Theoretical and Experimental Study of Novel Integrated Non-Reciprocal Magnetoplasmonic Nanostructures.

Lukáš Halagačka

Disertační práce

Anotace:

Tato pr´ace je zamˇeˇrena na studium zes´ılen´ı transvers´an´ıho magnetooptik´eho Kerrova jevu pomoc´ı resonanˇcn´ıch m´od°u v jednodimenzion´aln´ı (1D) periodick´e mˇr´ıˇzce. Studovan´a struktura sest´av´a ze zlat´e mˇr´ıˇzky na dielektrick´em substr´atu tvoˇren´em magnetooptick´ym gran´atem. Dva z´akladn´ı typy resonanˇcn´ıch m´od° u, resonance ve vzduchov´e kavitˇe mˇr´ıˇzky a resonance povrchov´eho plasmonu na rozhran´ımezi zlatemamagnetooptick´ycmgran´atem, jsou studov´any samostatnˇe a posl´eze je analyzov´an vliv jejich interakce na optickou a magnetooptickou odezvu. Optick´a a magnetooptick´a odezva je studov´ana pomoci spekter spekul´arn´ı reflektivity pro p-polarizovanou vlnu. Magnetoplasmonick´a struktura byla teoreticky studov´ana prostˇrednictv´ım numerick´ych simulac´ı a posl´eze byl navrhnut a vyroben soubor vzork°u pro experiment´aln´ı optick´a a magnetooptick´a mˇeˇren´ı. Pro numerick´e simulace byl implementov´an algoritmus v´azan´ych vln (Rigorous CoupledWave Algorithm, RCWA) pro 1D periodick´e syst´emy, kter ´y byl paralelizov ´an pro spektr´aln´ı ´ ulohy. Experiment´aln´ı optick´a a magnetooptick´a data byla z´ısk´ana pomoc´ı spektroskopick´e elipsometrieMuellerov´ychmatic ve spektr´aln´ım rozsahu 0.73-6.42 eV (193 nm-1.7 μm). Elipsometrie Muellerov´ych matic byla rovnˇeˇz pouˇzita pro urˇcen´ı optick´ych funkc´ı pouˇzit ´ych materi´al ° u. Pro substr´at byl pouˇzit galium-gadoliniov´y gran´at dopovan´y pomoci Ca, Mg a Zr. Na substr´atu byla pˇripravena vrstvamagnetooptick´eho, Bi-substituovan´eho gadolinium - ˇzelezit ´eho gran´atu (Bi:GIG). V dalˇs´ımkroce bylo na vrstvumagnetooptick´eho gran´atu (Bi:GIG) na sGGG substr´atu aplikov´ano vnˇejˇs´ı magnetick´e pole v transvez´aln´ı a longitudin´aln´ımagnetooptick´e konfiguraci a byly urˇcenymagnetooptick´e funkce. Takto z´ıskan´emateri´alov´e parametry jsou pouˇzity v numerick´ych simulac´ıch. Podrobnou anal ´yzou je pˇredvedeno ovlivnˇen´ı interakcemezi plasmonov´ymm´odem a m´odem v kavitˇe mˇr´ıˇzky zmˇenou geometrick´ych parametr °u mˇr´ıˇzky. N´aslednˇe je analyzov´an vliv interakce na transvers´aln´ı magnetooptickou odezvu a je demonstrov ´an proces zes´ılen´ı, ztlumen´ı nebo dokonce zmˇeny znam´enka Kerrova transvers´aln´ıho magnetooptik´eho jevu aniˇz by byla zmˇenˇena magnetizace. Pro potvrzen´ı teoretick´ych v´ysledk°u byl navrhnut soubor vzork°u s rozd´ılnou ˇs´ıˇrkou vzduchov´emezery. Vzorky byly vyrobeny elektronovou litografi´ı a procesemliftoff. Pro vyroben´e vzorky byl vyvinut teoretick´y model, kter ´y byl n´aslednou numerickou optimalizac´ı fitov´an na experiment´aln´ı optick´a data, ˇc´ımˇz byl z´ısk´am model vˇernˇe popisuj´ıc´ı optickou aktivitu vyroben´ych struktur. Shoda numerick´ych dat, z´ıskan´ych pomoc´ı optimalizovan´ehomodelu, a zmˇeˇren´ych experiment´aln´ıch dat potvrdila dˇr´ıvˇeji z´ıskan´e teoretick´e poznatky o zes´ılen´ı transvers´aln´ıho magnetooptick ´eho jevu pomoc´ı magnetoplasmonick´e struktury a jeho ovlivnˇen´ı vz´ajemnou interakc´ı resonanˇcn´ıch m´od° u.

Abstract:

This work studies the enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect by exploiting extraordinary resonances occurring in 1D periodic grating. The 1D periodic gold grating structure was designed, described, numerically simulated, and fabricated. A rigorous CoupledWave Algorithm (RCWA) developed for parallel computing is used for the theoretical study of resonant modes in magnetoplasmonic gratings and for analysis of optical and magneto-optical data measured by Mueller matrix ellipsometry. The impact of coupling between Fabry- Perot modes inside grating air-gaps and surface plasmon mode at the interface between gold and MO garnet layer is studied via spectra of specular reflectivity and for the various angles of incidence. In a first step, the optical functions of the (CaMgZr)-doped gallium-gadolinium garnet (sGGG) substrate and the Bisubstituted gadolinium iron garnet (Bi :GIG) are obtained in the spectral range from 0.73 eV to 6.42 eV (wavelength range 193 nm – 1.7 μm). Subsequently, the spectra of the magneto-optical tensor components are obtained by applying an external in-plane magnetic field in longitudinal and transverse geometry. The obtained functions are then used for numerical simulations demonstrating that by hybridization of surface and cavity resonances in this 1D plasmonic grating, the transverse Kerr effect can be further enhanced, extinguished or even switched in sign and that without inverting or modifying the film’s magnetization. To confirm theoretical results a set of samples, gratings with a different width of an air-gap, was fabricated using electron beam lithography and liftoff technique. To be able to reproduce Mueller matrix data from the samples, the models describing realistic structures were further developed and optimized. Experimental measurements of real structures confirm transverse MO effect enhancement using magnetoplasmonic effects and prove applicability of numerical models.

Klíčová slova

magnetooptika, optick´a isolace, tranvers´an´ı Kerr °uv jev, mˇr´ıˇzka, povrchov´y plasmon, magnetoplasmon, elipsometrie, RCWA

Keywords

magneto-optic, optical isolation, transverse Kerr effect, gratings, plasmonics, magnetoplasmonics, ellipsometry, RCWA

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 9. 2014

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 10. 11. 2014
• Vedoucí: Kamil Postava
• Oponent: Štefan Višňovský, Niels Keller, Jiří Čtyroký

VŠB - Technická univerzita Ostrava

Hornicko-geologická fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Aplikovaná fyzika