Spectrale en hoek-opgeloste Magneto-optische karakterisatie van fotonische nanostructuren

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

De Photonic bandstructuur maakt het mogelijk om te begrijpen hoe beperkt elektromagnetische modi zich verspreiden in een fotonisch kristal. In fotonische kristallen die magnetische elementen bevatten, gaan dergelijke beperkte en resonerende optische modi gepaard met een verbeterde en gewijzigde Magneto-optische activiteit. We beschrijven een meetprocedure om de Magneto-optische bandstructuur uit te pakken door Fourier-ruimte microscopie.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Photonic Crystals zijn periodieke nanostructuren die een verscheidenheid aan beperkte elektromagnetische modi kunnen ondersteunen. Dergelijke beperkte modi worden meestal begeleid door lokale verhoging van de elektrische veld intensiteit die licht-materie interacties versterkt, waardoor toepassingen zoals oppervlakte versterkte Raman verstrooiing (SERS) en oppervlak Plasmon verbeterde sensing. In aanwezigheid van Magneto-optisch actieve materialen, de lokale veld vergroting geeft aanleiding tot afwijkende Magneto-optische activiteit. De beperkte modi van een bepaald fotonisch kristal zijn meestal sterk afhankelijk van de golflengte en de incidentie van de elektromagnetische straling van het incident. Zo zijn spectrale en hoekig opgeloste metingen nodig om ze volledig te identificeren en om hun relatie met de Magneto-optische activiteit van het kristal vast te stellen. In dit artikel beschrijven we hoe u een Fourier-Plane (terug focal plane) Microscoop gebruikt om Magneto-optisch actieve monsters te karakteriseren. Als modelsysteem gebruiken we hier een plasmonic rooster dat is opgebouwd uit Magneto-optisch actieve au/co/au meerlaagse. In de experimenten hanteren we een magnetisch veld op het rooster in situ en meten we de wederzijdse ruimte respons, waarbij de Magneto-optische respons van het rooster wordt verkregen over een reeks golflengten en incident hoeken. Deze informatie stelt ons in staat om een volledige kaart van de plasmonic bandstructuur van de roosters en de hoek en golflengte afhankelijke Magneto-optische activiteit te bouwen. Deze twee beelden stellen ons in staat om het effect te lokaliseren dat de Plasmon resonanties hebben op de Magneto-optische respons van het rooster. De relatief kleine magnitude van Magneto-optische effecten vereist een zorgvuldige behandeling van de verworven optische signalen. Hiertoe wordt een beeldverwerkings protocol aangelegd voor het verkrijgen van Magneto-optische respons van de verkregen onbewerkte gegevens.

Introduction

Beperkte elektromagnetische modi in fotonische kristallen kunnen voortvloeien uit een verscheidenheid van verschillende oorsprong, zoals Plasmon resonanties rond metaal/diëlektrische interfaces of Mie resonanties in hoge brekingsindex diëlektrische nanostructuren1,2,3, en kan worden ontworpen om te verschijnen op specifiek gedefinieerde frequenties4,5. Hun aanwezigheid geeft aanleiding tot vele fascinerende verschijnselen zoals fotonische band gaps6,7,8, sterke foton lokalisatie9, Slow Light10 en Dirac Cones11. Fourier-vlak microscopie en spectroscopie zijn basisinstrumenten voor de karakterisering van fotonische nanostructuren, omdat ze veel essentiële eigenschappen van besloten modi kunnen vastleggen. In Fourier-ruimte microscopie, in tegenstelling tot conventionele Real-Plane Imaging, wordt de informatie gepresenteerd als de functie van hoekige coördinaten12,13. Het is ook bekend als back focal plane (BFP) Imaging omdat de hoek ontleding van het licht dat uit het monster uitgaat, wordt opgenomen uit het achterste focale vlak van de Microscoop doelstelling. Het hoekige spectrum, d.w.z. het verre veld-emissie patroon van het monster, is gerelateerd aan het momentum van licht dat daaruit voortkomt (ħk). In het bijzonder vertegenwoordigt het zijn in-plane momentum (kx, ky) distributie14.

In Magneto-optisch actieve monsters is aangetoond dat de aanwezigheid van beperkte fotonische excitaties leidt tot een aanzienlijke verbetering van de Magneto-optische respons15,16,17,18,19. Magneto-optische effecten zijn afhankelijk van de onderlinge geometrie van het magnetische veld en het incident elektromagnetische straling. Meestal worden Magneto-optische geometrieën aangetroffen voor lineair gepolariseerd licht en hun nomenclatuur worden afgebeeld in Figuur 1. Hier demonstreren we een Setup die kan worden gebruikt om twee Magneto-optische effecten te verkennen die worden waargenomen in reflectie: dwarse en longitudinale Magneto-optische Kerr-effecten, respectievelijk afgekort als TMOKE en LMOKE. TMOKE is een intensiteits effect, waarbij de reflectiviteiten van de tegengestelde magnetisatie toestanden verschillend zijn, terwijl LMOKE zich manifesteert als een rotatie van de gereflecteerde lichtpolarisatie-as. De effecten worden onderscheiden door de oriëntatie van de magnetisatie met betrekking tot de lichtinval, waar voor LMOKE, de magnetisatie is georiënteerd evenwijdig aan de in het vliegtuig component van de Golf vector van het licht, terwijl voor TMOKE het dwars naar het. Voor normaal incident licht zijn zowel in-plane componenten van de impuls van het licht Null (kx = ky = 0) en, bijgevolg, beide effecten zijn nul. Configuraties waarbij beide effecten aanwezig zijn, kunnen gemakkelijk worden bedacht. Om de gegevensanalyse te vereenvoudigen, beperken we ons in deze demonstratie echter tot situaties waarin slechts één van de gevolgen aanwezig is, namelijk TMOKE.

Verschillende optische configuraties kunnen worden gebruikt voor het meten van de hoekige verdeling van licht uitgezonden door magnetophotonic kristallen. Bijvoorbeeld, in Kalish et al.20 en Borovkova et al.21, werd een dergelijke Setup met succes gebruikt in transmissie geometrie om Plasmon invloed op Magneto-optische verschijnselen te onthullen. Als illustratie, in Kurvits et al.22, worden enkele mogelijke configuraties gepresenteerd voor een microscoop die een Infinity-gecorrigeerde objectief lens gebruikt. In onze configuratie, afgebeeld in Figuur 2A, gebruiken we een Infinity gecorrigeerde lens waarbij het licht dat van een bepaald punt in het monster komt, door de objectief lens in collineaire stralen wordt geleid. In Figuur 2Aworden balken die uit de bovenkant (onderbroken lijnen) en de bodem (ononderbroken lijnen) van het monster komen schematisch afgebeeld. Vervolgens wordt een verzamel lens gebruikt om deze balken opnieuw te richten om een afbeelding te vormen op het afbeeldings vlak (IP). Een tweede lens, ook bekend als Bertrand lens, wordt vervolgens geplaatst na het beeldvlak om het binnenkomende licht op het brandvlak te scheiden in hoekige componenten, afgebeeld in Figuur 2A in rood, blauw en zwart. Vanuit dit rugbrandpuntvlak kan de hoekige verdeling van het door het monster uitgestraalde licht worden gemeten met een camera. Effectief voert de lens Bertrand een Fourier-transformatie uit op de lichtstraal die er aankomt. De verdeling van de ruimtelijke intensiteit op de BFP komt overeen met de hoekige verdeling van de incident straling. Een volledig wederkerige ruimte reflectie kaart van het monster kan worden vastgesteld door het monster te verlichten met hetzelfde doel als dat wordt gebruikt om de respons van het monster te verzamelen. De inkomende en uitgaande balken worden gescheiden door middel van een straal splitter. De volledige installatie is afgebeeld in Figuur 3A. Om een spectrum te verkrijgen, is een instelbare lichtbron of een Monochromator nodig. De meting kan vervolgens worden herhaald over verschillende golflengten, in gedachten houden dat als gevolg van het spectrum van standaard lichtbronnen, de resultaten moeten worden genormaliseerd naar de reflectiviteit van een controlemonster. Voor dit doel kan men een spiegel of een deel van het monster gebruiken dat opzettelijk zonder patroon is achtergelaten om een hoge reflectie mogelijk te maken. Om te helpen bij de positionering, laten we zien hoe de Setup te integreren met een extra optisch systeem dat Real-Space beeldvorming van het monster mogelijk maakt, getoond in afbeelding 2B.

We gaan nu een methode vaststellen voor het meten van het hoekige, opgeloste Magneto-optische spectrum van een fotonisch kristal, gebruikmakend van een representatief monster, een DVD-rooster bedekt met een au/co/au-film waarbij de aanwezigheid van ferromagnetisch kobalt aanleiding geeft tot aanzienlijke Magneto-optische activiteit23. De periodieke golving van de DVD-roosters maakt oppervlakte Plasmon polariton (SPP) resonanties bij verschillende golflengte-hoek combinaties die worden gegeven door
Equation 1
waar n de brekingsindex van de omringende omgeving is, k0 de Golf vector van licht in vrije ruimte, θ0 de incidentie hoek, d de frequentie van het rooster en m is een geheel getal dat de volgorde van het spp aangeeft. De SPP Wave vector wordt gegeven door Equation 2 waar ε1 en ε2 de permittiviteiten van de metallische laag en de omringende diëlektrische omgeving zijn. Door de dikte van de goud/kobalt meerlaagse film kunnen we ervan uitgaan dat Spp's alleen enthousiast zijn bovenop de meerlaagse film.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. montage van de installatie

  1. Optica
    Opmerking: bouw de Setup zoals afgebeeld in afbeelding 3A op een optische tabel met voldoende vibratie isolatie. Om sferische en andere aberraties te voorkomen, centreren alle optische componenten (lenzen, pinholes etc.) met betrekking tot de straal. De optische opstelling wordt weergegeven in Figuur 2 met de afstanden tussen de aangegeven componenten.
    1. Leid het licht van de witte lichtbron naar een Monochromator om een monochromatische lichtstraal te verkrijgen. Zie de tabel met materialen voor meer informatie over de instellingen die in dit werk worden gebruikt. Stel de Monochromator in op een golflengte met een goede intensiteit en zichtbaarheid, bijvoorbeeld 550 nm. Een golflengte van het zichtbare deel van het spectrum maakt het gemakkelijker om de optische elementen te positioneren.
    2. Met behulp van een koppelings lens, koppel het licht aan een vezel en collimate het met een doelstelling bij de vezel beëindiging. Afhankelijk van de gebruikte lichtbron kan deze stap weggelaten worden.
    3. Plaats een polarisator 250 mm van de botsende lens om de bundel lineair te polariseren en plaats een bundel splitter 100 mm van de polarisator om het licht naar de objectief lens van de Microscoop te leiden.
      Opmerking: vanwege de collimated Beam hebben de aangegeven posities van de bovengenoemde componenten geen invloed op de optiek van de meetopstelling en worden ze alleen voor begeleiding gegeven.
    4. Plaats het monster op de monsterhouder uitgerust met een x-y-z-Vertaal fase en een rotatie fase waarmee een sample rotatie van 360 graden rond de z-as mogelijk is, d.w.z. de as van het licht die op het monster wordt bewogen.
    5. Monteer de objectief lens op een Vertaal podium dat beweging in drie richtingen mogelijk maakt. De meest cruciale hiervan is de z-as die nodig is om zich op het monster te concentreren.
      Opmerking: de vereiste apparatuur voor de monster vertaling is afhankelijk van de gebruikte monsters. Grote, homogene monsters kunnen handmatig worden gepositioneerd terwijl monsters met een klein nuttig gebied meer zorgvuldige positionering vereisen, vooral bij het gebruik van een pinhole om het beeldgebied te beperken (stap 1.1.7.). De optiek van de straal die uit het monster komt wordt schematisch afgebeeld in figuur 2. De door oneindigheid gecorrigeerde objectief lens stuurt Golf fronten die van elk punt van het monster komen naar collineaire stralen.
    6. Plaats een collectorlens met f = 200 mm (buis lens), 330 mm van de doelstelling om de stralen opnieuw te richten om een afbeelding te vormen op het vlak van de afbeelding. Vanwege de collineaire vermeerdering van het licht dat uit het monster komt, kan de collectorlens op elke afstand van de objectief lens worden geplaatst.
      Opmerking: zoals eerder is het licht dat uit de objectief lens komt, collimated. Echter, de buis lens moet worden geplaatst na de Beam splitter.
    7. Plaats een pinhole in het beeldvlak op 200 mm van de collectorlens om het afbeeldingsgebied te beperken tot het patroongebied. Plaats het pingat in het midden van de straal. Als u een pinhole gebruikt, gebruik dan het echte ruimte beeld van het monster om het te positioneren. Voor monsters waarbij het patroongebied groter is dan het door de lichtstraal verlichte gebied, is dit niet nodig.
    8. Plaats een tweede lens met f = 75 mm (lens Bertrand), 120 mm na het afbeeldings vlak om een Fourier-transformatie van de hoekelementen van de afbeelding te maken. De transformatie wordt gemaakt in de focus van de tweede lens en wordt afgebeeld met een wetenschappelijke sCMOS-camera die 75 mm van de lens van Bertrand wordt geplaatst.
    9. Voor LMOKE-metingen plaatst u een extra polarisator met een hoek ten opzichte van de eerste polarisator tussen de straal verdeler en de collectorlens.
  2. Magneet
    1. Sluit de magneet aan op een voeding en Monteer deze zodat het magnetische veld op het monster kan worden aangebracht. Kies of het magnetische veld in de longitudinale, transversale of polaire richting wordt aangebracht (Figuur 1).
  3. Monstervoorbereiding
    1. Mechanisch ontmantelen van een commerciële DVD-schijf; vervolgens kan het zichtbare roosteroppervlak gemakkelijk worden geïdentificeerd vanwege de diffractieve proprieties. Gebruik een plakband om de vorige coatings te schillen. Reinig het oppervlak, week het in ethanol gedurende 10 minuten. Het rooster is nu klaar om een Magneto-plasmonische coating te krijgen.
      Opmerking: voor verschillende commerciële optische schijven als Blu-Ray en cd's is mogelijk een ander voorbereidings protocol nodig.
    2. Stort de metalen folie op het blootgestelde rooster door verdamping van de elektronenstraal. Gebruik de verdampingssnelheden kleiner dan 5 Å/s om een lage ruwheid te garanderen.
    3. Beginnend met een 4 nm CR zelfklevende laag, stort afwisselend goud en kobalt lagen, eindigend met een gouden capping laag om bescherming tegen oxidatie te garanderen.
      NB: we gebruikten het volgende aantal lagen en diktes: CR (4 nm)/au (16 nm)/[Co (14 nm)/au (16 nm)] × 4/Co (14 nm)/au (7 nm).
    4. Voer optische of elektronenmicroscopie uit (Figuur 4A) om de oppervlakte omstandigheden van het monster te controleren, in geval van homogeniteit en geringe defecten doorgaan met de meting.

2. meetprocedure

  1. Sample positionering
    Opmerking: als illustratief voorbeeld zullen we een DVD-rooster meten dat bedekt is met magnetoplasmonic au/co/au-film. Vanwege de periodieke golving van de roosters, kunnen Spp's worden opgewonden bij bepaalde invalshoeken op basis van de Golf front golflengte.
    1. Monteer het monster op de monsterhouder met behulp van een kleine druppel zilverkleurige verf. Laat de zilverkleurige verf 10 min drogen.
    2. Voeg een flip mirror in na het afbeeldings vlak om real Space Imaging van het voorbeeld mogelijk te maken. Plaats een objectief L1 met f = 125 mm zodat het beeldvlak scherp is en plaats L2 met f = 250 mm op 135 mm afstand van L1.
    3. Plaats ten slotte een CCD-camera (Charge-gekoppelde apparaat) 210 mm van L2 om een vergrote afbeelding van het beeldvlak vast te leggen. Verplaats de lenzen L1 en L2 tot het pinhole in het beeldvlak in goede focus op de CCD-camera wordt geplaatst.
    4. Verplaats de objectief lens naar het monster totdat het monster zich in goede focus bevindt in de CCD-camera.
  2. Meting van optische reflectiviteit
    1. Gebruik het echte ruimte beeld van het monster en plaats de lichtvlek op een reflecterend (ongedessineerd) deel van het monster. Draai de Flip mirror om de BFP van de Microscoop te zien.
      Opmerking: hier gebruiken we voor de DVD-roosters de continue metallic film aan de rand van de DVD-schijf.
    2. Selecteer het gebied van het achterste brandvlak dat overeenkomt met de gewenste polarisatie toestand. De relatie tussen polarisatie en positie in het achterste brandvlak wordt weergegeven in Figuur 3B. Selecteer een Area of Interest (AOI) als een rechthoekige dwarsdoorsnede van het objectief rugbrandvlak (blauwe rechthoek in Figuur 3C) langs de as die overeenkomt met TM-polarisatie.
      Opmerking: in de instrumentatie software die in dit manuscript wordt gebruikt, wordt dit bereikt door het AOI te selecteren met behulp van de cursor selectors. De software berekent vervolgens de intensiteiten langs de korte dimensie van de rechthoek en behandelt het resulterende spectrum als een 1D-array van gegevens waarbij elk gegevenspunt overeenkomt met een andere emissie hoek van het monster. In plasmonic roosters kan alleen TM-gepolariseerd licht, d.w.z. EM straling met elektrisch veld loodrecht op de rooster groeven, de Plasmon resonanties prikkelen. Afhankelijk van de rooster oriëntatie is het dus noodzakelijk om de juiste polarisatie toestand te selecteren door een verticaal of horizontaal segment van de BFP te kiezen.
    3. Meet het spectrum van de lichtbron door te klikken op meet normalisatie spectrum, dat later zal worden gebruikt om de gemeten reflectiviteits gegevens te normaliseren. Aangezien elke golflengte een 1D-set met gegevenspunten oplevert, wordt het volledige spectrum van de lichtbron opgeslagen als een 2D-tensor, waarbij elk gegevenspunt een combinatie van golflengte en hoek vertegenwoordigt.
    4. Gebruik opnieuw het echte ruimte beeld van het monster, Positioneer de lichtbron over het Photonic Crystal van belang. Wanneer u terugschakelt naar BFP, zorg er dan voor dat de Plasmon-modi zichtbaar zijn als donkere lijnen die het focal vlak van de rug overschrijden. De lijnen bewegen als de golflengte van het incident licht wordt gewijzigd.
    5. Gebruik dezelfde AOI-en meetinstellingen (d.w.z. belichtingstijden, aantal gemiddelden) om het reflectie spectrum van het Photonic Crystal te meten door te klikken op meting reflectie spectrum.
    6. Om rekening te kunnen maken met de spectrale variatie in lichtbron intensiteit normaliseert u het verkregen spectrum door het spectrum van de lichtbron. Dit zal een 2D-array van getallen opleveren van 0 tot 1, waarbij 1 correspondeert met volledig reflecterende en 0 tot volledig absorptieve condities.
  3. Magneto-optische meting
    1. Start de Magneto-optische meting door het meten van een hysterese-lus met behulp van een hoek en golflengte waarvan bekend is dat ze overeenkomen met een goede Magneto-optische respons, meestal kunnen deze voorwaarden dicht bij de spp-excitaties worden gevonden. Om dat te doen, kies een klein AOI in de buurt van de SPP excaties en meet een enkele lus.
      Opmerking: de gegevensanalyse die nodig is om de Magneto-optische activiteit te kwantificeren, is afhankelijk van het type magnetisme dat het monster vertoont. Hier nemen we een Ferromagnetische respons op en behandelen we de resultaten dienovereenkomstig. Dia-of paramagnetische respons is in wezen lineair voor toegepast magnetisch veld en kan worden gekwantificeerd als verandering in optische eigenschappen per toegepaste magnetische veld eenheid. Ferromagnetische materialen vertonen een niet-lineaire permittiviteit die extra aandacht vereist bij het definiëren van de Magneto-optische respons (Zie Figuur 3D). De TMOKE wordt gedefinieerd als een verandering in de gereflecteerde intensiteit als de functie van toegepast magnetisch Equation 2 veld, d.w.z., waar i (M) de intensiteit is die wordt weerspiegeld door het monster bij magnetisatie toestand M.
    2. Gebruik de hysterese-lus, gemeten in 2.3.1., kies het bereik van de magnetische velden om te herhalen. Voor Ferromagnetische monsters, loop de velden van een volledig verzadigde toestand naar een tegengesteld verzadigde toestand, strek het bereik comfortabel over het verzadiging veld. Gebruik later de punten die in de verzadigde toestand zijn gemeten om eventuele dia-of paramagnetische bijdragen te analyseren en te verwijderen die kunnen worden geverifieerd door hun lineaire bijdrage.
    3. Meet ten slotte de intensiteit die wordt weerspiegeld door het monster op elk magnetisch veld punt dat is gedefinieerd en indien gewenst herhaald over meerdere lussen. Elke golflengte en magnetisatie punt opleveren één 1D-array van numerieke gegevens (d.w.z. gemeten lichtintensiteit) waarbij elk punt van de array correspondeert met een bepaalde hoek.

3. gegevensanalyse

  1. Gebruik de hysterese-lus van het monster, gemeten bij stap 2.3.1, om elk frame te wijzen dat bij stap 2.3.3 wordt gemeten. aan een van de verzadigde toestanden of aan de tussenliggende toestand (Figuur 3C).
  2. Gooi de tussenliggende frames weg en bereken de Magneto-optische activiteit van de gemeten intensiteiten door Equation 2 , waarbij de bewerkingen afzonderlijk voor elk hoek-en golflengte gegevenspunt worden uitgevoerd.
    Opmerking: aangezien TMOKE wordt uitgedrukt als een relatieve intensiteits verandering, hoeven de resultaten niet te worden genormaliseerd naar het lamp spectrum.
  3. Als het monster grote paramagnetische (of meer zelden, diamagnetische) activiteit presenteert die moet worden afgetrokken voor een betrouwbare vergelijking tussen de verzadigde magnetische toestanden, trekt u de lineaire bijdrage die voortvloeit uit de para-of diamagnetische activiteit af door een lijn (opnieuw, pixelwise afzonderlijk voor elke hoek en golflengte punt) op de punten gemeten bij verzadiging en verwijder de lineaire bijdrage.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 4a toont een scanning elektronen microscoop (SEM) micro graaf van een commerciële dvd roosters bedekt met au/co/au meerlaagse die een demonstratie sample in onze experimenten werd gebruikt. De optische en Magneto-optische spectra worden weergegeven in Figuur 4B, C respectievelijk. Gegevens over de fabricage van monsters worden elders23gepresenteerd. Zwarte lijnen in Figuur 4A, B Toon de dispersie verhoudingen van Plasmon berekend op basis van vergelijking 1. De permittiviteit van de au/co/au meerlaagse is afkomstig van aanvullende gegevensbestand 1 in Cichelero et al.24 waar een vergelijkbare meerlaagse werd gemeten met behulp van spectroscopische ellipsometry. De periodefrequentie van het rooster wordt verondersteld 740 nm te zijn. De berekende dispersie lijnen komen overeen met een opvallende dip in reflectiviteit in Figuur 4a die het gevolg is van de incident straling die wordt omgezet in spp's en wordt afgevoerd via a ohms demping.

De relatie tussen de pixel posities in het achterste brandvlak (Figuur 3C) en de hoek van de emissie kan als volgt worden vastgesteld: de maximale hoek θMax waarbij het doel licht kan accepteren, wordt gegeven met een formule en is afhankelijk van het numerieke diafragma na = 0,8 en de brekingsindex van het omringende medium (lucht, n = 1). Dit is de hoek die overeenkomt met de uitersten van het verlichte gebied van het Fourier-vlak. De pixels tussen hen kunnen een getal op een lineaire manier worden toegewezen van –na tot +na dat het numerieke diafragma op hun positie weerspiegelt en de corresponderende hoek wordt dan gegeven door de inverse sinus van dit getal (gedeeld door n indien nodig).

Figuur 4C toont het magneto-optische spectrum van het plasmonische rooster. Hier gaan de Plasmon-lijnen gepaard met een toename van Magneto-optische activiteit die abrupt terugkeert naar het SPP. De lijn vorm kan worden verklaard door het feit dat de magnetisatie lichtjes de SPP excitatie condities verandert, wat resulteert in twee verschillende Spp's voor tegengestelde magnetisatie toestanden. Wanneer de reflectiviteiten van de twee lichtjes ontheemde toestanden van elkaar worden afgetrokken, wordt een karakteristieke afgeleide lijn vorm verkregen van15,16,17. De Plasmon-linebreedten van de Plasmon-resonanties en de resulterende Magneto-optische Spectra zijn sterk afhankelijk van de materiaal parameters van de metalen meerlaagse25,26.

We merken op dat als gevolg van de geometrie van het rooster, de magnetische Easy Axis is georiënteerd langs het rooster zelf en zeer grote magnetische velden nodig zijn om het uit dit vlak te verzaderen, om deze reden zijn LMOKE-metingen niet haalbaar met dit specifieke monster.

Figure 1
Figuur 1: verschillende geometrieën waar Magneto-optische effecten kunnen worden waargenomen.
Polaire (a), longitudinale (B) en dwarse (C) Magneto-optische Kerr-effecten worden waargenomen in reflectie terwijl Faraday (D) en Voigt (E) effecten optreden bij transmissie via gemagnetiseerd medium. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Afbeelding 2: optische instelling.
A) Schematische weergave van de licht vermeerdering in het Fourier-vlak microscopische opstelling. De verschillende hoekige componenten (afgebeeld met rode, zwarte en blauwe stralen) zijn ruimtelijk gescheiden op het achterste brandvlak. B) Schematische weergave van de licht vermeerdering in de reële ruimte Microscoop. Lenzen L1 en L2 vormen een telescoop die beelden op het beeldvlak naar de camera. De afstanden tussen de componenten op de optische tabel worden onder elke instelling gemarkeerd. Rode cijfers geven aan dat de afstand cruciaal is voorbeeld vorming. Afstanden zijn in millimeters. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Fourier-ruimte Microscoop en metingen.
A) componenten van de Fourier-ruimte Microscoop. B) Schematische weergave van de polarisatie toestanden van het licht gericht op het doel. Incident lineair (langs x-richting) gepolariseerd licht tegelijk op het monster als zowel te-als TM-gepolariseerd, afhankelijk van het deel van het doel waar de straal vandaan komt. C) de intensiteit op het achterste brandvlak van de Microscoop bij λ = 600 Nm bij het meten van de DVD-roosters. De zwarte absorptieve lijnen geven SPP resonanties aan die ook zichtbaar zijn in Figuur 4B, C. AOI kan worden gekozen als de blauwe rechthoek om de respons op TM-gepolariseerd licht of rood te meten voor TE-gepolariseerde. D) Schematische hysterese-lus van een ferromagnetisch materiaal dat de typische niet-lineaire respons op toegepaste magnetische velden aantoont. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: metingen op een DVD-rakende sample.
A) SEM-micro grafiek van een commerciële dvd-roosters bedekt met au/co/au-meerlaagse. Hoek opgeloste reflectiviteit (B) en Magneto-optische activiteitsoverzicht (C) van de DVD-roosters met een frequentie van 740 nm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

We hebben een meetopstelling en protocol geïntroduceerd voor het verkrijgen van hoekige opgeloste Magneto-optische spectra van optische kristallen. Met name het geval van Ferromagnetische materialen, die aanvullende gegevensanalyse vereist om rekening te kunnen maken met de niet-lineaire permeabiliteit van het materiaal, is vastgesteld. Hoekige opgeloste Magneto-optische spectroscopie biedt een bijkomend voordeel ten opzichte van niet-hoekige opgeloste methoden dat de beperkte modi gemakkelijker kunnen worden geïdentificeerd omdat ze worden weergegeven als duidelijk gedefinieerde banden in zowel optische als Magneto-optische spectra. De aanpak die we hier laten zien kan gemakkelijk worden aangepast aan verschillende soorten fotonische kristallen en is niet beperkt tot oppervlakte Plasmon resonanties.

De meest voorkomende aanpassing aan de techniek zou zijn aanpassing aan het meten van longitudinale en/of Polar Kerr effecten, die manifesteren als polarisatie rotatie in plaats van intensiteit effecten. Om de polarisatie rotatie te meten, moet een extra polarisator tussen de straal splitter en de collectorlens worden geplaatst om de intensiteit die bij de camera wordt gedetecteerd evenredig te maken met polarisatie rotatie. Deze polarisator moet in een hoek van 45 ° worden geplaatst met de polarisatie van het licht incident op het monster om het magneto-optische signaal27te maximaliseren.

Veelvoorkomende valkuilen in de meettechniek zijn onder andere een foutieve montage van het monster, zodat het kan bewegen wanneer een magnetisch veld wordt aangebracht. Dit kan worden verergerd door het gebruik van magnetisch metaal zoals ijzer in de monsterhouder. Zelfs kleine hoeveelheden magnetische metalen zoals kleine schroeven kunnen resulteren in bewegingen die het magneto-optische effect volledig maskeren. Een bewegende sample resultaten typisch in een "banaan-achtige" onjuiste hysterese lus. Daarom moet de juiste verzorging worden genomen bij het monteren van het monster en ervoor zorgen dat het stevig op zijn plaats is voor metingen. Om de juiste montage van het monster te bevestigen, wordt het aanbevolen om hysterese-lussen te meten met behulp van een combinatie van golflengte/hoek waarvan bekend is dat deze resulteert in een goed signaal en om te bevestigen dat de vorm is zoals verwacht en dat er geen artefacten uit de monster beweging of andere aberraties aanwezig zijn.

Aangezien de meting van de hysterese-lus moet worden herhaald over een bereik van toegepast magnetisch veld, duurt de meting enige tijd. Als het intensiteitsniveau van de bron na verloop van tijd niet stabiel is, moet het magnetische veld snel worden herhaald om stroom drift te voorkomen die de gemeten hysterese-lussen beïnvloedt. Doorgaans, bron vermogensniveaus drift langzamer dan een hysterese lus kan worden gemeten, waardoor het mogelijk is om te meten van de tmoke contrast zelfs onder deze omstandigheden. Als het signaal luidruchtig is en er meer middeling nodig is, kan het gemiddelde worden gerealiseerd door het aantal lussen te verhogen in plaats van het aantal frames op elk magnetisch veld punt.

Deze techniek is gebaseerd op de toepassing van het magnetische veld in situ. Terwijl Ferromagnetische materialen hun magnetisatie toestand gewoonlijk behouden bij afwezigheid van toegepaste magnetische velden, vanwege de geringe magnitude van de Magneto-optische effecten, leidt het verwijderen van het monster voor het manipuleren van de magnetisatie tot een storing als gevolg van de moeilijkheid van het opnieuw inbrengen van het monster in exact dezelfde positie als vóór de magnetisatie omkering.

De methode die we hier hebben gepresenteerd, is afhankelijk van gevoelige Detectieapparatuur en stabiele lichtbronnen. In standaard Magneto-optische Kerr-spectrometrie in longitudinale of Polar Kerr-configuratie wordt een fotoelastische modulator vaak gebruikt om de signaal-ruis verhouding te verbeteren en om rotatie-en ellipticiteits componenten van elkaar te scheiden27,28. Echter, de modulatie frequentie van een photoelastic modulator is meestal meer dan 50 kHz waardoor het zeer moeilijk te gebruiken met een Microscoop camera. Daarom is het noodzakelijk om te investeren in camera's en lichtbronnen met een goede stabiliteit om de best mogelijke signaal-ruis verhouding te verkrijgen voor een Magneto-optische Microscoop in een Fourier-ruimte.

In longitudinale en polaire Magneto-optische metingen wordt de intensiteit van het licht incident op de camera sterk gereduceerd als gevolg van de gekruiste polarisator die voor hem is geplaatst, die extra eisen stelt aan de camera apparatuur die nodig is voor het opsporen van de veel zwakkere Signaal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Wij erkennen financiële steun van het Spaanse Ministerio de Economía y Competitividad via projecten MAT2017-85232-R (AEI/FEDER, UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) en door de Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), door CNPq-Brazilië, en door de Europese comission (Marie Skłodowska-Curie als nadruk-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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics