Proučavanje plazmonskih nanostruktura korišćenjem spektroskopske elipsometrije

Abstract

Sa najnovijim razvojem nanotehnologije došlo je do ponovnog interesovanja za polje plazmonike. Nanoplazmonika povezuje fotoniku sa nanonaukama tako što konfinira svetlost u nanometarske zapremine, dok se manipulacija svetlošću na nanoskali bazira na osobinama prostirućih i lokalizovanih površinskih plazmona. Važan korak u eksploataciji plazmonskih nanostruktura je njihov dizajn i karakterizacija. Najčešće korišćene tehnike za karakterizaciju se baziraju na merenjima intenziteta. One daju informacije o amplitudama reflektovanih ili transmitovanih talasa nakon njihove interakcije sa uzorkom, ali ne daju nikakvu informaciju o njihovim fazama. U ovom radu, formira se strategija za karakterizaciju plazmonskih nanostruktura korišćenjem spektroskopske elipsometrije (SE), koja sama po sebi meri odnos amplituda i razliku faza za dve karakteristične polarizacije. SE je veoma brza, nedestruktivna, neninvazivna, apsolutna i veoma precizna tehnika, ali zahteva složeno modelovanje za interpretaciju eksperimentalnih rezultata. U tu svrhu, korišćena su dva programska paketa COMSOL Multiphysics i RET)COLO-2D. Odgovarajuće simulacije omogućuju izdvajanje informacija koje nisu dostupne u samom eksperimentu. Proučavani su i prostirući i lokalizovani površinski plazmoni, prvi pobuđeni u fišnet nanostrukturama i drugi koji se javljaju u SRR (engl. Split Ring Resonators). )zučavane fišnet strukture, bazirane su na dvo-dimenzionom (2D) nizu pravougaonih rupa izbušenih u zlato/silicijum dioksid/zlato tankim slojevima. Ove strukture podržavaju jako konfinirane GPP (engl. Gap Plasmon Polariton) u tankom dielektričnom sloju. Kada su rupe ozbušene u 2D periodičnu mrežu veličine 500 x 600 nm2, moguće je direktno optičko pobuđivanje GPP u bliskom infracrvenom delu spektra. Analizom elipsometrijskih spektara, otkriveno je da su GPP efikasnije pobuđeni i disperzija im manje odstupa od disperzije GPP u glatkoj strukturi kada je upadna svetlost polarizovana duž kraćih ivica rupa. Mogući razlog za ovakvo ponašanje je ekscitacija lokalizovanih rezonanci rupa na učestanostima bliskim GPP. )pak, simulacije u kojima su posmatrane manje rupe, pri čemu je zadržan odnos širina/dužina kao kod originalnih fišnet struktura, pokazuju da zavisnost od polarizacije postoji čak i kada se rezonanca rupe me poklapa sa GPP rezonancama. Ovaj efekat je objašnjen pomoću kvazi-statičke polarizabilnosti rupa. Optičko pobuđivanje lokalizovanih plazmonskih rezonanci u 2D poređanim SRR posmatrano je u srednjem infracrvenom delu spektra. Elipsometrijski spektri su objašnjeni na osnovu izračunatih kompleksnih koeficijenata refleksije za dve karakteristične polarizacije. Pokazano je da izbor upadne ravni dosta utiče na formiranje SE spektara. Ako se upadna ravan poklapa sa ravni simetrije, vrhovi u SE spektrima odgovaraju parnim plazmonskim modovima, a kada je upadna ravan ortogonalna na ravan simetrije, vrhovi potiču od pobuđivanja neparnih modova. Kako su elipsometrijska merenja vršena pri kosim upadnim uglovima, javlja se retardacija upadnog polja. To omogućava ekscitaciju modova koji nisu dozvoljeni simetrijom SRR pri normalnoj incidenciji. Veliko pojačanje polja na rezonancijama daje površinski pojačanu infracrvenu SE, dok strmi skokovi u spektrima faze na rezonantnim učestanostima povećavaju osetljivost elipsometrijskog odziva na različite faktore iz sredine u kojoj se nalaze SRR.

Recent developments of nanotechnology renewed interests in the field of plasmonics. Nanoplasmonics connects photonics to nanosciences by squeezing the light into nanometer sized volumes, while the light manipulation at the nanoscale is based on properties of propagating and localized surface plasmons. Important step in exploitation of plasmonic nanostructures is their design and characterization. Most frequently used techniques for characterization are based on intensity measurements. They give information about the amplitudes of reflected or transmitted waves after their interaction with the sample, but they do not give any information about their phases. In this work, we are creating strategy how to characterize plasmonic nanostructures using spectroscopic ellipsometry (SE), which inherently measures amplitude ratio and phase difference for the two characteristic polarizations. SE is very fast, nondestructive, noninvasive, absolute and very precise technique, but it requires advanced modelling to interpret experimental data. For that purpose, we are using two numerical packages COMSOL Multiphysics and RETICOLO-2D. Correct simulations enable extraction of additional information, non-accessible through the experiment. Both propagating and localized surface plasmons are studied, first excited in fishnet nanostrucutres and later appearing in split ring resonators (SRR). Fishnet structures considered here, are based on two-dimensional array of rectangular holes perforated in gold/silica/gold thin film stack. These structures support highly confined gap plasmon polartions (GPPs) in the thin dielectric layer. The 500 x 600 nm2 periodic arrangement of the holes enables direct optical excitation of GPPs at near-infrared frequencies. Analyzing the features in the ellipsometric spectra, it is found that the GPPs are much more efficiently excited and have a higher deviation from the flat film GPP dispersion when incident light is polarized along the short axis of the holes. Potential reason for this behavior is excitation of localized resonances of the holes at frequencies close to those of GPPs. However, simulations that included smaller holes with the same aspect ratio as the original ones, suggest that polarization dependence persists even in the absence of the hole resonances. This effect is explained by quasi-static polarizability of the holes. Optical excitation of localized plasmon resonances in 2D array of split ring resonators (SRR) is investigated in the mid-infrared range. The features in the ellipsometric spectra are explained on the basis of calculated polarized complex reflection spectra. It is shown that the choice of plane of incidence (POI) greatly affects the SE spectra. If POI matches mirror symmetry plane of the SRRs, peaks in the ellipsometric spectra correspond to even plamonic modes and if POI it is orthogonal to the symmetry plane, then peaks originate from odd modes excitation. Oblique incidence ellipsometric measurements lead to retardation of the incident field. This provides excitation of modes prohibited at normal incidence by symmetry of SRRs. We also suggest that the great field enhancement at the resonant frequencies enables surface enhanced infrared spectroscopic ellipsometry, while the steep slopes in phase spectra at the resonances improve sensitivity of the ellipsometric response to the different factors in surrounding media.