МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 3, с. 207-211
= МАТЕРИАЛЫ =
УДК 537.624.7
ИЗМЕНЕНИЕ МАГНИТЫХ СВОЙСТВ ДВУМЕРНЫХ МАГНИТО-ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ СВЕТОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ © 2014 г. Д. Е. Афанасьева1, Н. Ю. Звездин1, В. А. Папорков1, А. В. Проказников1,2
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова 2Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН E-mail: prokaznikov@mail.ru Поступила в редакцию 10.03.2013 г.
Исследование магнитооптических свойств двумерных фотонных кристаллов на основе легированных кремневых пластин, покрытых слоем кобальта толщиной несколько нанометров и находящемся на слое хрома толщиной несколько десятков нанометров, продемонстрировало наличие квазипериодических изменений магнитных свойств системы при взаимодействии с электромагнитным излучением. Обнаруженные осцилляции на угловых зависимостях магнитооптического экваториального эффекта Керра связываются с выполнением резонансных условий, когда в магнитной пластине формируется стоячая электромагнитная волна, способствующая повороту спинов в системе и тем самым изменению ее магнитных свойств.
DOI: 10.7868/S0544126914030028
ВВЕДЕНИЕ
Повышенный интерес в настоящее время вызывают фотонные кристаллы — структуры с пространственно изменяющимися оптическими свойствами — в связи с перспективой их применения в создании волноводов, резонаторов, оптических фильтров и других электронных устройств [1]. Подобные устройства способны существенно продвинуть разработку средств высокоскоростной обработки оптических сигналов и телекоммуникаций. Наиболее перспективными для практического применения считаются двумерные фотонные кристаллы, которые обладают периодичностью в двух направлениях [1, 2]. Использование магнитных материалов в создании двумерных упорядоченных массивов наноструктур имеет перспективу использования при создании сверхплотных массивов памяти [3], а также различных устройств спин-троники [4, 5]. В этой связи возникает задача управления магнитным состоянием системы посредством различного рода воздействий на нее.
В настоящей работе приводятся результаты исследования магнитооптических свойств двумерных фотонных кристаллов, сформированных на основе легированных бором на глубину порядка микрона пластин кремния, которые покрыты нанометровым слоем кобальта (толщина 6 нм), нанесенного на хромовую наноразмерную пленку (толщина 30 нм). Измерения угловой зависимости магнитооптического экваториального эффекта Керра (МОЭЭК) продемонстрировали квазипериодические изменения магнитных свойств системы. Наблюдение обнаруженных эффектов возможно благодаря их усилению ввиду интерфе-
ренции электромагнитного излучения на периодической решетке магнито-фотонного кристалла. Обнаруженные квазипериодические изменения угловых зависимостей МОЭЭК связываются с выполнением резонансных условий при формировании узлов на краях пластины, когда в магнитной наноразмерной пластине формируется латеральная стоячая электромагнитная волна, способствующая повороту спинов в системе и тем самым изменению ее магнитных свойств.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБЛИЖЕНИЯ
Структуры изготавливались на базе стандартных кремниевых пластин КЭФ-4.5 (100) по технологии, описанной в работе [6]. Затем формировались вертикальные квадратные "колонны" плазмохимиче-ским травлением посредством Bosch-процесса через хромовую (Cr) маску с использованием взрывной литографии (lift-off lithography). После этого на поверхность металлической пленки хрома магне-тронным способом напылялся слой кобальта толщиной 6 нм. Результат описанных выше операций представлен на рис. 1.
Сформированные структуры представляли собой двумерные периодические фотонные кристаллы в виде вертикальных "колонн" с размером квадратного поперечного сечения порядка 3.5 мкм и высотой более 5 мкм. В силу технологических особенностей край квадратной площадки на вершине вертикальной "колонны" несколько превышает кремниевое сечение и представляет собой пленку хрома толщиной 30 нм, которая покрывала сверху легированный кремний перед магне-тронным напылением слоя кобальта толщиной
(а)
(б)
ТМОКЕ, а. и.
0.003
0.002 0.001 0
-0.001 -0.002 -0.003 -0.004 -0.005
100
Угол, град
Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения Яр в дифракционном максимуме порядка (0, 0) от угла падения света на плоскость фотонного кристалла, когда луч лежит в плоскости падения, направленной перпендикулярно сторонам квадратов в сечении вертикальных "колонн" (а); угловая зависимость МОЭЭК для той же конфигурации (б).
6 нм, поэтому слой кобальта при напылении практически не попадал на стенки кремниевых "колонн" (см. рис. 1а).
В работе исследовались угловые зависимости МОЭЭК и коэффициентов отражения, снятые для различных взаимных ориентаций поверхности образца и направления внешнего магнитного поля. Измерения проводились при комнатной температуре согласно методике, детально изложенной в работе [7]. Образец помещался между полюсами электромагнита, создающего магнитное поле частотой 30 Гц с амплитудой 250 Э, достаточной для магнитного насыщения образца [7]. Поляризованный в плоскости падения (р-волна) лазерный пучок света (к = 632 нм) диаметром 1 мм падал на поверхность пленки под разными углами и при разной ориентации образцов относительно плоскости падения и магнитного поля в стандартной конфигурации для измерений МОЭЭК. Измерялась ве-
личина 8 = А///, где I - амплитудное значение переменной составляющей, I - величина постоянной составляющей интенсивности отраженной р-волны.
Исследуемая картина наблюдалась в виде двумерного массива светлых максимумов от двумерной дифракционной структуры, которую представлял собой исследуемый фотонный кристалл. Все исследуемые величины снимались в максимумах следующих порядков (0, 0), (0, 1), (0, -1). Результаты проведенных исследований для различной геометрии для максимумов порядка (0, 0) приведены на рис. 2 и 3. На рис. 2 приведены зависимости коэффициента отражения Яр в дифракционном максимуме порядка (0, 0) от угла падения света на плоскость фотонного кристалла и угловая зависимость МОЭЭК для той же конфигурации, когда плоскость падения перпендикулярна сторонам квадратов в сечении вертикальных
(а)
(б)
1.4Е—01 1.2Е—01 1.0Е—01 8.0Е—02 6.0Е—02 4.0Е—02 2.0Е—02 0Е+00
0
20
40
60
80 100 Угол, град
ТМОКЕ, а. и.
3Е—03
2Е—03 1Е-03 0Е+00 -1Е-03 -2Е-03 -3Е-03 -4Е-03 -5Е-03
100
Угол, град
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения Яр в дифракционном максимуме порядка (0, 0) от угла падения света на плоскость фотонного кристалла, когда луч лежит в плоскости падения, направленной вдоль диагоналей квадратов в сечении вертикальных "колонн" (а); угловая зависимость МОЭЭК для той же конфигурации (б).
"колонн". На рис. 3 представлены соответствующие зависимости, когда плоскость падения перпендикулярна диагоналям квадратов в сечении вертикальных "колонн". Как это следует из рис. 2, для ориентации плоскости падения луча перпендикулярно стороне квадрата структуры, на угловой зависимости коэффициента отражения Яр(ф) (см. рис. 2а) имеются явно выраженные осцилляции с определенным периодом, в то время как на угловой зависимости 8(ф) для МОЭЭК эти осцилляции имеют другой период, и характер их также отличается. Для сопоставления удобно выделить интервал, например, от 20° до 60°, в котором отсутствуют резкие изменения зависимостей со сменой знака. Аналогичные закономерности имеют место и для зависимостей, представленных на рис. 3 для ориентации плоскости падения луча вдоль диагонали квадрата структуры. В то время как на угловой зависимости коэффициента отражения Яр(ф) внутри указанного интервала углов осцилляции практически отсутствуют, для угловой зависимости 8(ф) осцилляции явно выражены. Сравнение рис. 2 и 3 свидетельствует о наличии анизотропии свойств у изготовленных фотонных кристаллов. Представленные на рисунках зависимости свидетельствуют о наличии осцилляций чисто магнитных свойств исследуемой структуры, а также явно выраженной анизотропии. Хорошо заметно, что если осцилляцион-ные изменения имеются на графиках Яр(ф), не зависящих от приложенного магнитного поля, то они практически исчезают на графиках 8(ф), зависящих от магнитного поля, и наоборот. Это свидетельствует о том, что воздействие магнитного поля вносит свой вклад в наблюдаемую картину. Отметим, что для максимумов порядков (0, 1)
и (0, -1) и выше угловая зависимость 8(ф) не выявляет какой-либо однозначной зависимости от угла падения света.
В среднем угловой промежуток, приходящийся на одно колебание на рис. 3б, составляет ~3.61°. Если рассчитать изменение угла наклона луча при падении на квадратное основание одной "колонны", так чтобы при этом изменение оптической разности хода было кратным половине длины волны падающего излучения, то мы получим около 3.66°. При этом бралась длина диагонали квадрата со стороной 3.5 мкм, так как рис. 3б соответствует именно такой конфигурации эксперимента. Это свидетельствует о том, что изменение магнитных свойств происходит при условии, что на характерной длине основания (стороне или диагонали), укладывается целое число длин полуволн. Таким образом, осцилляции магнитных свойств происходят при изменении оптической разности хода, кратной полуволне падающего излучения, то есть когда на краях образца имеют место узлы падающей электромагнитной волны. Отметим, что на длине Ь, равной стороне квадрата, лежащего в основании "колонн", укладывается порядка пяти длин волн лазерного излучения (Ь ~ 5Х). Наличие интерференционных явлений в пленке исключалось тем фактом, что толщина металлических пленок на поверхности кремниевых колонн к (6 нм + 30 нм) имела размеры много меньшие длины волны падающего излучения X (632 нм), т.е. к < X.
ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для трактовки полученных в настоящей работе результатов мы опирались на теорию, изло-
210
АФАНАСЬЕВА и др.
женную в работе [8]. Как это следует из анализа экспериментальных данных, угловое расстояние между минимумами в среднем равно изменению угла, который соответствует набеганию разности оптического хода в полволны от противоположных краев единичного рассеивателя, то есть разности хода
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.