ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 10, с. 29-32
УДК 535.341:539.216.2:537.533.35
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ Ш-НАНОРЕШЕТОК
© 2011 г. И. А. Черных1, Д. А. Мамичев1, Ю. В. Грищенко1, В. В. Роддатис1, М. Л. Занавескин1, М. Р. Щербаков2, А. А. Федянин2, Е. Г. Новоселова3, И. С. Смирнов3, А. Н. Марченков1
НИЦ "Курчатовский институт", НБИК-Центр, Москва, Россия 2Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Физический факультет, Москва, Россия 3Московский институт электроники и математики (ТУ), Москва, Россия Поступила в редакцию 25.10.2010 г.
Получены наноструктуры, представляющие собой металлические нанорешетки из золота на кварцевых подложках. С помощью методов АСМ и РЭМ были исследованы структурные характеристики образцов. Также были изучены их оптические свойства в видимом диапазоне спектра. Исследования показали, что данные наноструктуры характеризуются высокой степенью периодичности, а форма профиля нанонитей близка к прямоугольной. В нанорешетках наблюдалось эффективное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн, при этом эффективность их возбуждения существенно зависела от поляризации возбуждающего излучения и фактора заполнения решетки. Установлено, что в зависимости от фактора заполнения решетки возможно возбуждение различных типов плазмон-по-ляритонных волн — локальных или бегущих. Оптические эффекты, наблюдающиеся в данных структурах, могут быть использованы для создания на их основе быстродействующих элементов сенсорики и оптоэлектроники, таких как высокочувствительные биосенсоры нового поколения, оптические фильтры, поляризаторы и модуляторы.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в связи с уменьшением размеров элементов фотоники и оптоэлектроники становится актуальной проблема преодоления дифракционного предела при передаче информации оптическим путем. Решением данной проблемы может быть использование неоднородных электромагнитных волн, локализованных на границе раздела среды с отрицательной диэлектрической проницаемостью (в основном металла) и диэлектрика, — так называемых поверхностных плазмон-поляритонных волн [1]. Эти волны представляют собой связанные колебания электронной плотности и электромагнитного поля, которые сосредоточены на границе раздела сред и экспоненциально затухают при удалении от поверхности раздела. Характеристики таких волн оказываются весьма чувствительными к диэлектрическому окружению наноструктры, в которой они возбуждаются, что делает их весьма перспективными для создания сенсоров. Помимо этого возбуждение плазмон-поляритонных волн приводит к сильному увеличению локальных электромагнитных полей, что позволяет использовать их в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS) и нелинейной оптике [2, 3]. Поэтому взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с металлическими наноструктурами в настоящее время является предметом интенсивных исследований [4—7].
Эффективное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн в структурах металл— диэлектрик приводит к возникновению комплекса
новых оптических явлений, таких как аномальное пропускание [8] и поглощение [9], искусственная оптическая и магнитооптическая [10] активность, плазмонная фокусировка [11]. Для эффективного возбуждения поверхностных плазмон-поляритон-ных волн наиболее часто используются призмен-ный метод, метод с использованием периодических структур из металла, а также возбуждение с помощью металл-диэлектрических волноводов [8, 12—14]. Одним из наиболее интересных в этом отношении материалов являются металлические субволновые на-норешетки, обладающие некоторыми специфическими плазмонными характеристиками [15]. Для тонкой металлической пленки на поверхности диэлектрика возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн возможно только при определенной геометрии эксперимента — угол падения излучения должен соответствовать углу полного внутреннего отражения [12]. Для субволновых решеток условия возбуждения поверхностных плазмон-по-ляритонных волн более просты — необходимо только согласование проекции на решетку волнового вектора плазмон-поляритона с вектором обратной решетки [16]. В такой структуре в зависимости от угла падения возбуждающего излучения происходит возбуждение различных плазмон-поляритон-ных мод, а дифракция возбуждаемых волн на субволновой решетке позволяет выбрать удобный для использования дифракционный порядок [17]. Несмотря на то что метод возбуждения плазмон-поля-ритонных волн с использованием нанорешетки подразумевает этап ионно-лучевой литографии, он может быть интегрирован в стандартный процесс
10
6
и £ 4
4
Мкм
10
Рис. 1. АСМ-изображение нанорешетки с коэффициентом заполнения 40%. Размер скана 10 х 10 мкм.
кремниевой микроэлектроники. Перечисленные выше свойства делают металлические субволновые нанорешетки весьма перспективными для использования в качестве активных элементов оптоэлек-тронных устройств нового поколения, таких как биосенсоры, фильтры, поляризаторы и модуляторы. Нами была разработана методика изготовления периодических металлических субволновых нано-решеток, состоящих из последовательности полостей (щелей) и золотых нанонитей, а также исследованы их оптические свойства.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Получение субволновых нанорешеток проводилось в два этапа: магнетронное напыление пленки золота на кварцевую подложку с контролем in situ ее толщины с помощью рентгеновской рефлектомет-рии; вытравливание нанорешетки посредством ионно-лучевой литографии фокусированными пучками при помощи двухлучевой системы. Были изготовлены и исследованы структуры с периодом d = 750 нм, шириной золотых нанонитей dAu = 250— 600 нм и глубиной щелей h = 40 нм. Полученные образцы имели размер 10 х 10 мкм. Характерный вид субволновой нанорешетки показан на рис. 1. Контроль структурных параметров, качества поверхности образцов и формы золотых нанонитей прово-
дился с помощью методов растровой электронной и атомно-силовой микроскопии. Спектры пропускания и отражения нанорешеток измерялись при помощи оптоволоконного спектрометра в спектральном диапазоне 400—1000 нм при падении на образец поляризованного излучения (рис. 2). Вектор электрического поля падающей волны был ориентирован либо перпендикулярно, либо параллельно золотым нанонитям. Были измерены также спектры пропускания при различных углах падения возбуждающего излучения. Все исследования проводились при комнатной температуре.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В субволновых металл-диэлектрических решетках возможно эффективное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн, которое приводит к появлению в таких структурах поверхностного плазмонного резонанса. Осуществлять управление резонансными свойствами нанорешет-ки можно как посредством изменения ее структурных параметров, так и путем выбора составляющих материалов такого композита (металл и диэлектрик). Для изготовления нанорешеток в качестве металла было использовано золото, а в качестве диэлектрика — кварц. Золото является оптимальным материалом для создания таких структур благодаря следующим факторам: величина диэлектрической проницаемости, инертность, значение концентрации свободных носителей заряда и др. Преимуществами кварца являются высокий коэффициент пропускания и отсутствие дисперсии диэлектрической проницаемости в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Толщина золотой пленки составляла 30 нм, что намного больше толщины скин-слоя для золота в видимом диапазоне спектра (3 нм) и приблизительно равно глубине затухания поверхностных плазмон-поляритонов в золоте.
Анализ образцов проводился с использованием методов растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Полученные РЭМ-изображения свидетельствуют о вы-
8
0
8
3
5
7
Спектрометр
-3
9
Рис. 2. Схема установки по микроспектроскопии пропускания: 1 — источник белого света; 2 — полевая диафрагма; 3 — конденсорная линза; 4 — призма Глана; 5 — апертурная диафрагма; 6 — объектив; 7 — образец; 8 — собирающий объектив; 9 — собирающая линза; 10 — волоконный спектрометр.
2
4
1
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ Ш-НАНОРЕШЕТОК
31
500 600 700 800 900 1000 500
X, нм
600
700
800
900 1000 X, нм
Рис. 3. Спектры пропускания субволновых нанорешеток с коэффициентом заполнения 75% (а) и 60% (б) для различных поляризаций возбуждающего излучения (сплошная линия соответствует р-поляризации, штриховая — «-поляризации).
соком качестве изготовленных нанорешеток, период которых составил 750 нм. Глубина щелей, вытравленных в золотой пленке, была определена с помощью АСМ-изображений и составила около 40 нм. Эта величина больше толщины пленки золота, что обеспечивает полное удаление золота с подложки, так как в данном случае необходимо учитывать эффект переосаждения и присутствия возможных не-однородностей в золотой пленке. Выбор периода d = 750 нм обусловлен тем, что в данном случае плазмонный резонанс будет наблюдаться в видимой области спектра, и возможностью получать такие структуры с высоким качеством поверхности.
Эксперименты по измерению оптических свойств полученных субволновых нанорешеток показали, что в данных структурах наблюдается эффективное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн в видимом диапазоне спектра (рис. 3). Было обнаружено, что возбуждение плаз-мон-поляритонов наблюдается только при р-поля-ризации падающего излучения. Тогда как в случае «-поляризации излучения форма спектра пропускания была аналогична спектру пропускания золотой пленки такой же толщины. Данный эффект достаточно хорошо объясняется выполнением условий возбуждения плазмон-поляритонных волн для субволновых решеток, что реализуется только для р-по-ляризации падающего излучения. Исследования нанорешеток с различной величиной скважности показали, что эффективность возбуждения и тип плазмон-поляритонов очень сильно зависят от величины скважности структуры.
При больших значениях скважности нанорешет-ки в спектре пропускания наблюдается широкий минимум, обусловленный возбуждением локальных
плазмон-полярит
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.