Введение к работе
Актуальность темы. Бурное развитие направления нанофотони-ки, наблюдающееся в последние годы, во многом связано с возникшей необходимостью перехода от электронных устройств, имеющих существенные ограничения как по скорости работы, так и по потерям, к более перспективным оптическим. Однако при использовании света в качестве носителя информации возникает другое ограничение на минимальный размер устройств, который определяется длиной волны используемого излучения. Поэтому одной из важнейшихзадач фотоники является локализация оптического излучения на субволновыхмасштабах, что критически важно как для усиления взаимодействия света с веществом, так и для создания новыхкомпактныхустройств для передачи информации и преобразования энергии. Локальное усиление электромагнитного поля возможно с помощью поверхностныхволн, а также посредством оптическихнано-антенн[1].
Поверхностные волны могут существовать, например, на границе раздела между металлом и диэлектриком, а также на метаповерхностях[2] и двумерныхматериалах. Широкий выбор материалов и современный уровень технологий наноструктурирования дают уникальные возможности для управления дисперсией поверхностныхволн, ихнаправленностью и степенью локализации поля.
Оптическая наноантенна, как устройство, преобразовывающее свободно распространяющийся свет в сильно локализованное ближнее поле и обратно, может играть роль связывающего элемента между поверхностными оптическими состояниями и свободно распространяющимися волнами. Кроме того, усиление электромагнитного поля за счет возбуждения мод наноантенны может служить для наблюдения эффектов сильной связи света с веществом. Широкие возможности для управления светом предоставляют наноантенны из высокоиндексныхдиэлектрическихмате-риалов, например – кремния[3]. За счет большого показателя преломления такие структуры обладают не только электрической, но и магнитной поляризуемостями, имеющими резонансный характер. При этом наводимые электрический и магнитный моменты сопоставимы по величине, а ихабсолютное и относительное спектральное положение можно легко регулировать изменением размера и формы наноантенны. Еще одним преимуществом диэлектрическихнаноантенн над металлическими является низкий уровень омическихпотерь. С другой стороны, металлические нано-антенны обычно обеспечивают более высокую степень локализации поля.
Диссертационная работа посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям эффектов локализации поля одиночными наноантеннами, а также одномерными и двумерными структурами на
ихоснове. Рассматриваются различные задачи: модификация оптиче-скихрезонансов кремниевой наночастицы под влиянием металлической подложки, управление локализацией поля с помощью поляризации за счет возбуждения топологически защищенныхкраевыхсостояний, широкополосная локализация поля в тонком слое материала под массивом металлическихнаноантенн. Также экспериментально изучается направленный запуск и переключение поверхностных волн с помощью диэлектрическихнаноантенн, что имеет большой прикладной потенциал в области устройств для управления поверхностными волнами. Для исследования наноантенн и возбуждаемыхими поверхностныхволн в диссертационной работе используется комплекс экспериментальныхметодик, включающихсканирующую ближнепольную оптическую микроскопию, темнопольную спектроскопию рассеяния, микроскопию задней фокальной плоскости, микроскопию утечек излучения и ряд других, что обеспечивает разностороннюю экспериментальную характеризацию оптических свойств рассматриваемыхструктур.
Основными целями диссертационной работы являлись:
-
Исследование поляризационной зависимости спектров рассеяния кремниевой наночастицы на золотой подложке.
-
Экспериментальная демонстрация направленного возбуждения поверхностного плазмон-поляритона от кремниевой наночастицы на золотой пленке.
-
Экспериментальная демонстрация поляризационно-чувствитель-ного усиления электромагнитного поля на краяхзигзагообразной цепочек из резонансныхзолотыхи кремниевыхнанодисков.
-
Исследование ближнего поля массива металлическихнаноантенн, поддерживающихколлективные оптические моды, характеризующиеся широкополосным усилением электрического поля в материале под антеннами.
-
Исследование применимости модели чувствительности ближне-польного зонда, основанной на теореме взаимности электромагнетизма, для описания сигнала, собираемого зондом апертурного типа в экспериментахпо сканирующей ближнепольной оптической микроскопии с возбуждением плоской волной в геометрии отражения.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Спектр рассеяния s-поляризованного света на кремниевой нано-антенне, расположенной на золотой подложке, содержит резонансный пик, соответствующий вкладу нормальной к подложке компоненты магнитного дипольного момента частицы, добротность которого более чем в два раза превосходит добротность соответствующего резонанса наночастицы на стеклянной подложке.
-
При наклонном падении света на резонансную сферическую кремниевую наноантенну, расположенную на поверхности золота, возбуждаемый поверхностный плазмон-поляритон испытывает переключение диаграммы направленности в узком спектральном диапазоне, который определяется интерференцией магнитного и электрического дипольныхмоментов, возбуждаемыхв частице.
-
Карты ближнего поля цепочек в форме прямоугольного зигзага как из плазмонных, так и из диэлектрических резонансных нанодисков обнаруживают резонансную локализацию электромагнитного поля на краяхструктуры, связанную с возбуждением поляризационно-вырожденныхкраевыхоптическихсостояний.
-
При возбуждении структуры в виде зигзага из резонансныхсуб-волновыхкремниевыхдисков светом циркулярной поляризации в картахближнего поля наблюдается усиление сигнала на одном либо другом краю цепочки в зависимости от состояния поляризации падающей волны. Усиление носит резонансный характер с максимумом на длине волны возбуждения краевыхоптическихсо-стояний.
-
Модель чувствительности зонда ближнепольного оптического микроскопа апертурного типа, основанная на теореме взаимности электромагнетизма, позволяет учесть форму зонда и нелокальность процесса детектирования и получить качественное соответствие с экспериментом даже при описании картин ближнего поля структур сложной формы в геометрии наклонного возбуждения.
Научная новизна:
-
Предложен подход к идентификации рассеяния от нормальных дипольныхкомпонентов в экспериментахпо темнопольной спектроскопии рассеяния.
-
Впервые экспериментально продемонстрировано более чем двукратное увеличение добротности резонанса нормальной к подложке компоненты магнитного дипольного момента кремниевой наночастицы на золотой подложке по сравнению со стеклянной подложкой.
-
Впервые экспериментально продемонстрировано направленное возбуждение и переключение направления возбуждения поверхностного плазмон-поляритона на золотой пленке от кремниевой наночастицы за счет интерференции электрического и магнитного дипольныхмоментов, наводимыхв наночастице наклонно падающей p-поляризованной волной.
-
Впервые экспериментально продемонстрирован эффект локализации поля на краяхструктуры, представляющей собой зигзаг из связанныхплазмонныхили диэлектрическихнанодисков, при возбуждении линейно поляризованным светом.
-
Впервые экспериментально продемонстрировано резонансное усиление фотонного спинового эффекта Холла в зигзаге из связанных диэлектрическихнанодисков на частоте возбуждения краевыхсо-стояний.
-
Впервые проведено экспериментальное исследование структуры ближнего поля массива металлическихнаноантенн, поддержива-ющихколлективные моды, характеризующиеся широкополосным усилением электрического поля в тонком слое материала под антеннами.
-
Продемонстрирована применимость метода моделирования сигнала ближнего поля, основанного на теореме взаимности электромагнетизма, для описания карт ближнего поля массива нерезонансныхметаллическихантенн в геометрии отражения, измеренныхапертурным ближнепольным зондом.
Практическая значимость работы состоит в том, что автором был экспериментально продемонстрирован ряд новыхспособов управления локализацией поля с помощью металлическихи диэлектрическихнано-антенн и разработаны новые методики экспериментального исследования оптическихсвойств наноструктур. Широкополосное усиление электрического поля под кремниевой наночастицей на металлической подложке при наклонном возбуждении может быть использовано для спектроскопии комбинационного рассеяния, усиленного поверхностью и повышения эффективности флуоресценции атомов и молекул. Впервые продемонстрированный эффект переключения диаграммы направленности поверхностного плазмон-поляритона, возбуждаемого кремниевой наночастицей на слое золота, может быть использован для устройств передачи информации с помощью поверхностных волн. Резонансное селективное возбуждение краевыхсостояний в зигзагообразныхцепочкахиз металлическихи диэлек-трическихнанодисков может быть применено для реализации компактных поляризационно-чувствительныхантенн и сенсоров, а также для переключения между каналами передачи оптическихсигналов. Широкополосная локализация электрического поля в тонком слое материала под массивом металлическихнаноантенн, обусловленная возбуждаемыми в нем “домино модами”, представляет большой интерес с точки зрения увеличения эффективности тонкопленочныхсолнечныхэлементов благодаря возможности захвата излучения в тонком активном слое устройства. Также в диссертационной работе предложена методика визуализации изочастотных контуров поверхностныхэлектромагнитныхволн в системе микроскопии с линзой твердой иммерсии и реализован метод сканирующей ближ-непольной оптической микроскопии с зондом, функционализированным гибридной наночастицей из кремния и золота. За счет сверхширокой полосы люминесценции гибридной наночастицы при возбуждении мощными фемтосекундными лазерными импульсами в ближнем инфракрасном
диапазоне характеризация локальных оптических свойств образца в разработанной установке ближнепольной микроскопии может проводиться одновременно в широком спектральном диапазоне.
Достоверность полученныхрезультатов обеспечивается использованием современныхметодов исследования, основывается на воспроизводимости результатов измерений, а также подтверждается хорошим соответствием экспериментальныхданныхи результатов численного моделирования и аналитического описания эффектов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийскихи международныхконференциях: Летняя школа-конференция “Summer School/Conference on Application of Scanning Probe Microscopy in Life Sciences, Soft Matter and Nanofabrication”, Оль-борг, Дания, 2013; Международная конференция “Days on Diffraction”, Санкт-Петербург, 2013,2015; Международная конференция “PIERS’2015 — Progress In Electromagnetics Research Symposium”, Прага, Чешская Республика, 2015; Международная конференция “Metanano”, Анапа, 2016; Владивосток, 2017; Международная конференция “Metamaterials”, Ханья, Греция, 2016; Марсель, Франция, 2017; Международная конференция “Nanometa 2017”, Зеефельд, Австрия, 2017 Международная конференция “NANOP 2017”, Барселона, Испания, 2017 а также на научныхсеминарахв Университете ИТМО, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, МГУ имени М.В.Ломоносова, Университете Эксетера, Датском Техническом Университете, Чжэцзян-ском Университете.
Работа выполнена при поддержке Министерства Образования и Науки Российской Федерации (госзадание №3.8891.2017/БЧ)
Личный вклад автора заключается в измеренияхи обработке экспериментальныхрезультатов (диаграмм направленности, спектров рассеяния, отражения и пропускания и картин распределения ближних полей), проведении существенной части численного моделирования оп-тическихсвойств исследованныхструктур, создании экспериментальных установок микроскопии задней фокальной плоскости, микроскопии утечек излучения и микроскопии с линзой твердой иммерсии, реализации численной модели чувствительности ближнепольного зонда, участии в формулировании целей исследования и непосредственном написании на-учныхстатей.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 печатныхработах, входящихв перечень ВАК, включающих7 статей в научныхжурналах, индексируемыхбазами научныхпубликаций Scopus и Web of Science.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 115 стра-ницахи содержит 41 рисунок и 163 библиографические ссылки.