Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Spectral og Angle-løst Magneto-Optical karakterisering av fotoniske nanostrukturer

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

Fotoniske band struktur gjør det mulig å forstå hvordan trange elektromagnetiske moduser overføres innenfor en fotoniske krystall. I fotoniske krystaller som innlemme magnetiske elementer, slik begrenset og resonans optiske moduser er ledsaget av forbedret og modifisert magneto-optisk aktivitet. Vi beskriver en måling prosedyre for å trekke ut Magneto-optiske bandet struktur av Fourier Space mikroskopi.

Abstract

Fotoniske krystaller er periodiske nanostrukturer som kan støtte en rekke trange elektromagnetiske moduser. Slike trange moduser er vanligvis ledsaget av lokale ekstrautstyr av elektrisk felt intensitet som styrker den lett-materie interaksjoner, slik at programmer som overflate-forbedret Raman spredning (SERS) og overflate Plasmon forbedret sensing. I nærvær av magneto-optisk aktivt materiale, den lokale felt forbedringen gir opphav til uregelrett magneto-optisk aktivitet. Vanligvis, begrenset moduser av en gitt fotoniske krystall avhenge sterkt på bølgelengde og forekomst vinkelen av hendelsen elektromagnetisk stråling. Dermed er Spectral og kantete-løst målinger nødvendig for å fullt ut identifisere dem så vel som å etablere sitt forhold til Magneto-optiske aktivitet av krystallen. I denne artikkelen beskriver vi hvordan du bruker en Fourier-Plane (tilbake fokalplanet) mikroskop for å karakterisere magneto-optisk aktive prøver. Som modell system, her bruker vi en plasmonic rist bygget av magneto-optisk aktiv au/co/au flerlags. I eksperimentene bruker vi et magnetfelt på risten in situ og måler dens gjensidige rom respons, og innhenter den Magneto responsen til risten over en rekke bølgelengder og hendelses vinkler. Denne informasjonen gjør det mulig for oss å bygge et komplett kart over plasmonic bånd struktur og vinkel og bølgelengde avhengig Magneto aktivitet. Disse to bildene gjør det mulig for oss å finne effekten som Plasmon resonanser har på Magneto-optiske responsen til risten. Den relativt lille omfanget av Magneto-optiske effekter krever en forsiktig behandling av ervervet optiske signaler. For dette formål er en bildebehandlings protokoll for å få magneto-optisk respons fra ervervet rådata lagt ut.

Introduction

Lukkede elektromagnetiske moduser i fotoniske krystaller kan oppstå fra en rekke ulike opphav, for eksempel Plasmon resonanser rundt metall/dielektrisk-grensesnitt eller Mie resonanser i høy brytningsindeks dielektrisk nanostrukturer1,2,3, og kan utformes for å vises på spesifikt definerte frekvenser4,5. Deres tilstedeværelse gir opphav til mange fascinerende fenomener som fotoniske band hullene6,7,8, Strong Foton lokalisering9, langsom lys10 og Dirac kjegler11. Fourier Plane mikroskopi og spektroskopi er grunnleggende verktøy for karakterisering av fotoniske nanostrukturer som de gjør det mulig å fange mange viktige egenskaper av trange moduser forekommende i dem. I Fourier Space mikroskopi, i motsetning til konvensjonelle virkelige flyet Imaging, informasjonen presenteres som funksjon av kantete koordinater12,13. Det er alternativt kjent som back fokal Plane (BFP) Imaging som kantete nedbrytning av lyset som kommer fra prøven er registrert fra baksiden fokalplanet av mikroskop målet. Den kantete spektrum, dvs, langt felt utslipps mønster av prøven er knyttet til momentum av lys som kommer fra det (ħk). Spesielt representerer den sin in-plane momentum (kx, ky) distribusjon14.

I magneto-optisk aktive prøver har tilstedeværelsen av trange fotoniske excitations vist å føre til betydelig forbedring av magneto-optisk respons15,16,17,18,19. Magneto-optiske effekter avhenger av gjensidig geometri av magnetfeltet og hendelsen elektromagnetisk stråling. Oftest møtte magneto-optisk geometri for lineært polarisert lys og deres nomenklatur er avbildet i figur 1. Her viser vi et oppsett som kan brukes til å utforske to Magneto-optiske effekter som er observert i refleksjon: tverrgående og langsgående Magneto-optiske Kerr-effekter, forkortet, henholdsvis som TMOKE og LMOKE. TMOKE er en intensitet effekt, der reflectivities av motstanderens magnetization statene er forskjellige mens LMOKE manifesterer som en rotasjon av reflektert lys polarisering aksen. Effektene er preget av orienteringen av magnetization med hensyn til lys forekomsten, der for LMOKE, er magnetization orientert parallelt med i flyet komponent av bølgen vektor av lyset mens for TMOKE det er tverrgående til det. For normalt hendelsen lys, både in-plane komponenter av momentum av lys er null (kx = ky = 0) og følgelig begge effektene er null. Konfigurasjoner der begge effektene er til stede kan lett unnfanget. Men for å forenkle dataanalyse, i denne demonstrasjonen begrenser vi oss til situasjoner der bare én av effektene er til stede, nemlig TMOKE.

Flere optiske konfigurasjoner kan brukes til å måle vinkel fordelingen av lys som slippes ut fra magnetophotonic krystaller. For eksempel, i Kalish et al.20 og Borovkova et al.21, ble et slikt oppsett med hell brukt i overføring geometri å avsløre Plasmon innflytelse på Magneto-optiske fenomener. Som en illustrasjon, i Kurvits et al.22, er noen mulige konfigurasjoner presentert for et mikroskop som bruker en uendelig korrigert objektiv linse. I vår konfigurasjon, avbildet i figur 2A, bruker vi en Infinity korrigert linse hvor lyset som kommer fra et gitt punkt i prøven er regissert av objektivlinsen inn i kollineare bjelker. I figur 2A, bjelker fremvoksende fra toppen (stiplede linjer) og bunnen (heltrukne linjer) av prøven er skjematisk avbildet. Deretter brukes en oppsamlings linse til å fokusere disse bjelkene på igjen for å danne et bilde på bilde Planet (IP). En annen linse, også kjent som Bertrand linse, blir deretter plassert etter bildet flyet for å skille innkommende lys på sitt fokal fly i kantete komponenter, avbildet i figur 2A i rødt, blått og svart. Fra dette bakre fokalplanet kan den kantete fordelingen av lyset som slippes ut av prøven måles med et kamera. Effektivt, utfører Bertrand linsen en Fourier-Transform på lysstrålen som kommer til den. Den romlige intensiteten fordelingen på BFP tilsvarer kantete fordelingen av hendelsen stråling. En full gjensidige plass refleksjon kart av prøven kan etableres ved å belyse prøven med samme mål som brukes til å samle responsen av prøven. Den innkommende og ut går bjelker er separert ved hjelp av en bjelke splitter. Hele oppsettet er avbildet i Figur 3A. For å få et spektrum, en tunable lyskilde eller en monokromator er nødvendig. Målingen kan deretter gjentas over forskjellige bølgelengder, husk at på grunn av spekteret av standard lyskilder, må resultatene bli normalisert til Reflektivitet av en kontroll prøve. For dette formålet, kan man bruke et speil eller en del av prøven som har vært målbevisst venstre unpatterned å tillate en høy Reflektivitet. For å bistå i posisjonering, viser vi hvordan du integrerer oppsettet med en ekstra optisk system som muliggjør Real-plass Imaging av prøven, vist i figur 2B.

Vi nå fortsette å etablere en metode for å måle kantete løst Magneto-optiske spekteret av en fotoniske krystall, bruker som en representativ prøve, en DVD rist dekket med en au/co/au film der tilstedeværelsen av ferromagnetisk kobolt gir opphav til betydelig Magneto-optiske aktivitet23. Den periodiske korrugeringen av DVD-risten muliggjør overflate Plasmon polariton (SPP) resonanser på distinkte bølgelengde-vinkel kombinasjoner som er gitt av
Equation 1
der n er brytningsindeksen i omgivelsene, k0 bølge vektoren av lys i ledig plass, θ0 forekomst vinkelen, d periodisitet av risten og m er et heltall som betegner rekkefølgen på spp. Det SPP bølge vektor er gitt av Equation 2 der hvor ε1 og ε2 er permittivities av det metallisk lag og det omringer dielektrisk omgivelsene. På grunn av tykkelsen på gull/kobolt flerlags film, kan vi anta at SPPer er bare spent på toppen av flerlags film.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. montering av oppsettet

  1. Optikk
    Merk: Bygg oppsettet slik det er avbildet i Figur 3A på en optisk tabell med tilstrekkelig vibrasjons isolering. For å unngå sfæriske og andre avvik, midtstille alle de optiske komponentene (linser, pinholes etc.) med hensyn til strålen. Den optiske ordningen vises i figur 2 med avstandene mellom de indikerte komponentene.
    1. Guide lyset fra den hvite lyskilden til en monokromator for å få en monokromatisk lysstråle. Se materialfortegnelsen for detaljer om oppsettet som brukes i dette arbeidet. Sett monokromator til en bølgelengde som har god intensitet og synlighet, f. eks 550 NM. En bølgelengde fra den synlige delen av spekteret gjør det enklere å posisjonere de optiske elementene.
    2. Ved hjelp av en kopling linse, par lyset til en fiber og collimate den med et mål på fiber oppsigelse. Dette trinnet kan utelates, avhengig av lyskilden som brukes.
    3. Plasser en polarisator 250 mm fra collomating linsen til lineært polariserer strålen og Plasser en stråle splitter 100 mm fra polarisator for å styre lyset til objektivlinsen til mikroskopet.
      Merk: på grunn av den collimated strålen påvirker ikke de indikerte posisjonene til de ovennevnte komponentene optikk i målings oppsettet og gis bare til veiledning.
    4. Plasser prøven på prøve holderen som er utstyrt med en x-y-z Oversettelses fase og et rotasjons trinn som muliggjør en 360-graders prøve rotasjon rundt z-aksen, det vil si aksen med lys som impinging på prøven.
    5. Monter objektivlinsen på en Oversettelses scene som muliggjør bevegelse i tre retninger. Den mest avgjørende av disse er z-aksen som er nødvendig for å fokusere på prøven.
      Merk: nødvendig utstyr for eksempel oversettelse avhenger av prøvene som brukes. Store, homogene prøver kan plasseres manuelt mens prøver med lite nyttig område vil kreve mer forsiktig posisjonering, spesielt når du bruker en pinhole for å begrense avbildet område (trinn 1.1.7.). Den optikk av strålen som dukker opp fra prøven er skjematisk avbildet i figur 2. Infinity korrigert objektiv leder bølge fronter fremvoksende fra hvert punkt i prøven i kollineare bjelker.
    6. Plasser en solfangeren linse med f = 200 mm (tube linse), 330 mm fra målet å re-fokusere bjelkene å danne et bilde på bildet flyet. På grunn av den kollineare utbredelsen av lyset som kommer fra prøven, kan solfangeren linsen plasseres i hvilken som helst avstand fra objektivlinsen.
      Merk: som før, er lyset som dukker opp fra objektivlinsen collimated. Imidlertid bør røret linsen plasseres etter strålen splitter.
    7. Plasser en pinhole i bildet flyet på 200 mm fra samleren objektivet å begrense avbildet regionen til mønstret området. Plasser pinhole i midten av bjelken. Hvis du bruker en pinhole, bør du bruke det virkelige rom bildet av prøven til å plassere det. For prøver der det mønstrede området er større enn området opplyst av lysstrålen, er dette ikke nødvendig.
    8. Plasser en ny linse med f = 75 mm (Bertrand linse), 120 mm etter bildet flyet for å lage en Fourier-transformasjon av kantete komponenter i bildet. Transformasjonen er skapt i fokus for den andre linsen og avbildet med et vitenskapelig sCMOS kamera som er plassert 75 mm fra Bertrand linsen.
    9. For LMOKE-målinger må du sette inn en ekstra polarisator med en vinkel i forhold til den første polarisator mellom stråle splitteren og samler linsen.
  2. Magnet
    1. Koble magneten til en strømforsyning og Monter den slik at magnetfeltet kan brukes på prøven. Velg om det magnetiske feltet skal brukes i lengde-, tverrgående-eller Polar retningen (figur 1).
  3. Eksempel på tilberedning
    1. Mekanisk demontere en kommersiell DVD-disk; deretter kan den eksponerte rist flaten lett identifiseres på grunn av sin oppspaltet proprieties. Bruk en selvklebende tape til å skrelle den forrige belegg. Rengjør overflaten, suge den i etanol i 10 min. Risten er nå klar til å motta et Magneto-plasmonic belegg.
      Merk: ulike kommersielle optiske disker som Blu-ray og CD-er, kan trenge en annen forberedelse protokollen.
    2. Sett metall filmen på den eksponerte risten med elektronstråle fordampning. For å sikre lav ujevnheter, bruk fordampning priser mindre enn 5 å/s.
    3. Starter med en 4 NM CR selvklebende lag, innskudd alternerende gull og kobolt lag, etterbehandling med en gull capping lag for å sikre beskyttelse mot oksidasjon.
      Merk: vi brukte følgende antall lag og tykkelser: CR (4 NM)/au (16 NM)/[co (14 NM)/au (16 NM)] × 4/co (14 NM)/au (7 NM).
    4. Utføre optiske eller elektron mikroskopi (Figur 4A) for å verifisere prøve overflate forholdene, i tilfelle av homogenitet og lave defekter, Fortsett med målingen.

2. måling prosedyre

  1. Eksempel plassering
    Merk: som en illustrerende prøve, vil vi måle en DVD-rist dekket med magnetoplasmonic au/co/au film. På grunn av den periodiske korrugeringen av risten, kan SPPer bli opphisset på visse vinkler av forekomst basert på Wavefront bølgelengde.
    1. Monter prøven på prøve holderen ved hjelp av en liten dråpe sølv maling. La sølvet malingen tørke i 10 min.
    2. Sett inn et vende speil etter bilde planet for å muliggjøre virkelig plass avbildning av prøven. Sett inn en linse L1 med f = 125 mm slik at bilde planet er i fokus og plasser L2 med f = 250 mm ved 135 mm avstand fra L1.
    3. Til slutt sted en avgift-forente apparat (CCD) kameraet 210 mm fra L2 å fange en forstørret image av bildet plan. Flytt linser L1 og L2 til pinhole plassert i bildet flyet i godt fokus på CCD-kameraet.
    4. Beveg objektivlinsen mot prøven til prøven er i god fokus i CCD-kameraet.
  2. Optisk Reflektivitet måling
    1. Bruk det virkelige rom bildet av prøven til å plassere lyspunktet over en reflekterende (unpatterned) del av prøven. Vend vende speilet for å se BFP til mikroskopet.
      Merk: her, for DVD-rist, bruker vi den kontinuerlige metalliske filmen på kanten av DVD-platen.
    2. Velg arealet av den bakre fokalplanet som tilsvarer den ønskede polarisering staten. Forholdet mellom polarisering og posisjon i rygg fokalplanet er vist i Figur 3B. Velg et område av interesse (AOI) som en rektangulær tverrsnitt av objektive tilbake fokalplanet (blått rektangel i Figur 3C) langs aksen som tilsvarer TM-polarisering.
      Merk: i instrumentering programvaren som brukes i dette manuskriptet, dette oppnås ved å velge AOI ved hjelp av markøren velgere. Programvaren deretter gjennomsnitt intensiteten langs den korte dimensjonen av rektangelet og behandler det resulterende spekteret som en 1D matrise av data der hvert datapunkt tilsvarer en annen utslipps vinkel av prøven. I plasmonic rister, bare TM-polarisert lys, dvs. EM stråling med elektrisk felt vinkelrett på risten grooves, kan opphisse den Plasmon resonanser. Derfor, avhengig av risten orientering, er det nødvendig å velge riktig polarisering staten ved enten å velge en vertikal eller horisontal skive av BFP.
    3. Mål spekteret av lyskilden ved å klikke måle normalisering spektrum, som vil bli brukt senere for å normalisere de målte Reflektivitet data. Ettersom hver bølgelengde gir et 1D-sett med datapunkter, lagres hele spekteret av lyskilden som en 2D-tensor der hvert datapunkt representerer en kombinasjon av bølgelengde og vinkel.
    4. Bruke igjen den virkelige plass bildet av prøven, posisjon lyskilden over fotoniske krystall av interesse. Når du bytter tilbake til BFP, må du sørge for at Plasmon modusene er synlige som mørke linjer som krysser det bakre fokalplanet. Linjene flyttes etter hvert som bølgelengden til hendelses lyset endres.
    5. Bruke samme AOI og måleinnstillinger (dvs. eksponeringstider, antall gjennomsnitt), måle refleksjon spekteret av fotoniske krystall ved å klikke måle refleksjon spektrum.
    6. Å gjøre rede for Spectral variasjon i lys kilde intensitet, normalisere den oppnådde spekteret av spekteret av lyskilden. Dette vil gi en 2D rekke tall fra 0 til 1, der 1 tilsvarer fullt reflekterende og 0 til fullt absorberende forhold.
  3. Magneto-optisk måling
    1. Start magneto-optisk måling ved å måle en hysterese sløyfe ved hjelp av en vinkel og bølgelengde som er kjent for å tilsvare en god magneto-optisk respons, vanligvis disse forholdene kan bli funnet i nærheten av SPP excitations. For å gjøre det, Velg en liten AOI nær SPP excitations og måle en enkelt loop.
      Merk: dataanalysen som er nødvendig for å kvantifisere den Magneto aktiviteten, avhenger av hvilken type magnetisme som prøven viser. Her antar vi en ferromagnetisk respons og behandle resultatene tilsvarende. Dia-eller spinn respons er essensielt lineær til anvendt magnetfelt og kan kvantifisert som endring i optiske egenskaper per anvendt magnetfelt enhet. Ferromagnetisk materialer viser en ikke-lineær permittiviteten som krever ekstra hensyn ved definering av magneto-optisk respons (se Figur 3D). Den TMOKE er definert som endring i reflektert intensitet som funksjon av anvendt magnetfelt, det vil si Equation 2 , hvor jeg (M) er intensiteten reflekteres av prøven på magnetization tilstand M.
    2. Bruk hysterese løkken målt i 2.3.1., Velg rekkevidden av magnetfelt som skal gjentas. For ferromagnetisk prøver, loop feltene fra en fullstendig mettet tilstand til en oppositely mettet tilstand, utvide området komfortabelt over metning feltet. Senere, bruk punktene målt i mettet tilstand til å analysere og fjerne eventuelle dia-eller spinn bidrag som kan verifiseres av deres lineære bidrag.
    3. Til slutt, måle intensiteten reflekteres av prøven på hvert magnetfelt punkt definert, gjenta over flere løkker hvis ønskelig. Hver bølgelengde og magnetization punkt gir en enkel 1D-matrise med numeriske data (dvs. målt lys intensitet) der hvert punkt i matrisen tilsvarer en bestemt vinkel.

3. data analyse

  1. Ved hjelp av hysterese løkken i prøven målt i trinn 2.3.1, tilordner du hver ramme målt ved trinn 2.3.3. til en av de mettede statene eller til mellomliggende tilstand (Figur 3C).
  2. Forkast de mellomliggende rammene og Beregn den Magneto aktiviteten fra den målte intensiteten Equation 2 , der operasjonene utføres separat for hvert datapunkt med vinkel og bølgelengde.
    Merk: som TMOKE uttrykkes som en relativ intensitet endring, resultatene trenger ikke å bli normalisert til lampen spekteret.
  3. Hvis prøven presenterer store spinn (eller mer sjelden, diamagnetic) aktivitet som må trekkes for en pålitelig sammenligning mellom de mettede magnetiske tilstander, subtrahere den lineære bidraget som følge av para-eller diamagnetic aktivitet ved å montere en linje (igjen, pixelwise separat for hver vinkel og bølgelengde punkt) på punktene målt ved metning og fjerne den lineære bidraget.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4a viser et SKANNE elektronmikroskop (SEM) MIKROSKOP av en kommersiell DVD rist dekket med au/co/au flerlags som ble brukt en demonstrasjon prøve i våre eksperimenter. Den optiske og Magneto-optiske Spectra er vist i henholdsvis Figur 4B, C . Detaljer om prøvetaking fabrikasjon er presentert andre steder23. Svarte linjer i Figur 4A, B viser Plasmon sprednings relasjoner beregnet fra ligningen 1. Permittiviteten av au/co/au flerlags er Hentet fra tilleggs data fil 1 i Cichelero et al.24 der en lignende flerlags ble målt ved hjelp av spektroskopiske ellipsometry. Periodisitet av risten antas å være 740 NM. Den beregnede dispersjon linjer tilsvarer en iøynefallende dukkert i Reflektivitet i Figur 4a som resultater fra hendelsen stråling blir omdannet til SPPer og utsvevende via ohmsk demping.

Forholdet mellom piksel posisjonene i det bakre fokalplanet (Figur 3C) og utslipps vinkelen kan etableres som følger: den maksimale vinkelen θMax hvor målet kan akseptere lys er gitt ved formel og avhenger av den numeriske blenderåpningen na = 0,8 og brytningsindeks av det omkringliggende mediet (luft, n = 1). Dette er den vinkelen som tilsvarer det ekstreme av det opplyste området av Fourier-flyet. Pikslene mellom dem kan tildeles et tall i en lineær måte fra-na til +na som reflekterer den numeriske blenderåpningen på sin posisjon og deres tilsvarende vinkel blir deretter gitt av den inverse sinus til dette nummeret (dividert med n om nødvendig).

Figur 4C skildrer den Magneto-optiske spekteret av plasmonic rist. Her er Plasmon linjer ledsaget av en økning i Magneto-optiske aktivitet som brått reverserer på SPP. Linjen formen kan forklares med det faktum at magnetization litt endrer SPP eksitasjon forhold, og dermed resulterer i to forskjellige SPPer for motsatte magnetization tilstander. Når reflectivities av de to litt fordrevne statene er trukket fra hverandre, en karakteristisk avledet linje form oppnås15,16,17. Den Plasmon linewidths av Plasmon resonanser så vel som den resulterende Magneto-optiske Spectra avhenge sterkt på materialet parametrene av metall flerlags25,26.

Vi registrerer at på grunn av geometrien av risten, er den magnetiske lett aksen orientert langs risten selv og svært store magnetiske felt er nødvendig for å mette den ut av dette flyet, av denne grunn LMOKE målingene er ikke gjennomførbart med denne spesielle prøven.

Figure 1
Figur 1: ulik geometri der Magneto-optiske effekter kan observeres.
Polar (A), langsgående (B) og tverrgående (C) Magneto-optiske Kerr-effekter er observert i refleksjon mens Faraday (D) og Voigt (E) effekter forekommer i overføring gjennom magnetisert medium. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: optisk oppsett.
(A) skjematisk fremstilling av lys forplantning i Fourier-Plane mikroskopisk oppsett. De distinkte kantete komponentene (avbildet med rød, svart og blå stråler) er romlig separert på baksiden fokalplanet. (B) skjematisk fremstilling av lys forplantning i det virkelige rommet mikroskop. Linser L1 og L2 danner et teleskop som bilder på bildet flyet til kameraet. Avstandene mellom komponentene på den optiske tabellen er uthevet under hvert oppsett. Røde tall angir at avstanden er kritisk for bilde dannelse. Avstander er i millimeter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Fourier Space mikroskop og målinger.
(A) komponenter i Fourier Space mikroskop. (B) skjematisk fremstilling av polarisering statene lyset fokusert på målet. Hendelse lineært (langs x-retning) polarisert lys gjøre inngrep på prøven som både TE-og TM-polarisert avhengig av den delen av målet der strålen kommer. (C) intensitet på det bakre fokalplanet i mikroskopet ved λ = 600 NM ved måling av DVD-risten. De svarte absorberende linjene indikerer SPP resonanser som også er synlige i Figur 4B, C. AOI kan velges som det blå rektangelet for å måle responsen på TM-polarisert lys eller rød for TE-polarisert. (D) skjematisk hysterese sløyfe av et ferromagnetisk materiale som demonstrerer den typiske ikke-lineære responsen på brukte magnetfelt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: målinger på et eksempel på en DVD-rist.
(A) SEM mikroskop av en kommersiell DVD rist dekket med au/co/au flerlags. Kantete løst Reflektivitet (B) og magneto-optisk aktivitet kart (C) av DVD rist med periodisitet av 740 NM. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har innført et målings oppsett og protokoll for å oppnå kantete løst Magneto-optiske Spectra av optiske krystaller. Spesielt tilfelle av ferromagnetisk materialer, som krever ytterligere dataanalyse for å gjøre rede for den ikke-lineær permeabilitet av materialet, har blitt lagt ut. Kantete løst Magneto-optiske spektroskopi presenterer en ekstra fordel over ikke-kantete løst metoder som de trange moduser kan bli lettere identifiseres som de vises som klart definerte band i både optiske og Magneto-optiske Spectra. Tilnærmingen vi viser her kan lett tilpasses ulike typer fotoniske krystaller og er ikke begrenset til overflaten Plasmon resonanser.

Mest vanlig modifikasjon av teknikken vil være dens tilpasning for å måle langsgående og/eller Polar Kerr effekter, som manifest som polarisering rotasjon i stedet for intensitet effekter. For å måle polarisering rotasjon, en ekstra polarisator må plasseres mellom strålen splitter og samleren objektivet å gjøre intensiteten oppdages på kameraet proporsjonal med polarisering rotasjon. Denne polarisator bør plasseres i en 45 ° vinkel med polarisering av lys hendelsen på prøven for å maksimere magneto-optisk signal27.

Vanlige fallgruver i målings teknikken inkluderer feil montering av prøven, slik at den kan bevege seg når et magnetfelt brukes. Dette kan forverres ved hjelp av magnetisk metall som jern i prøve holderen. Selv små mengder magnetiske metaller som små skruer kan resultere i bevegelser som maskere Magneto-optiske effekten helt. Et bevegelig sample resultater vanligvis i en "banan-lignende" feil hysterese loop. Derfor må riktig pleie tas i montering av prøven og sørge for at den er fast på plass før målinger. For å bekrefte riktig montering av prøven, anbefales det å måle hysterese løkker ved hjelp av en bølgelengde/vinkel kombinasjon som er kjent for å resultere i godt signal og for å bekrefte at formen er som forventet, og at eventuelle gjenstander fra prøve bevegelse eller andre avvik ikke er til stede.

Som måling av hysterese loop krever looping over en rekke brukt magnetfelt, tar målingen litt tid. Hvis intensiteten på kilden ikke er stabil over tid, bør det magnetiske feltet være løkker raskt for å unngå strøm drift påvirker de målte hysterese løkkene. Vanligvis, kilde makt høyder drift flere langsomt enn en hysterese løkke kan målt, gjør den mulig å mål det TMOKE kontrasten aften under disse vilkårene. Hvis signalet er bråkete og mer snitt er nødvendig, kan det snitt realiseres ved å øke antall løkker målt i stedet for antall bilder på hvert magnetfelt punkt.

Denne teknikken er avhengig av å anvende magnetfeltet in situ. Mens ferromagnetisk materialer vanligvis opprettholde sin magnetization tilstand i fravær av anvendt magnetiske felt, på grunn av den lille omfanget av Magneto-optiske effekter, fjerne prøven for å manipulere magnetization resulterer i svikt på grunn av vanskeligheter med å sette inn prøven i nøyaktig samme posisjon som den var før magnetization reversering.

Metoden som vi har presentert her er avhengig av sensitiv deteksjon utstyr og stabile lyskilder. I standard Magneto-Optical Kerr massespektrometri i langsgående eller Polar Kerr konfigurasjon, en photoelastic modulator er ofte brukt til å forbedre signal-til-støy-forhold og å skille rotasjon og ellipticity komponenter fra hverandre27,28. Imidlertid er modulering frekvensen av en photoelastic modulator vanligvis mer enn 50 kHz som gjør det svært vanskelig å bruke med et mikroskop kamera. Derfor, for å oppnå best mulig signal-til-støy-forhold for en Fourier Space magneto-optisk mikroskop, er det nødvendig å investere i kameraer og lyskilder med god stabilitet.

I langsgående og polare Magneto-optiske målinger, intensiteten av lys hendelsen på kameraet er sterkt redusert på grunn av krysset polarisator plassert før det, noe som setter ytterligere krav på kameraet utstyr som trengs for å oppdage mye svakere Signal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi erkjenner økonomisk støtte av den spanske Ministerio de Economía y Competitividad gjennom prosjekter MAT2017-85232-R (AEI/FEDER, UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) og av Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), av CNPq-Brasil, og av den europeiske kommisjons (Marie Skłodowska-Curie IF vekt-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

  1. Bayer, M., et al. Optical Modes in Photonic Molecules. Physical Review Letters. 81 (12), 2582-2585 (1998).
  2. Blanco, A., et al. Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres. Nature. 405 (6785), 437 (2000).
  3. Rybin, M. V., et al. High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators. Physical Review Letters. 119 (24), 243901 (2017).
  4. Joannopoulos, J. D., Villeneuve, P. R., Fan, S. Photonic crystals. Solid State Communications. 102 (2), 165-173 (1997).
  5. Englund, D., Fushman, I., Vuckovic, J. General recipe for designing photonic crystal cavities. Optics Express. 13 (16), 5961-5975 (2005).
  6. Yablonovitch, E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters. 58 (20), 2059-2062 (1987).
  7. Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures. JOSA B. 10 (2), 283-295 (1993).
  8. Noda, S., Tomoda, K., Yamamoto, N., Chutinan, A. Full Three-Dimensional Photonic Bandgap Crystals at Near-Infrared Wavelengths. Science. 289 (5479), 604-606 (2000).
  9. John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Physical Review Letters. 58 (23), 2486-2489 (1987).
  10. Krauss, T. F. Slow light in photonic crystal waveguides. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (9), 2666-2670 (2007).
  11. Huang, X., Lai, Y., Hang, Z. H., Zheng, H., Chan, C. T. Dirac cones induced by accidental degeneracy in photonic crystals and zero-refractive-index materials. Nature Materials. 10 (8), 582-586 (2011).
  12. Wagner, R., Heerklotz, L., Kortenbruck, N., Cichos, F. Back focal plane imaging spectroscopy of photonic crystals. Applied Physics Letters. 101 (8), 081904 (2012).
  13. Zhang, D., et al. Back focal plane imaging of directional emission from dye molecules coupled to one-dimensional photonic crystals. Nanotechnology. 25 (14), 145202 (2014).
  14. Vasista, A. B., Sharma, D. K., Kumar, G. V. P. Fourier Plane Optical Microscopy and Spectroscopy. Digital Encyclopedia of Applied Physics. , 1-14 (2019).
  15. Belotelov, V. I., Doskolovich, L. L., Zvezdin, A. K. Extraordinary Magneto-Optical Effects and Transmission through Metal-Dielectric Plasmonic Systems. Physical Review Letters. 98 (7), 077401 (2007).
  16. Belotelov, V. I., et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology. 6 (6), 370 (2011).
  17. Chetvertukhin, A. V., et al. Magneto-optical Kerr effect enhancement at the Wood's anomaly in magnetoplasmonic crystals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 324 (21), 3516-3518 (2012).
  18. Kataja, M., et al. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays. Nature Communications. 6, 7072 (2015).
  19. Kataja, M., et al. Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity. Optics Express. 24 (4), 3652-3662 (2016).
  20. Kalish, A. N., et al. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response. Optica. 5 (5), 617-623 (2018).
  21. Borovkova, O. V., et al. TMOKE as efficient tool for the magneto-optic analysis of ultra-thin magnetic films. Applied Physics Letters. 112 (6), 063101 (2018).
  22. Kurvits, J. A., Jiang, M., Zia, R. Comparative analysis of imaging configurations and objectives for Fourier microscopy. JOSA A. 32 (11), 2082-2092 (2015).
  23. Cichelero, R., Oskuei, M. A., Kataja, M., Hamidi, S. M., Herranz, G. Unexpected large transverse magneto-optic Kerr effect at quasi-normal incidence in magnetoplasmonic crystals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 476, 54-58 (2019).
  24. Cichelero, R., Kataja, M., Campoy-Quiles, M., Herranz, G. Non-reciprocal diffraction in magnetoplasmonic gratings. Optics Express. 26 (26), 34842-34852 (2018).
  25. Melo, L. G. C., Santos, A. D., Alvarez-Prado, L. M., Souche, Y. Optimization of the TMOKE response using the ATR configuration. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310 (2, Part 3), e947-e949 (2007).
  26. Regatos, D., Sepúlveda, B., Fariña, D., Carrascosa, L. G., Lechuga, L. M. Suitable combination of noble/ferromagnetic metal multilayers for enhanced magneto-plasmonic biosensing. Optics Express. 19 (9), 8336-8346 (2011).
  27. Polisetty, S., et al. Optimization of magneto-optical Kerr setup: Analyzing experimental assemblies using Jones matrix formalism. Review of Scientific Instruments. 79 (5), 055107 (2008).
  28. Sato, K. Measurement of Magneto-Optical Kerr Effect Using Piezo-Birefringent Modulator. Japanese Journal of Applied Physics. 20 (12), 2403 (1981).

Tags

Engineering fotoniske krystaller Magneto-optikk plasmonics tilbake fokalplanet måling spektroskopi magnetoplasmonics
Spectral og Angle-løst Magneto-Optical karakterisering av fotoniske nanostrukturer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kataja, M., Cichelero, R., Herranz,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter