Моделирование, синтез и исследование свойств наноструктурированных магнито-плазмонных кристаллов

Общая информация о проекте

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса Российской Федерации на 2014–2020 годы»

Основной целью Программы является формирование конкурентоспособного и эффективно функционирующего сектора прикладных научных исследований и разработок.

МЕРОПРИЯТИЕ

1.3. Проведение прикладных научных исследований и разработок, направленных на создание продукции и технологий

ПРОЕКТ

Моделирование, синтез и исследование свойств наноструктурированных магнито-плазмонных кристаллов

ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАКАЗЧИК

Министерство образования и науки Российской Федерации

ПЕРИОД ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

26.09.2017 – 31.12.2019

ЦЕЛЬ ПРОЕКТА

Этот проект направлен на изготовление и комплексное исследование функциональных свойств магнитоплазмонных кристаллов (МПК). Основой МПК является магнитооптический фотонный кристалл (МОФК) в виде тонкопленочного интерферометра Фабри-Перо. Он построен из многослойных монокристаллических гранатовых пленок, обладающих рекордным по величине магнитооптическим эффектом. Магнитные и немагнитные слои с отличающимися по величине коэффициентами преломления чередуются друг с другом и имеют строго подобранную толщину в четверть длины волны света в соответствующем материале. Интерференция света в таком МОФК образует заградительный оптический фильтр с узким резонансным пиком пропускания света, если между двумя Брэгговскими зеркалами помещен полуволновой резонатор из магнитного материала.

В качестве магнитного материала и для Брэгговских зеркал, и для полуволнового резонатора выбран железо-висмутовый гранат (ЖВГ, Bi3Fe5O12). Он существует в виде термодинамически равновесной фазы только в виде тонких пленок, закрепленных на подложке с подходящими по размеру параметрами кристаллической решетки. ЖВГ прозрачен и обладает рекордным по величине магнитооптическим эффектом в видимой области оптического спектра. В намагниченном состоянии он обеспечивает вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света (эффект Фарадея) с длиной волны 640 нм на величину 8 град/мкм и 7.3 град/мкм на длине волны 980 нм.

Эффект Фарадея имеет невзаимный характер – свет, отраженный от препятствия и распространяющийся в обратном направлении, испытывает двукратное вращение плоскости поляризации. Поэтомуиспользуя МОФК из ЖВГ можно добиться получения гигантского Фарадеевского эффекта в прошедшем и эффекта Керра в отраженном свете. В МОФКсвет вращает плоскость поляризации столько раз, сколько раз он испытывает отражения между Брэгговскими зеркалами.Например, благодаря многократному резонансному отражению света и сильному эффекту Фарадея и в Брэгговских зеркалах, и в полуволновомрезонаторе из ЖВГ в 25-слойном МОФК на длину волны 750 нм и толщиной 2 мкм удается повернуть плоскость прошедшего линейно поляризованного света на 20.1 град. По сравнению с однослойной пленкой той же толщины, что и ЖВГ в МОФК, это соответствует примерно 6-кратному усилению эффекта Фарадея, а значит и эффективному числу отражений в МОФК. Использование МОФК в качестве оптического изолятора предполагает его способность вращать плоскость поляризации на 45 град.

Магнитооптические плазмонные кристаллы – дальнейшее актуальное развитие идеи МОФК. Они получаются нанесением периодических наноструктурированных металлических аппликаций на поверхность МОФК. Свет, падающий на МПК, возбуждает плазмон-плазменные осцилляции, распространяющиеся вдоль решетки. В резонансных условиях, таких как период решетки, резонасная мода в МОФК и угол падения света, возможна сильная связь плазмона с волной в МОФК. Значительная концентрация электромагнитной энергии на границе раздела металлических аппликаций с МОФК может приводить к усилению и модификации магнитооптических эффектов. Металлизированная поверхность МОФК изготавливается в виде периодической решетки тонкопленочных золотых аппликаций с помощью магнетронного напыления и литографии. Их размер, расстояние между ними, форма и взаимная ориентация оптимизируются для обеспечения максимальной связи плазменной моды с резонансной модой МОФК и выбором соответствующей поляризации световой волны.

Цель выполнения исследований состоит в разработке и получении МПК и также характеризация их функциональных свойств, разработке способов управления оптическими свойствами МПК и изучении фундаментальных механизмов управления оптическими свойствами МПК с помощью магнитного поля

ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

Большую перспективу МОФК имеют в интегральной оптике, когда свет распространяется не поперек, а вдоль слоев кристалла как в волноводе. Из-за сложности изготовления ЖВГ-МОФК эта область применений остается абсолютно неисследованной. Поэтому первой задачей проекта являются подробные эллипсометрические измерения для получения детальных характеристик волноводного распространения света в МОФК и, в частности, эффекта Керра в отраженном свете.

Второй задачей будет изготовление и изучение функциональных свойств магнито-плазмонных кристаллов (МПК). Они будут получены нанесением периодических наноструктурированных металлических аппликаций на поверхность МОФК. Свет, падающий на МПК, возбуждает плазмон-плазменные осцилляции, распространяющиеся вдоль решетки. В резонансных условиях (период решетки, резонасная мода в МОФК и угол падения света) возможна сильная связь плазмона с волной в МОФК. Значительная концентрация элктромагнитной энергии на интерфейсе металлических аппликаций с МОФК может приводить к усилению и модификации магнитооптических эффектов. Насколько нам известно, единственными публикациями по синтезу и свойствам МПК на базе ЖВГ-МОФК остаются две работы, выполненные А.М. Гришиным с соавторами. В них, в частности, продемонстрирована 24% модуляция магнитным полем интенсивности света, отраженного от поверхности МПК.

Третьей задачей, наиболее полно использующей опыт и экспериментальные ресурсы наших Корейских партнеров, является исследование ультрабыстрых, в том числе фемтосекундных, фотоиндуцированных эффектов размагничивания и перемагничивания МПК. Это совсем неизученная область оптических свойств МПК под действием лазерной накачки.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На первом этапе изложены результаты по отработке тонкопленочных технологий изготовления и выбора состава пленок для формирования МПК на основе железо-иттриевого, полностью замещенного железо-висмутового и галлий-самариевого гранатов. Для последующих экспериментальных исследований получены образцы пленок. Исследованы кристаллическая структура и фазовый состав пленок с помощью рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализа, которые показали эпитаксиальный характер роста пленок при близких постоянных решеток материала подложки и пленки. Исследованный с помощью энергодисперсионного анализа элементный состав пленок соответствует номинальному составу соответствующей гранатовой структуры и может варьироваться составом газовой атмосферы в вакуумной камере. Методами электронной микроскопии показано, что полученные пленки имеют бездефектную структуру и хорошую адгезию к подложке.

На втором этапе проведены исследования фундаментальных оптических и магнитных характеристик сформированных МПК на основе BIG/SGG структур. На основе полученных экспериментальных результатов разработаны теоретические модели фитирования и прогнозирования характеристик МОФК и МПК, которые могут применяться для разработки структур с заданными характеристиками. Проведены дополнительные инициативные исследования возможности создания прозрачных

защитных слоев на основе AlMgB14 для МОФК и МПК и подмагничивающих слоев на основе стекол FeCoB для управления оптическими свойствами с помощью магнитного поля.

На третьем этапе разработаны технологии получения МПК на основе наноструктурированных плёночных проводящих покрытий на МОФК и оптических волноводов, состоящих из магнитооптической пленки и интегрированной с ней периодической решетки из Au. Эту задачу, требующую прецизионную электронную литографию, мы делегировали нашим Корейским партнерам. Предварительно, нами было экспериментально подтверждено резонансное волноводное распространение света вдоль многослойной пленочной структуры МОФК. Нами и независимо Корейскими партнерами проведены измерения спектров пропускания, отражения и Фарадеевского вращения в МОФК структурах. Показано, что МОФК с большим числом слоев в Брэгговских зеркалах обеспечивают существенное усиление ФВ и сужает ширину центрального резонансного пика, в то время как меньшее число отражателей предпочтительно с точки зрения прозрачности МОФК. Исследованы спектры ФМР плёнок полностью замещённого железо-висмутового феррит-граната, являющихся основным материалом для изготовления МОФК и МПК. Предложена теоретическая модель на основе полного матричного формализма, которая позволяет рассчитывать непосредственно наблюдаемые в эксперименте и являющиеся целевыми параметры:коэффициент пропускания и ФВ многослойной структуры МОФК. Проведены дополнительные инициативные исследования магнитострикционных характеристик и стабильности подмагничивающих слоев на основе стекол Fe-Co-P-B для управления оптическими свойствами с помощью магнитного поля; исследованы магнито-оптические свойства плёнок железо-висмутового гранатa, сильно легированных Ga и демонстрирующих энергонезависимую оптическую память.

Перечислим основные научные результаты настоящего проекта, посвященного изготовлению и исследованию функциональных свойств магнето-оптических фотонных кристаллов:

1 – в качестве основного магнето-оптического материала был использован полностью замещенный железо-висмутовый гранат Bi3Fe5O12, обладающий рекордным значением величины относительного Фарадеевского вращения /мкм);

2 – использование в многослойных Брэгговских зеркалах полностью замещенного железо-висмутового граната Bi3Fe5O12 вместе с немагнитным гранатом Sm3Ga5O12 обеспечило получение магнето-оптических фотонных кристаллов с рекордными значениями величин Фарадеевского вращения и прозрачности;

3 – магнето-оптические фотонные кристаллы были изготовлены методом ВЧ магнетронного напыления, широко используемым в промышленности;

4 – благодаря допированию железо-висмутового граната Bi3Fe5O12 ионами эрбия Er3+ были получены магнето-оптические фотонные кристаллы интенсивно люминесцерующие на комнатной температуре с продолжительностью люминесценции 6 мсек, достаточной для построения магнето-оптического лазера, управляемого магнитным полем;

5 – построена микроскопическая теория, учитывающая несколько резонансных электрических дипольных переходов, для расчета наперед заданных дисперсионных свойств магнето-оптических фотонных кристаллов;

6 – теоретически доказана возможность создания оптических усилителей на базе магнето-оптических фотонных кристаллов из эрбий допированного железо-висмутового граната Bi3Fe5O12;

7 – изготовлены и исследованы свойства магнето-оптических фотонных кристаллов с двумя Bi3Fe5O12резонаторами для использования в качестве многополосовых магнето-оптических фильтров;

8 – контролируемыe в процессе изготовления орторомбические искажения решетки Bi3Fe5O12 позволили получить магнето-оптические фотонные кристаллы на подложках Gd3Ga5O12(111) с большой по величине наведенной магнитной перпендикулярной анизотропией в качестве элементов энергонезависимой магнето-оптической памяти;

9 – экспериментально доказана возможность использования магнето-оптических фотонных кристаллов в качестве волноводных структур, управляемых магнитным полем.

ИНОСТРАННЫЙ ПАРТНЕР

Иностранным партнером является национальный университет Чунгбук (Chungbuk National University), Республика Корея.

Профессор Сеонг-Чо Ю (Seong-ChoYu), ведущий исследователь от корейской стороны, опубликовал свыше 400 международных SCI статей в области магнетизма. Профессор Донг-Хьён Ким (Dong-Hyun Kim), второй ведущий исследователь от корейской стороны, опубликовал свыше 80 международных SCI статей в области магнетизма.

Исследовательская группа в области магнетизма в Chungbuk National University, состоит из 4 кафедр, где ведутся активные исследования, при этом, группа ведущего исследователя от корейской стороны имеет всё необходимое оборудование (VSM, работающий в области криогенных температур; магнито-оптический эффект Керра, магнитооптическая керровская/фарадеевская микроскопия, магнитосиловая микроскопия) и ноу-хау для успешной реализации проекта