Диссертация (1103589), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Как отмечалосьв разделе 1.3.1, возбуждение плазмонного резонанса наблюдаетсякак в композитных структурах, содержащих благородные металлы иферромагнетики, так и в чисто ферромагнитных структурах. В работе[25] изучалась структура, состоящая из параллельно расположенныхнанонитей никеля, в которой наблюдалось усиление магнитооптическогоотклика по сравнению с объемным никелем. Численное моделированиепоказало, что данное усиление связано с плазмонными возбуждениями вкаждой нанонити.
Недавно усиление магнитного отклика в структурах,состоящих из наностержней из никеля и кобальта было также обнаружено вэкспериментах по изучению рассеяния Мандельштама-Бриллюэна [10, 134].Известно, что генерация второй оптической гармоники являетсячувствительным методом исследования поверхностей и наноструктур [135,45, 136, 83]. В тоже время, как обсуждалось в разделе 1.3.2 квадратичнаяоптическая восприимчивость является чувствительной к намагниченностии при использовании подходящей геометрии магнитоиндуцированнныеэффекты при генерации ВГ могут превосходить линейно-оптическиеаналоги более чем на порядок.
Комбинирование эффектов связанных сусилением локального поля, обусловленным возбуждением поверхностныхплазмонов и высокой чувствительности к магнитному состоянию системыделает генерацию магнитоинуцированной ВГ уникальным методом визучении слабых плазмонных резонансов в магнитных структурах.Хотя в ряде работ изучались магнитные нелинейно-оптическиеэффекты в плазмонных структурах (см. 1.3.4), влияние локальныхповерхностных плазмонов на магнитоиндуцированную вторую гармоникуизучено мало, в частности, отсутствуют работы по изучению спектральных59свойств квадратичной восприимчивости в окрестности подобногорезонанса. В данной главе приведено систематическое экспериментальноеисследование линейно- и нелинейно-оптического отклика в композитнойструктуре, состоящей из массива наностержней никеля.
Особоевнимание уделено спектроскопии магнитоидуцированной квадратичнойвосприимчивости в окрестности совпадения частот второй гармоники илокального поверхностного плазмона в металлических наностержнях.§ 2.1.Изготовление и характеризация структурыИзготовление исследуемых образцов подробно описано в работе [10].Для получения массива магнитных наностержней авторами использовалсяметод электрохимического осаждения магнитного материала (никеля) впоры, протравленные в алюминии.
Для этого магнетронным распылениемвыращивалась пленка алюминия на буферном слое из золота и тантала,нанесенном подложку из кремния (001). Слой тантала был необходимдля лучшей адгезии и предотвращения отслаивания алюминия, а наличиезолота способствовало лучшему размещению никеля в поры [137].Общая толщина буферного слоя составляла менее 10 нм. Анодированиеи, как следствие, формирование пор производилось при постоянномнапряжении в электролитической ячейке, в которой алюминий служиланодом, а в качестве катода использовался платиновый электрод.Было обнаружено, что размер пор и их заполнение линейно зависятот приложенного напряжения.
Для получения пор диаметром 20нм и характерным расстоянием между порами 40 нм анодированиепроводилось при напряжение 20 В в 33% растворе серной кислоты.Во время реакции температура электролита поддерживалась равной275∘ К. В первые секунды анодирования на алюминии образуетсябарьерный слой, который играет большую роль в образовании пор,но мешает дальнейшему размещению в них магнитных материалов.С помощью непродолжительного травления барьерный слой удалялся.Электроосаждение никеля производилось из 10% раствора NiSO4 припостоянном напряжении −1 В относительно каломелевого электрода.Образцы выращивались в течение 60 с, что обеспечивало получениемассива наностержней высотой 180 нм.
Высота и степень заполнения пороценивались с помощью сканирующего электронного микроскопа(СЭМ) врежиме отражения (рис. 2.1).60Рис. 2.1 : СЭМ изображение скола образца.Рис. 2.2 : СЭМ изображение поверхности образца.Таким образом, была сформирована структура, представляющаясобой массив слабо упорядоченных в латеральном направлении никелевыхстержней, расположенных нормально к поверхности. Длина стержней175 нм, диаметр 20 нм, характерное расстояние между стержнями 40нм.
Стержни находятся в матрице Al2 O3 и отделены от кремниевойподложки буферным золото-танталовым слоем. Различие контрастностиСЭМ изображений (рис. 2.2, 2.3), полученных в разных частях образца,показывает его неоднородность, которую можно связать процессамироста описанной структуры. Изучение магнитных характеристик образца,проведённое в работе [10] показало, что и при плоскостной и при полярнойгеометриях поле ∼ 2 кЭ (рис. 2.4) является насыщающим.Рассмотрим вопрос о возможности возбуждения локальныхповерхностных плазмонов в исследуемой структуре. Для этого можновоспользоваться формулой 1.12 для фактора локального поля, считая61Рис. 2.3 : СЭМ изображение поверхности образца.Рис. 2.4 :Зависимость угла поворота плоскости поляризации отраженного излучения отприложенного меридионального магнитного поля.наностержни вытянутыми эллипсоидами с полуосями = 10 нм и = 90 нм.
Результат соответствующего расчёта зависимости поперечногофактора локального поля от длины волны представлен на рис. 2.5. Видно,что при длине волны 390 нм действительная часть знаменателя выражения1.12 обращается в ноль, а модуль ФЛП имеет максимум (при длиневолны 350 нм), таким образом локальное поле резонансно усиливается.Для расчётов использовался постоянный коэффициент преломленияокружающей эллипсоид среды Al2 O3 = 1.78) и табличные спектрыобъемного никеля [138, 139]. Аналогичный расчёт для продольного ФЛПпоказывает резонанс при длине волны 3,06 мкм, что находится далекоза границами исследуемого диапазона. В соответствии с выражением1.14, наличие подложки может смещать положение резонанса, при этом2 сдвиг определяется безразмерным параметром Δ = 243 , и если принять = = 90 нм имеем Δ ≃ 5 · 10−4 что приводит к несущественному62сдвигу. Численный расчёт показал, что сдвиг резонанса, обусловленныйкак наличием подложки, так и взаимодействием с окружением (по 1.15)не превосходит 20 нм, что сравнимо с разницей положения резонанса,определенного по различным данным восприимчивости никеля ([138, 139]).0,301,5|,1,00,20|LRe(L),0,25..2,00,50,150,0300325350375400425450475,Рис.
2.5 :Рассчитанная зависимость действительной части знаменателя и модуляпоперечного фактора локального поля ⊥ от длины волны.Спектральные характеристики оптического и магнитооптическогоотклика исследовались в линейном (низкая интенсивность, отклик начастоте падающего излучения) и нелинейном (методом генерации ВГ)режимах.§ 2.2.Изучение линейно-оптических свойств образца2.2.1.Изучение спектров отражения и поглощенияСхема установки для измерения спектров линейного отраженияпоказана на рис.
2.6. Поскольку образец располагается на непрозрачнойподложке, в работе измерялись спектры отражения под зеркальным угломпри различных углах падения и поляризациях падающей волны.Установка включает в себя: 1- источник света, в качествекоторого использовалась галогеновая или ксеноновая лампа, что даваловозможность исследовать спектр в диапазоне длин волн возбуждения от350 до 850 нм; 2- диафрагма и линза, образующие параллельный пучок; 3объектив = 10 мм, фокусирующий пучок на образец; 4- линза = 7563Рис. 2.6 : Cхема установки для измерения спектров отражения структуры.мм, фокусирующая отраженный пучок на входную щель спектрометра;5- поляризатор (призма Глана-Тейлора); 6- спектрометр, в качестведисперсионного элемента используется дифракционная решетка, детектор- CCD матрица (Avesta ASP-75, разрешение < 1 нм).
Спектры отражениянормировались на спектр излучения лампы, отраженного от зеркала. С0,90,8( )S -S -P -0,8P -0,7....0,9( )oo450,7,,700,60,60,50,50,40,40,30,30,20,20,10,10,00,0400450500550600650700750400450,500550600650700750,Рис. 2.7 : Спектры отражения для p-(квадратные точки) и s-(круглые точки) поляризацииизлучения при углах падения 70∘ (слева) и 45∘ (справа).помощью описанной выше установки были измерены спектры отраженияобразца для различных углов падения и при различных поляризацияхзондирующего излучения.
Полученные спектры представлены на рис. 2.7.Заметим, что на приведенных графиках присутствуют минимумы и64максимумы коэффициента отражения, что не соответствует монотонномуповедению соответствующих спектров объемного никеля [24, 138] иоксида алюминия. В то же время, данные результаты могут бытьследствием интерференции в тонкой плёнке, которую представляетсобой массив наностержней в матрице Al2 O3 /Al. Расчёт коэффициентаотражения плоской волны от структуры, состоящей из трех произвольныходнородных слоев может быть произведён аналитически на основевыполнения граничных условий на двух поверхностях (аналогичныйподход используется при анализи поверхностных плазмон-поляритонов[39]). В случае исследовавшейся структуры такой расчёт, однако, затруднёниз-за неполной информации о параметрах структуры.
Во-первых, каквидно из рис. 2.1, толщина плёнки с порами отличается от длинынаностержней, при этом длина стержней также не постоянна. Во вторых,структура с наностержнями не является однородной и, вообще говоря,изотропной и предложенный аналитический расчёт может быть верен лишьв рамках модели эффективной среды для никелевых вкраплений в слойAl2 O3 . В третьих, в процессе изготовления структуры возможно не полноеокисление исходной пленки структуры, что может приводить к наличиюв структуре третьего компонента – алюминия.
С учетом приведенныхограничений, был произведен расчёт спектра коэффициента отражениядля модели, состоящей из трех сред: воздух; однородная плёнка толщиной180 нм с постоянным эффективной диэлектрической проницаемостью,определенной по модели Максвелла-Гарнета для никелевых вкрапленийобъемной концентрации 0,18 в слой Al2 O3 при длине волны 500 нм ( =2.5 + 0.2); слой −кремния бесконечной толщины.
На рассчитанныхтаким образом спектрах отражения смещение экстремумов при измененииугла падения соответствует экспериментально наблюдавшимся. Спектрыотражения, рассчитанные для угла падения 70∘ приведены на рис. 2.8.Проведенные расчёты позволяют утверждать, что общий вид спектровкоэффициента отражения определяется интерференцией в структуре.2.2.2.Исследование линейных магнитооптических эффектовЛинейные магнитооптические свойства структуры исследовалисьна кафедре магнетизма Физического Факультета в группе проф. Е.А. Ганьшиной путем проведения спектроскопии экваториальногомагнитооптического эффекта Керра. Для этого применялась65..0,9S -0,8P -,0,70,60,50,40,30,20,10,0400450500550600650700750,Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
