. ПМФК ГГГ/Au/(M/SiO)/M*/Au. Параметры слоев структуры:
Aueff
- толщина золотого слоя для формирования наночастиц золота на поверхности подложки ГГГ h=3 нм;
- толщина магнитного слоя М 58,5 нм;
2
- толщина слоя SiO 122,5 нм;
- толщина магнитного слоя М* 168 нм;
- число пар слоев в периодическом кристалле m=3;
Au
- толщина золотого слоя на поверхности кристалла h=40 нм.
R
Для такой структуры на резонансной λ=655 нм угол фарадеевского вращения составил 3.9°. коэффициент усиления угла фарадеевского вращения составил 32,5. Результаты расчетов представлены на фиг. 4.
NP
2
5
3. ПМФК ГГГ/Au/(M/SiO)/M*/Au. Параметры слоев структуры:
Aueff
- толщина золотого слоя для формирования наночастиц золота на поверхности подложки ГГГ h=3 нм;
- толщина магнитного слоя М 58.5 нм;
2
- толщина слоя SiO 122.5 нм;
- толщина магнитного слоя М* 168 нм;
- число пар слоев в периодическом кристалле m=5;
Au
- толщина золотого слоя на поверхности кристалла h=40 нм.
R
Для такой структуры на резонансной λ=655 нм угол фарадеевского вращения составил 4,6°, коэффициент усиления угла фарадеевского вращения составил 38,3. Результаты расчетов представлены на фиг. 4.
Представленные данные показывают, что в заявляемом плазмонном магнитофотонном кристалле коэффициент усиления фарадеевского вращения значительно выше, чем в прототипе.