Регистрация / Вход
Прислать материал

Российско-корейские исследования магнитоплазмонных кристаллов

Российско-корейские исследования магнитоплазмонных кристаллов
Международное сотрудничество Спецпроект
Ученые из Петрозаводского государственного университета и Национального университета Чунгбук создают новые материалы для магнитооптических устройств

Что известно об исследованиях, которые поддерживает Минобрнауки России? Об одном таком международном проекте 4science рассказали в Петрозаводском государственном университете.  

Лаборатория физики интеллектуальных наноматериалов Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ) сотрудничает с одним из вузов Республики Корея — Национальным университетом Чунгбук. Совместный проект называется «Моделирование, синтез и исследование свойств наноструктурированных магнито-плазмонных кристаллов», он посвящен созданию и изучению свойств магнитоплазмонных материалов. Комплексное исследование российского и корейского университетов охватывает тему со всех сторон: от производства различных магнитоплазмонных кристаллов (МПК) до систематического изучения их структурных, магнитных и магнитооптических характеристик.

Управление светом с помощью магнитного поля, например, управление интенсивностью или поляризацией света, привлекает большое внимание. Эти возможности можно широко применять на практике: в оптических изоляторах, полосовых и заградительных фильтрах, оптической памяти. В частности, выросло число сообщений о значительном усилении магнитооптических свойств в некоторых магнитоплазмонных материалах. Особый интерес представляет создание МПК в инфракрасном диапазоне прозрачности атмосферы и в ближнем терагерцовом диапазоне, актуальном для биомедицинских применений.

С российской стороны проектом руководит профессор ПетрГУ Александр Гришин, всемирно известный эксперт в области магнитооптических фотонных кристаллов с рекордными функциональными характеристиками. Его междисциплинарные исследования охватывают синтез гетероэпитаксиальных сегнетоэлектрических и ферромагнитных тонких пленок и нановолокон из сложных оксидов, моделирование и характеризацию их функциональных свойств. С корейской стороны проектом руководит профессор национального университета Чунгбук (Chungbuk National University) Сеонг-Чо Ю (Seong-ChoYu), автор свыше 400 работ в области магнетизма.

Что такое магнитоплазмонные кристаллы

Понятие МПК тесно связано с понятиями фотонного кристалла (ФК) и магнитооптического фотонного кристалла (МОФК). В предельно простой формулировке ФК называется материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях либо в одном направлении с периодом, сравнимым с длиной волны. Благодаря такому периодическому изменению показателя преломления в ФК формируются так называемые разрешенные и запрещенные зоны для энергий фотонов (подобно зонам, разрешенным и запрещенным для энергий носителей заряда в полупроводниковых и диэлектрических материалах). Это означает, что если на фотонный кристалл падает фотон с энергией, соответствующей запрещенной зоне, то он не может распространяться в данном материале и отражается обратно, и наоборот. Таким образом, фотонный кристалл представляет собой определенный оптический фильтр.

Фотонные кристаллы встречаются в природе — это, например, природный опал или перламутровое покрытие раковин. Однако, с практической точки зрения наиболее интересны разработка и изготовление искусственных ФК для создания оптических устройств на их основе — световых фильтров, оптической памяти. На основе одномерного ФК можно создать узкополосный светофильтр с полосами пропускания и отражения, определяемыми строением кристалла. Особо интересной представляется задача построения ФК, оптическими свойствами которого можно управлять путем внешнего воздействия.

Основой магнитоплазмонных кристаллов является магнитооптический фотонный кристалл (МОФК) — структура в виде тонкопленочного интерферометра Фабри-Перо, построенного из многослойных монокристаллических гранатовых пленок. Магнитные и немагнитные слои с отличающимися по величине коэффициентами преломления чередуются друг с другом и имеют строго подобранную толщину в четверть длины волны света в соответствующем материале. Интерференция света в таком МОФК образует заградительный оптический фильтр с узким резонансным пиком пропускания света, если между двумя Брэгговскими зеркалами помещен полуволновой резонатор из магнитного материала. Использование магнитного материала, позволяющего управлять оптическими свойствами структуры с помощью магнитного поля, как раз таки и превращает фотонный кристалл в МОФК.

Структура магнитооптических фотонных кристаллов ПетрГУ

В качестве магнитного материала и для Брэгговских зеркал, и для полуволнового резонатора выбран железо-висмутовый гранат Bi3Fe5O12 (ЖВГ). ЖВГ прозрачен в видимой и ближней инфракрасной области и обладает рекордным по величине магнитооптическим эффектом Фарадея в видимой области оптического спектра. Магнитооптический эффект Фарадея заключается в том, что линейно-поляризованный свет, проходя через кристалл, испытывает поворот плоскости поляризации. Иными словами, плоскость колебаний вектора электрического поля в световой волне поворачивается на определенный угол, зависящий от толщины кристалла и величины магнитного поля. В намагниченном состоянии ЖВГ обеспечивает вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света (эффект Фарадея) с длиной волны 640 нм на величину 8 град/мкм и 7.3 град/мкм на длине волны 980 нм. Это означает, что при толщине слоя в один микрометр (одна миллионная доля метра) плоскость поляризации повернется на угол 8 градусов для света с длиной волны 640 нм, то есть световой волны красного цвета.

В качестве немагнитных слоев в МОФК используются гетероэпитаксиальные пленки самарий-галлиевого граната Sm3Ga5O12, обладающего высокой прозрачностью и большим контрастом коэффициента преломления по сравнению с Bi3Fe5O12. Эффект Фарадея имеет невзаимный характер — свет, отраженный от препятствия и распространяющийся в обратном направлении, испытывает двукратное вращение плоскости поляризации. Поэтому используя МОФК из ЖВГ, можно добиться получения гигантского фарадеевского эффекта в прошедшем свете и, таким образом, управлять поляризацией прошедшего света.

Многослойные гетероэпитаксиальные Bi3Fe5O12/Sm3Ga5O12 пленки могут изготавливаться промышленным методом высокочастотного магнетронного распыления керамических мишеней, который обеспечивает высокую воспроизводимость синтеза, гладкую поверхность, высокую точность и однородность толщины.

В настоящее время в рамках реализации совместного российско-корейского проекта получены магнитооптические фотонные кристаллы, имеющие структуру, показанную на рисунке.

Многослойная структура МОФК, рассчитанного работу в окрестности длины волны 980 нм.

Структура представляет собой 21-слойный магнитооптический фотонный кристалл, состоящий из чередующихся слоев Bi3Fe5O12 и Sm3Ga5O12. Этот кристалл был рассчитан и построен на резонансную длину волны 980 нм, актуальную для приложений в области телекоммуникаций. На длине волны 980 нм расположен центр запрещенной полосы в спектре и резонансные максимумы пропускания и Фарадеевского вращения.

Пропускание и фарадеевское вращение структуры МОФК.

Предварительные итоги российско-корейского проекта

В рамках реализации проекта ПетрГУ отработаны технологии получения таких кристаллов, обеспечивающие их заданные оптические свойства, исследованы и оптимизированы структурные и магнитные свойства МОФК. Кроме того, разработаны теоретические модели описания оптических спектров пропускания эпитаксиальных пленочных структур МОФК, позволяющие теоретически рассчитывать многослойные структуры с целью получения кристаллов с заданными резонансными свойствами.

Магнитооптические плазмонные кристаллы — дальнейшее актуальное развитие идеи МОФК. Они получаются нанесением периодических наноструктурированных металлических аппликаций на поверхность МОФК. Свет, падающий на МПК, возбуждает плазмон — плазменные осцилляции, распространяющиеся вдоль решетки. В резонансных условиях, таких как период решетки, резонансная мода в МОФК и угол падения света, возможна сильная связь плазмона с волной в МОФК. Значительная концентрация электромагнитной энергии на границе раздела металлических аппликаций с МОФК может приводить к усилению и модификации магнитооптических эффектов. Металлизированная поверхность МОФК изготавливается в виде периодической решетки тонкопленочных золотых аппликаций с помощью магнетронного напыления и литографии. Их размер, расстояние между ними, форма и взаимная ориентация оптимизируются для обеспечения максимальной связи плазменной моды с резонансной модой МОФК и выбором соответствующей поляризации световой волны. Структура МПК представлена на следующем рисунке.

Структура МПК.

Текущие результаты исследований по данному проекту были представлены на всероссийских и международных выставках, таких как «АРМИЯ-2018», Петербургская техническая ярмарка — 2018. На ежегодной международной конференции по магнетизму The Joint European Magnetic Symposia — 2018 в городе Майнц (Германия) был сделан доклад «Waveguiding in All-Garnet Heteroepitaxial Magneto-Optical Photonic Crystals», в котором представлены результаты исследования структурных и оптических свойств магнитофотонных кристаллов на основе гранатов.

Совместный российско-корейский проект позволил развить сотрудничество между лабораторией физики интеллектуальных наноматериалов ПетрГУ и корейскими партнерами, выходящее за рамки реализуемого проекта. Так, появились совместные научные интересы, связанные с другими магнитными материалами, разрабатываемыми в ПетрГУ: магнитными нановолокнами, аморфными пленками и другими. Иностранным партнером ПетрГУ из Университета Чунгбук на конференции The Joint European Magnetic Symposia — 2018 в соавторстве с российскими коллегами представлен доклад «Magnetocaloric effect in Gd2O3 electrospun nanofibers», посвященный исследованию магнитокалорического эффекта в парамагнитных нановолокнах на основе оксида гадолиния.

Доцент Владимир Игнахин на конференции The Joint European Magnetic Symposia — 2018.

В октябре-ноябре текущего года доцент ПетрГУ Владимиир Игнахин осуществил рабочий визит в Университета Чунгбук. Были сделаны измерения магнетокалорического эффекта в МОФК, выработаны решения относительно конфигурации конструируемых МПК и методик нанесения металлизированных аппликаций, подготовлены планируемые на следующий год оптические и магнито-оптические измерения с МОФК и МПК. Кроме того был проведен ряд экспериментов с болометром на основе пленки манганита лантана La0.7(Pb0.63Sr0.37)MnO3, претерпевающего переход металл-полупроводник при комнатной температуре, что позволяет использовать ее в неохлаждаемых болометрах — регистраторах теплового излучения, применяемых, например, в тепловизорах. Данная пленка обладает существенно бόльшим значением так называемого температурного коэффициента электрического сопротивления (7.4 %) по сравнению с традиционными промышленно выпускаемыми приборами. Чем выше это значение, тем более чувствительнее оказывается болометр. Во время работы в Университете Чунгбук проведены ряд экспериментов по исследованию чувствительности болометра к излучению различных диапазонов длин волн — от сверхвысокочастотного и терагерцового излучения до видимого.

Доцент Валидимир Игнахин в лаборатории терагерцовой и ультрабыстрой спектроскопии в Университете Чунгбук.

Перспективы применения создаваемых кристаллов

Разрабатываемые в рамках проекта МПК могут применяться для создания магнитооптических устройств — управляемых изоляторов, поляризаторов, обладающих повышенной эффективностью. Развитие магнитоплазмонной техники позволит получить высокоэффективные тонкопленочные поляризаторы для миниатюрных устройств интегральной оптики, управляемые магнитным полем. По прогнозам рынок оптоэлектроники в ближайшее время будет расти и рост составит до 17 % с 2017 по 2021 гг. Так, например, по данным ElectroniCast рост мирового рынка оптических изоляторов на эффекте Фарадея при этом составит от 5 до 7 % при общем объеме около $600 млн. в 2014 году. Ожидается также рост рынка магнитооптических кристаллов в период до 2025 года и их производство в США, Китае и России. Разработками в области ФК, МОФК и МПК занимаются многие лидирующие производители оптоэлектроники. Само же развитие области физики данных структур и устройств на их основе может произвести в ближайшее время технологическую революцию, способную создать не только новые интегральные оптические устройства, основанные на передаче и преобразовании информации светом, но и принципиально новые концепции подобной техники, электроники будущего — фотоники.

Представленный проект выполняется при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Минобрнауки России в рамках проведения прикладных научных исследований и экспериментальных разработок по теме «Моделирование, синтез и  исследование свойств наноструктурированных магнито-плазмонных кристаллов» (идентификатор проекта — RFMEFI58317X0067, соглашение № 14.583.21.0067).

Система Orphus Если Вы заметили ошибку, выделите её и нажмите Ctrl + Enter.

Материал подготовлен специально для 4science

Фото — pixabay.com

Ctrl+Enter
Esc
?

Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий, необходимо войти в систему или зарегистрироваться.