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Engineering

Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Published: November 21, 2019 doi: 10.3791/60094
Automatic Translation
1, 1,2, 1
1Institut de Ciència de Materials de Barcelona, 2Department of Physics, University of Gothenburg

Summary

Die photonische Bandstruktur ermöglicht es zu verstehen, wie sich eingegrenzte elektromagnetische Modi in einem photonischen Kristall ausbreiten. In photonischen Kristallen, die magnetische Elemente enthalten, werden solche eingeschränkten und resonanzförmigen optischen Modi von einer verbesserten und modifizierten magneto-optischen Aktivität begleitet. Wir beschreiben ein Messverfahren zur Extraktion der magneto-optischen Bandstruktur durch Fourier Raummikroskopie.

Abstract

Photonische Kristalle sind periodische Nanostrukturen, die eine Vielzahl von begrenzten elektromagnetischen Modi unterstützen können. Solche eingeschränkten Modi werden in der Regel von einer lokalen Verbesserung der elektrischen Feldintensität begleitet, die Licht-Materie-Wechselwirkungen verstärkt und Anwendungen wie oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) und Oberflächenplasmon-verstärkte Sensorik ermöglicht. In Gegenwart von magneto-optisch aktiven Materialien führt die lokale Feldverstärkung zu anomaler magneto-optischer Aktivität. Typischerweise hängen die eingeschränkten Modi eines bestimmten photonischen Kristalls stark von der Wellenlänge und dem Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab. Daher sind spektrale und winkelaufgelöste Messungen erforderlich, um sie vollständig zu identifizieren und ihre Beziehung zur magneto-optischen Aktivität des Kristalls herzustellen. In diesem Artikel beschreiben wir, wie man ein Fourier-Ebene (Rückenfokusebene) Mikroskop verwendet, um magneto-optisch aktive Proben zu charakterisieren. Als Modellsystem verwenden wir hier ein Plasmonisches Gitter aus magneto-optisch aktiver Au/Co/Au Multilayer. In den Experimenten wenden wir ein Magnetfeld auf das Gitter in situ an und messen seine wechselseitige Raumreaktion, um die magneto-optische Reaktion des Gitters über einen Bereich von Wellenlängen und Einfallswinkeln zu erhalten. Diese Informationen ermöglichen es uns, eine vollständige Karte der Plasmonischen Bandstruktur des Gitters und der winkel- und wellenlängenabhängigen magneto-optischen Aktivität zu erstellen. Diese beiden Bilder ermöglichen es uns, die Wirkung der Plasmonresonanzen auf die magneto-optische Reaktion des Gitters zu bestimmen. Die relativ geringe Größe magnetooptischer Effekte erfordert eine sorgfältige Behandlung der erfassten optischen Signale. Zu diesem Zweck wird ein Bildverarbeitungsprotokoll zur Gewinnung einer magneto-optischen Antwort aus den erfassten Rohdaten erstellt.

Introduction

Begrenzte elektromagnetische Modi in photonischen Kristallen können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Ursprünge entstehen, wie Z. Plasmonresonanzen um metall-dielektrische Schnittstellen oder Mie-Resonanzen in dielektrischen Nanostrukturenmithohem Brechungsindex 1,2,3, und können so gestaltet werden, dass sie bei speziell definierten Frequenzen4,5erscheinen. Ihre Anwesenheit führt zu vielen faszinierenden Phänomenen wie photonischen Bandlücken6,7,8, starke Photon lokalisierung9, langsames Licht10 und Dirac Kegel11. Vierer-Ebenenmikroskopie und Spektroskopie sind grundlegende Werkzeuge zur Charakterisierung photonischer Nanostrukturen, da sie es ermöglichen, viele wesentliche Eigenschaften von eingeschränkten Modi, die in ihnen vorkommen, zu erfassen. In der Fourier-Weltraummikroskopie werden die Informationen im Gegensatz zur herkömmlichen realen Ebenenbildgebung als Funktion der Winkelkoordinaten12,13dargestellt. Es ist alternativ als Back Focal Plane (BFP) Bildgebung bekannt, da die Winkelzerlegung des lichtausdere Lichts aus der Probe von der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs aufgezeichnet wird. Das Winkelspektrum, d.h. das Weitefeld-Emissionsmuster der Probe, hängt mit dem Von ihr ausreichenden Lichtimpuls zusammen (k). Insbesondere stellt es seine in-Plane-Impuls (kx,ky) Verteilung14dar.

In magneto-optisch aktiven Proben hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein von begrenzten photonischen Anregungen zu einer erheblichen Verbesserung der magneto-optischen Reaktion15,16,17,18,19führt. Magnetooptische Effekte hängen von der gegenseitigen Geometrie des Magnetfeldes und der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab. Die am häufigsten anfallenden magneto-optischen Geometrien für linear polarisiertes Licht und ihre Nomenklatur sind in Abbildung 1dargestellt. Hier zeigen wir ein Setup, mit dem zwei magneto-optische Effekte untersucht werden können, die bei der Reflexion beobachtet werden: transversale und längsmagneto-optische Kerr-Effekte, abgekürzt als TMOKE und LMOKE. TMOKE ist ein Intensitätseffekt, bei dem die Reflexionen der entgegengesetzten Magnetisierungszustände unterschiedlich sind, während sich LMOKE als Drehung der reflektierten Lichtpolarisationsachse manifestiert. Die Effekte unterscheiden sich durch die Ausrichtung der Magnetisierung in Bezug auf den Lichteinfall, wobei bei LMOKE die Magnetisierung parallel zur in-ebenen Komponente des Wellenvektors des Lichts ausgerichtet ist, während sie für TMOKE quer zu ihr ist. Bei normal einfallendem Licht sind beide Komponenten des Lichtimpulses null (kx = ky = 0) und folglich sind beide Effekte Null. Konfigurationen, bei denen beide Effekte vorhanden sind, können leicht konzipiert werden. Um die Datenanalyse zu vereinfachen, beschränken wir uns in dieser Demonstration jedoch auf Situationen, in denen nur einer der Effekte vorhanden ist, nämlich TMOKE.

Mehrere optische Konfigurationen können verwendet werden, um die Winkelverteilung des von magnetophotonischen Kristallen emittierten Lichts zu messen. Zum Beispiel wurde in Kalish et al.20 und Borovkova et al.21ein solches Setup erfolgreich in der Transmissionsgeometrie eingesetzt, um den Einfluss von Plasmonen auf magneto-optische Phänomene zu enthüllen. Zur Veranschaulichung werden in Kurvits et al.22einige mögliche Konfigurationen für ein Mikroskop vorgestellt, das eine unendlich korrigierte Objektivlinse verwendet. In unserer Konfiguration, dargestellt in Abbildung 2A, verwenden wir eine unendlich eisern korrigierte Linse, bei der das Licht, das von einem bestimmten Punkt in der Probe kommt, von der Objektivlinse in kollare Strahlen geleitet wird. In Abbildung 2Awerden Balken, die von oben (gestrichelte Linien) und unten (durchgezogene Linien) der Probe auftauchen, schematisch dargestellt. Anschließend wird eine Sammellinse verwendet, um diese Strahlen neu zu fokussieren, um ein Bild auf der Bildebene (IP) zu bilden. Eine zweite Linse, auch Bertrand-Linse genannt, wird dann nach der Bildebene platziert, um das eintreffende Licht an seiner Brennebene in Winkelkomponenten zu trennen, dargestellt in Abbildung 2A in Rot, Blau und Schwarz. Von dieser hinteren Fokusebene aus kann die Winkelverteilung des von der Probe emittierten Lichts mit einer Kamera gemessen werden. Effektiv führt die Bertrand-Linse eine Fourier-Transformation auf dem Lichtstrahl durch, der zu ihr gelangt. Die räumliche Intensitätsverteilung am BFP entspricht der Winkelverteilung der einfallenden Strahlung. Eine vollständige Raumreflexionskarte der Stichprobe kann erstellt werden, indem die Stichprobe mit demselben Ziel beleuchtet wird, das zur Erfassung der Antwort der Stichprobe verwendet wird. Die ein- und ausgehenden Balken werden mit einem Balkensplitter getrennt. Die vollständige Einrichtung ist in Abbildung 3A dargestellt. Um ein Spektrum zu erhalten, wird eine abstimmbare Lichtquelle oder ein Monochromator benötigt. Die Messung kann dann über verschiedene Wellenlängen wiederholt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass aufgrund des Spektrums der Standardlichtquellen die Ergebnisse auf die Reflektivität einer Kontrollprobe normalisiert werden müssen. Zu diesem Zweck kann man einen Spiegel oder einen Teil der Probe verwenden, der absichtlich ungemustert gelassen wurde, um eine hohe Reflektivität zu ermöglichen. Zur Unterstützung der Positionierung zeigen wir, wie das Setup in ein zusätzliches optisches System integriert werden kann, das eine reale Raumabbildung der Probe ermöglicht, wie in Abbildung 2Bdargestellt.

Wir gehen nun mit der Festlegung eines Verfahrens zur Messung des eckig aufgelösten magneto-optischen Spektrums eines photonischen Kristalls fort, wobei als repräsentative Probe ein DVD-Gitter verwendet wird, das mit einem Au/Co/Au-Film bedeckt ist, bei dem das Vorhandensein von ferromagnetischem Kobalt zu einer erheblichen magneto-optischen Aktivität führt23. Die periodische Wellung des DVD-Gitters ermöglicht Oberflächen-Plasmonpolariton-Resonanzen (SPP) bei unterschiedlichen Wellenlängen-Winkel-Kombinationen, die durch
Equation 1
wobei n der Brechungsindex der Umgebung, k0 der Wellenvektor des Lichts im freien Raum,0 der Einfallswinkel, d die Periodizität des Gitters und m eine ganze Zahl ist, die die Reihenfolge des SPP bezeichnet. Der SPP-Wellenvektor Equation 2 wird angegeben, wobei die Zulassungsbedingungen der metallischen Schicht und der umgebenden dielektrischen Umgebung die Zulassungen sind. Aufgrund der Dicke der Gold/Kobalt-Mehrschichtfolie können wir davon ausgehen, dass SPPs nur auf der Mehrschichtfolie angeregt werden.

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Protocol

1. Montage des Setups

  1. Optik
    HINWEIS: Erstellen Sie das Setup wie in Abbildung 3A dargestellt auf einem optischen Tisch mit ausreichender Vibrationsisolierung. Um sphärische und andere Aberrationen zu vermeiden, zentrieren Sie alle optischen Komponenten (Linsen, Lochlöcher usw.) in Bezug auf den Strahl. Die optische Anordnung ist in Abbildung 2 mit den angegebenen Abständen zwischen den Komponenten dargestellt.
    1. Führen Sie das Licht von der weißen Lichtquelle zu einem Monochromator, um einen monochromatischen Lichtstrahl zu erhalten. Weitere Informationen zu den in dieser Arbeit verwendeten Einstellungen finden Sie in der Materialtabelle. Stellen Sie den Monochromator auf eine Wellenlänge ein, die eine gute Intensität und Sichtbarkeit hat, z. B. 550 nm. Eine Wellenlänge aus dem sichtbaren Teil des Spektrums erleichtert die Positionierung der optischen Elemente.
    2. Koppeln Sie das Licht mit einer Kupplungslinse an eine Faser und kollimieren Sie es mit einem Objektiv am Faserabschluss. Je nach verwendeter Lichtquelle kann dieser Schritt weggelassen werden.
    3. Platzieren Sie einen Polarisator 250 mm von der kollimierenden Linse, um den Strahl linear zu polarisieren und einen Strahlsplitter 100 mm vom Polarisator zu platzieren, um das Licht zur Mikroskopobjektivlinse zu führen.
      HINWEIS: Aufgrund des kollimierten Balkens haben die angegebenen Positionen der oben genannten Komponenten keinen Einfluss auf die Optik des Messaufbaus und dienen lediglich der Orientierung.
    4. Platzieren Sie die Probe auf dem Probenhalter, der mit einer x-y-z-Übersetzungsstufe und einer Rotationsstufe ausgestattet ist, die eine 360-Grad-Probenrotation um die Z-Achse ermöglicht, d. h. die Lichtachse, die auf die Probe eingeht.
    5. Montieren Sie die Objektivlinse auf einer Übersetzungsstufe, die Bewegung in drei Richtungen ermöglicht. Die wichtigste davon ist die Z-Achse, die benötigt wird, um sich auf die Probe zu konzentrieren.
      HINWEIS: Die erforderliche Ausrüstung für die Probenübersetzung hängt von den verwendeten Proben ab. Große, homogene Proben können manuell positioniert werden, während Proben mit kleinem Nutzfläche eine sorgfältigere Positionierung erfordern, insbesondere wenn ein Loch verwendet wird, um den abgebildeten Bereich zu begrenzen (Schritt 1.1.7.). Die Optik des Strahls, der aus der Probe hervorgeht, ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Die unendlich ezielbare Objektivlinse leitet Wellenfronten, die von jedem Punkt der Probe entstehen, in kollare Strahlen.
    6. Platzieren Sie eine Kollektorlinse mit f = 200 mm (Rohrlinse), 330 mm vom Objektiv entfernt, um die Strahlen neu zu fokussieren, um ein Bild auf der Bildebene zu bilden. Durch die kollineare Ausbreitung des von der Probe auskommenden Lichts kann die Kollektorlinse in beliebiger Entfernung zur Objektivlinse platziert werden.
      HINWEIS: Wie zuvor wird das Licht, das aus der Objektivlinse ausgeht, kollidiert. Die Rohrlinse sollte jedoch nach dem Strahlsplitter platziert werden.
    7. Platzieren Sie ein Loch in die Bildebene in 200 mm von der Kollektorlinse, um den abgebildeten Bereich auf den gemusterten Bereich zu beschränken. Platzieren Sie das Loch in der Mitte des Balkens. Wenn Sie ein Loch verwenden, verwenden Sie das reale Raumbild des Samples, um es zu positionieren. Bei Proben, bei denen die gemusterte Fläche größer ist als die vom Lichtstrahl beleuchtete Fläche, ist dies nicht erforderlich.
    8. Platzieren Sie eine zweite Linse mit f = 75 mm (Bertrand-Objektiv), 120 mm nach der Bildebene, um eine Fourier-Transformation der Winkelkomponenten des Bildes zu erzeugen. Die Transformation wird im Fokus des zweiten Objektivs erstellt und mit einer wissenschaftlichen sCMOS-Kamera abgebildet, die 75 mm vom Bertrand-Objektiv entfernt platziert ist.
    9. Legen Sie nur für LMOKE-Messungen einen zusätzlichen Polarisator mit einem Winkel in Bezug auf den ersten Polarisator zwischen Strahlteiler und Kollektorlinse ein.
  2. Magnet
    1. Schließen Sie den Magneten an ein Netzteil an und montieren Sie ihn so, dass das Magnetfeld auf die Probe aufgebracht werden kann. Wählen Sie, ob das Magnetfeld in Längs-, Quer- oder Polarrichtung angewendet wird (Abbildung 1).
  3. Probenvorbereitung
    1. Mechanisch demontieren eine kommerzielle DVD-Disk; anschließend kann die freiliegende Gitteroberfläche aufgrund ihrer diffraktiven Eigenschaften leicht identifiziert werden. Verwenden Sie ein Klebeband, um die vorherigen Beschichtungen zu schälen. Reinigen Sie die Oberfläche, tränken Sie sie 10 min in Ethanol. Das Gitter ist nun bereit, eine magneto-plasmonische Beschichtung zu erhalten.
      HINWEIS: Verschiedene kommerzielle optische Festplatten wie Blu-ray und CDs benötigen möglicherweise ein anderes Vorbereitungsprotokoll.
    2. Legen Sie den Metallfilm durch Elektronenstrahlverdunstung auf das freiliegende Gitter ab. Um eine geringe Rauheit zu gewährleisten, verwenden Sie Verdampfungsraten kleiner als 5 s.
    3. Beginnend mit einer 4 nm Cr-Klebstoffschicht, legen Sie abwechselnd Gold und Kobalt-Schichten ab und enden mit einer Goldverschlussschicht, um den Schutz vor Oxidation zu gewährleisten.
      HINWEIS: Wir haben die folgende Anzahl von Schichten und Dicken verwendet: Cr (4 nm)/Au (16 nm)/[Co (14 nm)/Au (16 nm)] 4/Co (14 nm)/Au (7 nm).
    4. Führen Sie optische oder Elektronenmikroskopie(Abbildung 4A) durch, um die Oberflächenbedingungen der Probe zu überprüfen, falls Homogenität und geringe Defekte mit der Messung fortfahren.

2. Messverfahren

  1. Probenpositionierung
    HINWEIS: Als anschaulicheProbe messen wir ein DVD-Gitter, das mit magnetoplasmatischem Au/Co/Au-Film bedeckt ist. Durch die periodische Wellung des Gitters können SPPs in bestimmten Einfallswinkeln basierend auf der Wellenlänge angeregt werden.
    1. Montieren Sie die Probe mit einem kleinen Tropfen Silberfarbe auf dem Probenhalter. Lassen Sie die silberne Farbe für 10 min trocknen.
    2. Fügen Sie einen Flip-Spiegel nach der Bildebene ein, um eine reale Raumbildgebung der Probe zu ermöglichen. Legen Sie eine Linse L1 mit f = 125 mm ein, so dass die Bildebene im Fokus liegt, und platzieren Sie L2 mit f = 250 mm bei 135 mm Abstand von L1.
    3. Platzieren Sie schließlich eine aufgeladene Gerätekamera (CCD) 210 mm von L2, um ein vergrößertes Bild der Bildebene zu erfassen. Bewegen Sie die Objektive L1 und L2, bis das Loch in der Bildebene platziert wird, in gutem Fokus auf die CCD-Kamera.
    4. Bewegen Sie das Objektiv in Richtung der Probe, bis die Probe in der CCD-Kamera im guten Fokus ist.
  2. Optische Reflektivitätsmessung
    1. Positionieren Sie den Lichtfleck mithilfe des realen Raumbildes der Probe über einem reflektierenden (unpatterned) Teil der Probe. Drehen Sie den Flip-Spiegel, um das BFP des Mikroskops zu sehen.
      HINWEIS: Hier verwenden wir für das DVD-Gitter den kontinuierlichen Metallfilm am Rand der DVD-Disk.
    2. Wählen Sie den Bereich der hinteren Fokusebene aus, der dem gewünschten Polarisationszustand entspricht. Die Beziehung zwischen Polarisation und Position in der hinteren Fokusebene ist in Abbildung 3Bdargestellt. Wählen Sie einen Interessenbereich (AOI) als rechteckigen Querschnitt der objektiven Hinterfokusebene (blaues Rechteck in Abbildung 3C)entlang der Achse aus, die der TM-Polarisation entspricht.
      HINWEIS: In der in diesem Manuskript verwendeten Instrumentierungssoftware wird dies durch Auswahl des AOI mit den Cursorauswahlen erreicht. Die Software durchschnittlich dann die Intensitäten entlang der kurzen Dimension des Rechtecks und behandelt das resultierende Spektrum als 1D-Array von Daten, wobei jeder Datenpunkt einem anderen Emissionswinkel der Probe entspricht. Bei Plasmonischen Gittern kann nur TM-polarisiertes Licht, d.h. EM-Strahlung mit elektrischem Feld senkrecht zu den Gitterrillen, die Plasmonresonanzen anregen. Je nach Gitterausrichtung ist es daher notwendig, den richtigen Polarisationszustand auszuwählen, indem Sie entweder ein vertikales oder horizontales Segment des BFP auswählen.
    3. Messen Sie das Spektrum der Lichtquelle, indem Sie auf Normalisierungsspektrum messenklicken, das später verwendet wird, um die gemessenen Reflektivitätsdaten zu normalisieren. Da jede Wellenlänge einen 1D-Satz von Datenpunkten ergibt, wird das gesamte Spektrum der Lichtquelle als 2D-Tensor gespeichert, wobei jeder Datenpunkt eine Kombination aus Wellenlänge und Winkel darstellt.
    4. Positionieren Sie die Lichtquelle mit dem realen Raumbild der Probe erneut über dem photonischen Kristall von Interesse. Stellen Sie beim Zurückschalten zu BFP sicher, dass die Plasmonmodi als dunkle Linien sichtbar sind, die die hintere Brennebene kreuzen. Die Linien bewegen sich, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts geändert wird.
    5. Messen Sie mithilfe der gleichen AOI- und Messeinstellungen (d. h. Belichtungszeiten, Anzahl der Durchschnittswerte) das Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls, indem Sie auf Reflexionsspektrum messenklicken.
    6. Um die spektrale Variation der Lichtquellenintensität zu berücksichtigen, normalisieren Sie das erhaltene Spektrum durch das Spektrum der Lichtquelle. Dies ergibt ein 2D-Array von Zahlen von 0 bis 1, wobei 1 vollständig reflektierenden und 0 vollständig absorptiven Bedingungen entspricht.
  3. Magneto-optische Messung
    1. Starten Sie die magneto-optische Messung, indem Sie eine Hystereseschleife mit einem Winkel und einer Wellenlänge messen, von der bekannt ist, dass sie einer guten magneto-optischen Reaktion entspricht, in der Regel können diese Bedingungen in der Nähe der SPP-Erregungen gefunden werden. Wählen Sie dazu einen kleinen AOI in der Nähe der SPP-Erregungen aus und messen Sie eine einzelne Schleife.
      HINWEIS: Die Datenanalyse, die zur Quantifizierung der magneto-optischen Aktivität erforderlich ist, hängt von der Art des Magnetismus ab, den die Probe aufweist. Hier gehen wir von einer ferromagnetischen Reaktion aus und behandeln die Ergebnisse entsprechend. Die dia- oder paramagnetische Reaktion ist im Wesentlichen linear auf das angewendete Magnetfeld und kann als Veränderung der optischen Eigenschaften pro angewendeter Magnetfeldeinheit quantifiziert werden. Ferromagnetische Materialien weisen eine nichtlineare Permittivität auf, die bei der Definition der magneto-optischen Reaktion zusätzliche Berücksichtigung erfordert (siehe Abbildung 3D). Das TMOKE ist definiert als Änderung der reflektierten Intensität als Funktion Equation 2 des angewendeten Magnetfeldes, d. h. , wobei I(M) die Intensität ist, die von der Probe im Magnetisierungszustand M reflektiert wird.
    2. Wählen Sie mit der in 2.3.1. gemessenen Hystereseschleife den Bereich der zu schleifenden Magnetfelder aus. Bei ferromagnetischen Proben werden die Felder von einem vollständig gesättigten Zustand in einen entgegengesetzten gesättigten Zustand geschleift, wodurch der Bereich bequem über das Sättigungsfeld erweitert wird. Verwenden Sie später die im gesättigten Zustand gemessenen Punkte, um dia- oder paramagnetische Beiträge zu analysieren und zu entfernen, die durch ihren linearen Beitrag überprüft werden können.
    3. Schließlich messen Sie die Von der Probe reflektierte Intensität an jedem definierten Magnetfeldpunkt, wobei sie sich auf Wunsch über mehrere Schleifen wiederholt. Jeder Wellenlängen- und Magnetisierungspunkt ergibt ein einzelnes 1D-Array numerischer Daten (d. h. gemessene Lichtintensität), wobei jeder Punkt des Arrays einem bestimmten Winkel entspricht.

3. Datenanalyse

  1. Weisen Sie mit der Hystereseschleife der probe, gemessen in Schritt 2.3.1, jeden Frame, der bei Schritt 2.3.3 gemessen wird, zu. in einen der gesättigten Zustände oder in den Zwischenzustand (Abbildung 3C).
  2. Entsorgen Sie die Zwischenrahmen und berechnen Sie die magneto-optische Aktivität aus den gemessenen Intensitäten durch Equation 2 , wobei die Operationen für jeden Winkel- und Wellenlängendatenpunkt separat durchgeführt werden.
    HINWEIS: Da TMOKE als relative Intensitätsänderung ausgedrückt wird, müssen die Ergebnisse nicht auf das Lampenspektrum normalisiert werden.
  3. Wenn die Probe eine große paramagnetische (oder seltener diamagnetische) Aktivität darstellt, die für einen zuverlässigen Vergleich zwischen den gesättigten magnetischen Zuständen subtrahiert werden muss, subtrahieren Sie den linearen Beitrag, der sich aus der para- oder diamagnetischen Aktivität ergibt, indem Sie eine (wiederum pixelweise getrennt für jeden Winkel und Wellenlängenpunkt) an den bei der Sättigung gemessenen Punkten und entfernen Sie den linearen Beitrag.

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Representative Results

Abbildung 4A zeigt eine Rasterelektronenmikroskopie (SEM) eines kommerziellen DVD-Gitters, das mit Au/Co/Au Multilayer bedeckt ist und in unseren Experimenten als Demonstrationsprobe verwendet wurde. Seine optischen und magneto-optischen Spektren sind in Abbildung 4B,C dargestellt. Details zur Probenfertigung werden an anderer Stelle vorgestellt23. Schwarze Linien in Abbildung 4A,B zeigen die aus Gleichung 1 berechneten Plasmondispersionsverhältnisse. Die Zulassung der Au/Co/Au Multilayer wird aus der Ergänzenden Datendatei 1 in Cichelero et al.24 entnommen, wo eine ähnliche Mehrschicht mit spektroskopischer Ellipsometrie gemessen wurde. Die Periodizität des Gitters wird auf 740 nm angenommen. Die berechneten Dispersionslinien entsprechen einem auffälligen Rückgang der Reflektivität in Abbildung 4A, der sich aus der Umwandlung der einfallenden Strahlung in SPPs ergibt und durch ohmsche Dämpfung abgeführt wird.

Die Beziehung zwischen den Pixelpositionen in der hinteren Fokalebene (Abbildung 3C) und dem Emissionswinkel kann wie folgt festgelegt werden: Der maximaleWinkel, bei dem das Objektiv Licht annehmen kann, wird durch Formel gegeben und hängt von der numerischen Blende NA = 0,8 und dem Brechungsindex des umgebenden Mediums (Luft, n = 1) ab. Dies ist der Winkel, der den Extremen der beleuchteten Fläche der Fourier-Ebene entspricht. Die Pixel zwischen ihnen können eine Zahl in linearer Weise von –NA bis +NA zugewiesen werden, die die numerische Blende an ihrer Position widerspiegelt und ihr entsprechender Winkel dann durch den umgekehrten Sinus dieser Zahl angegeben wird (bei Bedarf durch n geteilt).

Abbildung 4C zeigt das magneto-optische Spektrum des Plasmonischen Gitters. Hier werden die Plasmonlinien von einer Zunahme der magneto-optischen Aktivität begleitet, die sich beim SPP abrupt umkehrt. Die Linienform erklärt sich dadurch, dass die Magnetisierung die SPP-Erregungsbedingungen leicht verändert, was zu zwei unterschiedlichen SPPs für entgegengesetzte Magnetisierungszustände führt. Wenn die Reflektivitäten der beiden leicht verdrängten Zustände voneinander subtrahiert werden, erhält man eine charakteristische abgeleitete Linienform15,16,17. Die Plasmonlinienbreiten der Plasmonresonanzen sowie die resultierenden magneto-optischen Spektren hängen stark von den Materialparametern der Metallmultilayer25,26ab.

Wir stellen fest, dass aufgrund der Geometrie des Gitters die magnetische Leichte Achse entlang des Gitters selbst ausgerichtet ist und sehr große Magnetfelder benötigt werden, um es aus dieser Ebene zu sättigen, weshalb LMOKE-Messungen mit dieser speziellen Probe nicht möglich sind.

Figure 1
Abbildung 1: Verschiedene Geometrien, bei denen magneto-optische Effekte beobachtet werden können.
Polar (A), längs (B) und quer (C) magneto-optische Kerr-Effekte werden in der Reflexion beobachtet, während Faraday (D) und Voigt (E) Effekte bei der Übertragung durch magnetisiertes Medium auftreten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Optische Einrichtung.
(A) Schematische Darstellung der Lichtausbreitung im mikroskopischen Setup der Fourier-Ebene. Die unterschiedlichen Winkelkomponenten (dargestellt mit roten, schwarzen und blauen Strahlen) sind auf der hinteren Brennebene räumlich getrennt. (B) Schematische Darstellung der Lichtausbreitung im realen Raummikroskop. Die Objektive L1 und L2 bilden ein Teleskop, das auf der Bildebene zur Kamera abbildet. Die Abstände zwischen den Komponenten in der optischen Tabelle werden unter jedem Setup hervorgehoben. Rote Zahlen zeigen an, dass der Abstand für die Bildbildung entscheidend ist. Die Entfernungen sind in Millimetern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Fourier-Raummikroskop und Messungen.
(A) Komponenten des Fourier Raummikroskops. (B) Schematische Darstellung der Polarisationszustände des lichtdurchfwechseltes Licht. Das polarisierte Licht, das linear (entlang x-Richtung) einfallen, betrifft die Probe als TE- und TM-polarisiert, je nachdem, in wie teil spart, wo der Strahl seinen Ursprung hat. (C) Intensität auf der hinteren Brennebene des Mikroskops bei der Messung des DVD-Gitters bei n = 600 nm. Die schwarzen Absorptionslinien zeigen SPP-Resonanzen an, die auch in Abbildung 4B,Csichtbar sind. AOI kann als blaues Rechteck gewählt werden, um die Reaktion auf TM-polarisiertes Licht oder Rot für TE-polarisierte szenkann. (D) Schematische Hystereseschleife eines ferromagnetischen Materials, die die typische nichtlineare Reaktion auf angelegte Magnetfelder demonstriert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Messungen an einem DVD-Gittermuster.
(A) SEM-Mikrograph eines kommerziellen DVD-Gitters, das mit Au/Co/Au Multilayer überzogen ist. Winkel aufgelöste Reflektivität (B) und magneto-optische Aktivitätskarte (C) des DVD-Gitters mit Periodizität von 740 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Wir haben ein Messaufbau und ein Protokoll eingeführt, um eckig aufgelöste magneto-optische Spektren optischer Kristalle zu erhalten. Insbesondere wurde der Fall ferromagnetischer Materialien, der eine zusätzliche Datenanalyse erfordert, um die nichtlineare Durchlässigkeit des Materials zu berücksichtigen, dargelegt. Die anwinkelgelöste magneto-optische Spektroskopie bietet einen zusätzlichen Vorteil gegenüber nicht-angular gelösten Methoden, dass die eingeschränkten Modi leichter identifiziert werden können, da sie sowohl in optischen als auch in magneto-optischen Spektren als klar definierte Bänder erscheinen. Der Ansatz, den wir hier zeigen, kann leicht an verschiedene Arten von photonischen Kristallen angepasst werden und ist nicht auf Oberflächen-Plasmon-Resonanzen beschränkt.

Die häufigste Modifikation der Technik wäre ihre Anpassung an die Messung von Längs- und/oder Polar-Kerr-Effekten, die sich als Polarisationsrotation und nicht als Intensitätseffekte manifestieren. Um die Polarisationsrotation zu messen, muss ein zusätzlicher Polarisator zwischen dem Strahlspalter und dem Kollektorobjektiv platziert werden, um die an der Kamera erkannte Intensität proportional zur Polarisationsrotation zu machen. Dieser Polarisator sollte in einem 45°-Winkel mit der Polarisation des Lichteinfalls auf der Probe platziert werden, um das magneto-optische Signal27zu maximieren.

Häufige Fallstricke in der Messtechnik sind eine falsche Montage der Probe, so dass sie sich bewegen kann, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Dies kann durch die Verwendung von magnetischem Metall wie Eisen im Probenhalter verschlimmert werden. Schon kleine Mengen an magnetischen Metallen wie kleine Schrauben können zu Bewegungen führen, die den magneto-optischen Effekt vollständig verschleiern. Eine bewegte Probe ergibt in der Regel eine "bananenartige" falsche Hystereseschleife. Daher ist bei der Montage der Probe und bei der Befestigung der Probe eine angemessene Sorgfalt zu treffen und sicherzustellen, dass sie vor den Messungen fest an Ort und Stelle ist. Um die ordnungsgemäße Montage der Probe zu bestätigen, wird empfohlen, Hystereseschleifen mit einer Wellenlängen-Winkel-Kombination zu messen, von der bekannt ist, dass sie ein gutes Signal ergibt, und zu bestätigen, dass ihre Form wie erwartet ist und dass keine Artefakte aus Probenbewegungen oder anderen Aberrationen vorhanden sind.

Da die Messung der Hystereseschleife eine Schleife über einen Bereich des angelegten Magnetfeldes erfordert, dauert die Messung einige Zeit. Wenn das Intensitätsniveau der Quelle im Laufe der Zeit nicht stabil ist, sollte das Magnetfeld schnell in Schleife geschlungen werden, um Eine Leistungsdrift zu vermeiden, die die gemessenen Hystereseschleifen beeinflusst. Typischerweise driften die Quellleistungsstufen langsamer, als eine Hystereseschleife gemessen werden kann, was es ermöglicht, den TMOKE-Kontrast auch unter diesen Bedingungen zu messen. Wenn das Signal laut ist und mehr Mittelung erforderlich ist, kann die Mittelung durch Erhöhung der Anzahl der gemessenen Schleifen anstelle der Anzahl der Frames an jedem Magnetfeldpunkt realisiert werden.

Diese Technik beruht auf der Anwendung des Magnetfeldes vor Ort. Während ferromagnetische Materialien in der Regel ihren Magnetisierungszustand in Abwesenheit von angewendeten Magnetfeldern beibehalten, aufgrund der geringen Größe der magneto-optischen Effekte, führt das Entfernen der Probe für die Manipulation der Magnetisierung zu einem Versagen aufgrund der Schwierigkeiten, die Probe wieder in die gleiche Position wie vor der Magnetisierungsumkehr einzufügen.

Die Methode, die wir hier vorgestellt haben, beruht auf empfindlichen Detektionsgeräten und stabilen Lichtquellen. In der standardmäßigen magneto-optischen Kerr-Spektrometrie in Längs- oder Polar-Kerr-Konfiguration wird oft ein photoelastischer Modulator verwendet, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und Rotations- und Ellipsenkomponenten voneinander zu trennen27,28. Die Modulationsfrequenz eines photoelastischen Modulators beträgt jedoch in der Regel mehr als 50 kHz, was die Verwendung mit einer Mikroskopkamera sehr schwierig macht. Um das bestmögliche Signal-Rausch-Verhältnis für ein Magneto-Optisches Mikroskop zu erhalten, ist es daher notwendig, in Kameras und Lichtquellen mit guter Stabilität zu investieren.

Bei Längs- und Polarmagneto-optischen Messungen wird die Intensität des Lichteinfalls an der Kamera durch den vor ihm platzierten gekreuzten Polarisator stark reduziert, was zusätzliche Anforderungen an die Kameraausrüstung stellt, die zur Erkennung der viel schwächeren Signal.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Wir würdigen die finanzielle Unterstützung durch den spanischen Ministerio de Economéa y Competitividad durch die Projekte MAT2017-85232-R (AEI/FEDER,UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) und von der Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), von CNPq – Brasilien und von der Europäischen Kommission (Marie Skodowska-Curie IF EMPHASIS - DLV-748429).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Beam splitter Thorlabs BSW27
Bertrand lens Thorlabs LA1608 f = 75 mm
CCD Camera Thorlabs 1500M-GE-TE Camera for real space imaging
Collecting lens Thorlabs ITL200 f = 200 mm
Collimating lens Zeiss 420640-9800 Magnification 10x NA 0.3
Flip mirror Thorlabs CCM1-P01/M
Flip mirror mount Thorlabs FM90/M
L1-lens Thorlabs LA1986 f = 125 mm
L2-lens Thorlabs LA1461 f = 250 mm
Objective lens Nikon MUE10500 Magnification 50x NA 0.8
Pinhole Thorlabs ID8/M
Polarizer Thorlabs GTH10M For LMOKE measurements, two polarizers are needed
sCMOS camera Andor ZYLA-4.2P-USB3

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Kataja, M., Cichelero, R., Herranz, G. Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures. J. Vis. Exp. (153), e60094, doi:10.3791/60094 (2019).

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