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.

ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ 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