Розмірні ефекти лінійної амплітудної анізотропії у явищі поверхневого плазмонного резонансу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 535.5; 535.347

Розмірні ефекти лінійної амплітудної анізотропії у явищі поверхневого плазмонного резонансу

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

РУДЕНКО СВІТЛАНА ПЕТРІВНА

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Сердега Борис Кирилович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач лабораторії модуляційно-поляризаційної спектроскопії

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу поляритонної оптоелектроніки

доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Леонід Володимирович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, завідувач кафедри оптики

Захист відбудеться « 19 » лютого 2010р. о 14 ¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 41, Київ, 03028.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45 Київ, 03028.

Автореферат розісланий «15» січня 2010р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 26.199.01, к.ф.-м.н. О.Б. Охрименко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Явище поверхневого плазмонного резонансу (ППР) у поєднанні з досягненнями нанотехнології, яка є актуальним напрямком фізики твердого тіла, набуває неабиякої зацікавленості та прискореного розвитку. Про це свідчить численне різноманіття публікацій з цієї проблеми. Проте питання, пов'язані з еволюцією властивостей явища ППР при переході середовищ від суцільних (безперервних) до диспергованих, ще знаходяться у стані вирішення. Актуальною залишається необхідність встановлення особливостей явища, що стосуються зміни товщини плівки та її топологічних характеристик. До того ж інтерес до кластерно структурованих металевих плівок залишається невичерпаним у зв'язку з локалізацією на їх поверхнях плазмон-поляритонів.

Процеси взаємодії електромагнітного випромінювання з нанооб'єктами такого типу супроводжуються новими закономірностями прояву різноманітних розмірних (класичний, квантовий, топологічний тощо) ефектів. Актуальність цих досліджень є безсумнівною ще й тому, що використання оптичної схеми для спостереження явища ППР в геометрії Кречманна являється однією з основ для практичного використання цього явища. У тришаровій структурі (скло - металева плівка - зовнішнє середовище), на якій базується метод, зміна товщини плівок та їх топологічних властивостей призводить до виникнення багатоваріантних кутових, спектральних, структурних та розмірних залежностей величин коефіцієнтів відбивання лінійно поляризованого випромінювання з ортогональними азимутами (s- та p-поляризації). Явищу відбивання взагалі та явищу ППР у тому числі властива, перш за все, амплітудна анізотропія, яка згідно формул Френеля зумовлена різницею коефіцієнтів відбивання s- та p-поляризованого випромінювання. Мірою амплітудної анізотропії є аналог Q-компоненти вектора Стокса, а саме величина поляризаційної різниці =R_s²-R_p² коефіцієнтів внутрішнього відбивання електромагнітного випромінювання. Використання високочутливого методу поляризаційної модуляції (ПМ) випромінювання для її реєстрації сприятиме виявленню ефектів, пов'язаних з орієнтаційною залежністю взаємодії ортогонально поляризованих випромінювань з нанорозмірними металевими плівками. Тому з огляду на беззаперечні, як свідчать публікації з цього питання, виявні та інформативні властивості методу ПМ, доцільність постановки такого типу експериментів є безсумнівною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України протягом 2006-2009 рр. Її зміст відповідає основному напрямку науково-дослідних робіт інституту. При цьому робота виконувалась у рамках теми № 1.3.3/18 «Розроблення і створення високочутливих експресних біосенсорних систем», держ. реєстр. №0108U010264 відповідно до Державної цільової науково-технічної програми «Розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів на 2008-2012 роки» та відомчої теми Відділення фізики та астрономії НАН України №1.4.9/18 «Розроблення і створення засобів реєстрації деформації в компонентах електронних приладів, непрозорих матеріалах та механічних конструкціях», держ. реєстр №0108U010263.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає у виявленні нових особливостей явища ППР в ультратонких суцільних та кластерно структурованих металевих плівках, пов'язаних з їхньою товщиною, структурними та топологічними властивостями; у систематизації виявлених особливостей та встановленні їх зв'язку з класичним та топологічним розмірними ефектами.

Досягнення зазначеної мети передбачало розв'язання комплексу таких наукових задач:

1. експериментально випробувати інформативну здатність та достовірність такого параметра, як поляризаційна різниця коефіцієнтів внутрішнього відбивання на прикладі вимірювання методом ПМ характеристик лінійної амплітудної анізотропії явища внутрішнього відбивання;

2. розробити інтерпретацію результатів, отриманих при реєстрації поляризаційної різниці коефіцієнтів внутрішнього відбивання чистої однорідної поверхні, та адаптувати їх до взаємодії поляризованого випромінювання з дисипативними об'єктами з комплексним показником заломлення, такими як нанорозмірні металеві плівки та нанокомпозитні структури;

3. вивчити вплив зміни товщини плівок та їх топологічних властивостей на кутові та спектральні залежності основних поляризаційних характеристик: коефіцієнтів внутрішнього відбивання R_s² і R_p² та їх поляризаційної різниці ;

4. провести аналіз характеристик поляризаційної різниці на предмет визначення ступеню прояву у їх складі резонансних та нерезонансних (від діелектрика та металу) компонент відбивання.

Об'єкт дослідження - поляризаційні особливості явища поверхневого плазмонного резонансу на прикладі тонких суцільних та кластерно структурованих плівок золота, а також золото-діелектричних нанокомпозитних структур. спектральний плівка поляризаційний відбивання

Предмет дослідження - анізотропія коефіцієнтів внутрішнього відбивання лінійно поляризованого випромінювання в умовах розмірних ефектів явища ППР з використанням методу ПМ вимірювання відповідних кутових та спектральних характеристик.

Методи дослідження - Стокс-аналіз внутрішнього відбивання від чистої однорідної поверхні скляного напівциліндра методом ПМ; метод ПМ кутової спектроскопії та частотної спектроскопії ППР в нанорозмірних суцільних та острівцевих плівках золота з подальшим аналізом складних нанокомпозитних структур; комп'ютерне моделювання; мікроскопія атомних сил; спектральний аналіз кута ізотропного відбивання лінійно поляризованого випромінювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у виявленні методом ПМ нових особливостей лінійної амплітудної анізотропії у явищі внутрішнього відбивання нанорозмірними плівками золота. Вперше отримано такі результати:

1. Запропоновано новий принцип реєстрації явища ППР, який полягає у вимірюванні поляризаційної різниці ?=R²_s-R²_p коефіцієнтів внутрішнього відбивання лінійно поляризованого випромінювання, що є аналогом Q-компоненти вектора Стокса.

2. Показано, що кутова характеристика ?(и), и - кут падіння світла, системи скло-метал-повітря містить три складові, одна з яких пов'язана з резонансним збудженням плазмон-поляритонів, а дві інші з нерезонансним відбиванням від діелектрика та від металу.

3. Виявлено, що товщина плівки L=11±0,5нм, являється характеристичним параметром експоненційної залежності оптичних властивостей плівок золота від товщини плівки та є перехідним значенням між діелектриком та металом.

4. Виявлено, що у кластерно структурованих плівок золота резонансний механізм збудження плазмон-поляритонів можливий не лише p-, а і s-поляризованим випромінюванням.

5. Продемонстровано в поляризаційно-модуляційному представленні прояв класичного розмірного ефекту в плівках золота при використанні товщини зразків від 5 до 120 нм та топологічного розмірного ефекту в ультратонких плівках золота.

6. Встановлено, що ступінь кластеризації плівки золота відображається в частотній дисперсії характеристики кута ізотропного відбивання s- і p- поляризованого випромінювання (_|(и)=0=f()), за допомогою якої продемонстровано перехід від класичного до топологічного розмірного ефекту в нанорозмірних плівках золота.

7. Виявлено, що в однофазних плівках золота знак кривизни функції ?(и) зумовлений різними механізмами резонансного збудження випромінюванням (лише p-поляризації або одночасно s- і p-поляризації) поверхневих плазмон-поляритонів, а в нанокомпозитних золото-діелектричних плівках знак нахилу функції ?(и) відображає ступінь домінування в плазмон-поляритонному механізмі резонансної взаємодії або s-, або p-поляризованого випромінювання.

Практична значимість отриманих результатів полягає у наступному:

1. запропонований метод ПМ реєстрації явища ППР та явища внутрішнього відбивання виявляється плідним в отриманні змістовних результатів досліджень завдяки великому значенню співвідношення сигнал-шум, розширеному діапазону (4-5 порядків) вимірюваної величини та у підвищенні чутливості різних сенсорних пристроїв;

2. реєстрація малої величини компоненти ППР на фоні загального сигналу ?(и) стає доступною методом ПМ. Використання модулятора поляризації дозволяє спостерігати поляризаційно-залежну компоненту на фоні ізотропної величини на рівні 10^-4;

3. багатоваріантна форма кутової характеристики поляризаційної різниці ?(и) дає підстави для використання її як засобу діагностики резонансного механізму взаємодії випромінювання (лише p, чи також і s-поляризації) з плівкою металу. Крім того, інформаційна здатність характеристики ? може бути використана при визначенні ознак домінування властивостей (діелектрика чи металу) в нанорозмірній плівці золота та подальшому встановленні її трьох основних параметрів - показника заломлення, показника поглинання і товщини плівки (n, к, d);

4. на основі встановлення типу механізму резонансної взаємодії електромагнітного випромінювання з електронною системою металевих плівок (одночасного s- та p- або лише p-поляризації) пропонується діагностика топологічних та структурних особливостей кластерно структурованих об'єктів;

5. функція кута ізотропного відбивання s- і p- поляризованого випромінювання _|(и)=0=f() має підстави для використання як тесту наявності класичного чи топологічного розмірного ефекту в плівці золота нанорозмірної товщини.

Особистий внесок здобувача: науково-дослідна робота, результати якої представлені в дисертації, виконана автором у колективі лабораторії модуляційно-поляризаційної спектроскопії відділу №18 Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Автором особисто проведено основний об'єм експериментальної роботи, проведено систематизацію, обробку та аналіз отриманих результатів, а також узагальнення експериментальних та розрахункових результатів дисертаційної роботи. Постановка задачі, аналіз та інтерпретація результатів, обговорення та написання наукових робіт [1-20] проводилися у творчій співпраці з співавторами публікацій.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень, що викладено в дисертації, були представлені та обговорені на наступних українських та міжнародних наукових конференціях: Міжнародна конференція студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики «Еврика-2006» (Львів, Україна, 2006), Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання 2007» (Київ, Україна, 2007), 3-я Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3 (Одеса, Україна, 2007), 8^th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science SPO-2007 (Kyiv, Ukraine, 2007), Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання 2008» (Київ, Україна, 2008), 8^th International Young Scientists Conference on Applied Physics ICAP (Kyiv, Ukraine, 2008), 3-я Міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна Електроніка та Мікросистемні Технології» СЕМСТ-3 (Одеса, Україна, 2008), 9^th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science SPO-2008 (Kyiv, Ukraine, 2008), Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання 2009» (Київ, Україна, 2009), Міжнародна науково-практична конференція «Структурна релаксація у твердих тілах» (Вінниця, Україна, 2009).

Публікації. В дисертаційній роботі представлені наукові результати, що опубліковані в 6 статтях [1-6], надрукованих у провідних міжнародних (2) та вітчизняних (4) фахових журналах, в 11 тезах українських та міжнародних конференцій [7-17]. Отримано 3 патенти України [18-20]: на винахід (1) та корисну модель (2).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел. Робота містить 144 сторінок машинописного тексту, з яких 131 сторінки складають загальний обсяг дисертації, 39 рисунків, які вміщено в текст, списку використаних джерел зі 133 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення результатів, особистий внесок здобувача. Наведено зв'язок дисертаційної роботи з науковими темами та планами, дані про апробацію роботи та перелік публікацій автора за темою дисертації, а також коротко викладено зміст дисертації по розділах.

У першому розділі оглядового характеру розміщено відомості про питання, що стосуються оригінальної частини. Проведено короткий аналіз сучасного стану теорії відбивання світла та особливостей взаємодії його з анізотропними речовинами, узагальнення яких викладено в класифікації оптичних поляризаційних ефектів. Основна увага приділяється поняттям про явище поверхневого плазмонного резонансу: його природу, спектральні та електронні властивості, методи реєстрації, вплив допоміжних факторів та практичні застосування. Носієм інформації у цьому ефекті являється тонка плівка металу (переважно золота), структурним та оптичним властивостям якої відведено значну частину розділу. Необхідність у цьому зумовлена їх сильною залежністю від товщини плівки при переході від острівцевих (кластерних) до суцільних гладких поверхонь. Зокрема такою критичною товщиною визнана d?11нм. Також наведено відомості про розмірні (класичний та топологічний) ефекти в тонких плівках золота, внесок яких може бути вирішальним при спостереженні явища ППР. Окрім явища ППР, параметри якого є високочутливими до властивостей поверхневих шарів, розглянуто інші оптичні методи, зокрема відводиться місце модуляційній спектроскопії, невід'ємною частиною якої являється представлений в роботі метод поляризаційної модуляції.

Другий розділ є методичним, де описано основні принципи та особливості методу поляризаційної модуляції (ПМ), який використовує таку дію на електромагнітне випромінювання, при якій амплітуда поляризаційно-ортогональних компонент, на які розкладається хвиля, та різниця фаз між ними являються функціями моделюючої дії, а інтенсивність випромінювання залишається незмінною. Такий результат можливо отримати двома шляхами, а саме зміною кута еліптичності або кута орієнтації еліпса поляризації.

Основним пристроєм у здійсненні модуляційного процесу є модулятор поляризації, що працює на основі фотопружного ефекту і виконує роль динамічної фазової пластинки. У розділі розглянуто його конструкційні особливості, характеристики та принцип функціонування в режимах аналізатора та перетворювача стану поляризації електромагнітного випромінювання.

До класу поляризаційно-залежних явищ відноситься як явище внутрішнього відбивання, так і явище ППР, яким властива амплітудна та фазова анізотропія за рахунок відповідно нерівності коефіцієнтів внутрішнього відбивання s- та p-поляризованого випромінювання та різниці фаз між ними. Тому поляризаційний аналіз відбитого випромінювання доцільно здійснювати реєстрацією компонент вектора Стокса S=[I,Q,U,V], де циркулярна V-компонента характеризує величину фазової анізотропії, а дві лінійні Q- та U-компоненти характеризують амплітудну анізотропію.

У розділі зроблено Стокс-аналіз явища внутрішнього відбивання від скляного напівциліндра у випадку падаючого лінійно поляризованого монохроматичного випромінювання з азимутом поля хвилі 45⁰ відносно площини падіння. З урахуванням матричного формалізму, що базується на 4-х компонентному векторі Стокса та відповідних йому 4Ч4 матрицях Мюллера, отримано вирази для компонент вектора Стокса S=[I,Q,U,V] випромінювання, що в результаті повного внутрішнього відбивання (ПВВ) стало еліптично поляризованим у загальному випадку:

I_hc=¹/₂(|R_s|² + |R_p|²), Q_hc =¹/₂(|R_s|² - |R_p|²), U_hc = | R_s || R_p |cos(д_s - д_p), V_hc = | R_s || R_p |sin(д_s - д_p) (1)

де R_s та R_p - значення амплітудних коефіцієнтів відбивання випромінювання s- та p-поляризації, д_s та д_p - їх фази; I_hc - загальна інтенсивність випромінювання; Q_hc - стан поляризації, що визначається різницею інтенсивності між s та p компонентами; U_hc - стан поляризації, який являється сумою рівних векторів s та p компонент; V_hc - циркулярна компонента.

Наразі при використанні модулятора як аналізатора стану поляризації розглянуто зміну стану поляризації та інтенсивності випромінювання після проходження оптичних елементів схеми. Наведено вирази для вихідної інтенсивності випромінювання та продемонстровано на математичному апараті принцип розділення двох лінійних та циркулярної компонент вектора Стокса.

Принцип роботи модулятора в режимі перетворювача стану поляризації є особливо доречним при реєстрації аналога лінійної Q-компоненти - параметра «поляризаційна різниця» ? коефіцієнтів внутрішнього відбивання s- та p-поляризованого випромінювання. У розділі представлено математичну модель цього параметра на основі формалізму рівнянь Френеля (2) та матриці розсіювання (3) для визначення зміни стану поляризації випромінювання при проходженні багатошарової структури (скло-0 - металева плівка-1- повітря -2), що супроводжує збудження поверхневих плазмон-поляритонів. Причому коефіцієнти відбивання для s- та p-поляризованого випромінювання виражають як

r_p01=(N₁cos(и₀)-N₀cos(и₁))/(N₁cos(и₀)+N₀cos(и₁)); r_p12=(N₂cos(и₀)-N₁cos(и₂))/(N₂cos(и₀)+N₁cos(и₂)); (2)

r_s01=(N₀cos(и₀)-N₁cos(и₁))/(N₀cos(и₀)+N₁cos(и₁)); r_s12=(N₁cos(и₁)-N₂cos(и₂))/(N₁cos(и₁)+N₂cos(и₂));

де и₀, и₁, и₂ - кути розповсюдження світла в середовищі 0, 1 та 2 відповідно; а матрицю розсіювання

M_j=I_j01L₁I_j12, (3)

де j=s,p; I_j01=[[1, r_j01],[r_{j01, 1}]] I_j12=[[1,r_j12],[r_j12,1]] матриці межі поділу між середовищами 0-1 та 1-2 відповідно, L₁=[[e^-i,0],[0,eⁱ]] - матриця плівки, де в=^2рd/_л(sqrt(N₁²-N₀²(sin(₀))²)) - визначає зміну фази, яку набуває відбита в плівці хвиля при одноразовому проходженні через плівку. В такому представленні амплітудні коефіцієнти відбивання електромагнітного випромінювання s- та p-поляризації (відповідно R_s та R_p) визначатимуться елементами першого стовпця матриці розсіювання.

Отже, поляризаційна різниця ?, що є експериментально вимірюваною величиною і продуктом методу ПМ, рівна різниці інтенсивностей коефіцієнтів внутрішнього відбивання R_s та

R_p: ? = R_s² - R_p². (3)

Важливою характеристикою поляризаційної різниці ? виступає її інформативність при реєстрації особливостей явища ППР в нанорозмірних плівках золота, пов'язаних з наявністю лінійної амплітудної анізотропії внутрішнього відбивання. Тому переважна більшість проведеної експериментальної роботи відноситься до реєстрації саме цього явища.

З огляду на це, окремий пункт розділу відведено об'єктам дослідження - нанорозмірним плівкам золота товщиною від 3 до 200нм різної структури і топології та золото-дієлектричним нанокомпозитним плівкам з наночастинок золота в різних діелектричних матрицях: оксид алюмінію (Al₂O₃), полівінілкарбазол (PVK), калліксарен (КА) та повітря.

В залежності від науково-дослідної задачі з проведенням поляризаційного аналізу світла наведено дві схеми оптичної експериментальної установки для вимірювання компонент вектора Стокса S=[I,Q,U,V] та поляризаційної різниці ?. Детально описано принцип роботи кожного варіанту, що надає науковцю змогу у реалізації дослідного експерименту з реєстрації фазової чи амплітудної анізотропії внутрішнього відбивання.

У третьому розділі представлено результати поляризаційно-модуляційного дослідження особливостей явища поверхневого плазмонного резонансу в нанорозмірних плівках золота.

Апробацію здійснення поляризаційного аналізу проведено на прикладі внутрішнього відбивання лінійно поляризованого випромінювання від скляного напівциліндра, який є невід'ємним робочим елементом оптичної експериментальної установки. Отримані експериментальні кутові залежності Q_hc-, U_hc-, та V_hc-компоненти вектора Стокса для напівциліндра (рис.1) мають якісне узгодження з наведеними у розділі теоретичними розрахунковими кривими за формулами (1) та адекватно характеризують як фазову, так і амплітудну анізотропію внутрішнього відбивання.

Характерною особливістю цих трьох отриманих кутових характеристик являється їх висока крутизна в околі критичного кута ПВВ и_cr=43⁰. Було проведено більш детальні дослідження в області цього кута, які дозволили оцінити виявну здатність методу ПМ по відношенню до величини амплітудної анізотропії внутрішнього відбивання, що знаходиться на рівні 10^-4, та фазової анізотропії - на рівні 10^-6.

Першою реалізацією можливостей методу ПМ стала розробка пристрою для аналізу бімолекулярних середовищ [18], що є вагомим аргументом для подальшого використання цього методу у дослідженнях ефектів амплітудної та фазової анізотропії внутрішнього відбивання.

Переважно в роботі представлено дослідження методом ПМ, що зосереджені на ефектах лінійної амплітудної анізотропії внутрішнього відбивання тонкими плівками золота товщиною від 3 до 200нм, реєстрацією явища ППР. У більшості випадків при кутовому скануванні призми з нанорозмірною плівкою золота, що супроводжує збудження поверхневих плазмон-поляритонів, результатом вимірювання є крива R_p²(и), що характеризується за умови резонансу мінімальним значенням коефіцієнту внутрішнього відбивання p-поляризованого випромінювання. Використання методу ПМ для реєстрації явища ППР шляхом вимірювання кутової характеристики поляризаційної різниці ?(и) коефіцієнтів внутрішнього відбивання s- та p-поляризованого випромінювання дозволило отримати ряд оригінальних результатів, не доступних для інших методик вимірювання.

Рис. 2 ілюструє порівняння традиційного та ПМ методів вимірювання кутової залежності кривої ППР на прикладі плівки золота товщиною d=50нм.

Слід відмітити, що більша інформативна ємність характеристики ?(и) зумовлена місткістю відгуку плівки на обидва стани випромінювання s- та p-поляризації. При цьому характерна особливість поляризаційної різниці ?(и) полягає у тому, що амплітуда сигналу має максимум при резонансному куті збудження поверхневих плазмон-поляритонів и_sp, тобто там, де інтенсивність відбивання p-поляризації R_p²(и) має мінімум. Завдяки цьому зареєстровані сигнали набагато перевищують рівень шумів вимірювальної апаратури. Отриманий результат являється достовірним навіть тоді, коли сигнал ?(и) менше рівня шумів R_s²(и) та R_p²(и), зумовлених їх часовою нестабільністю, яка супроводжує вимірювані сигнали R_s²(и) та R_p²(и) при їх поодинокій реєстрації. Це означає, що навіть незначні відмінності в цих функціях можуть бути суттєво підсилені та зареєстровані за рахунок «занулення» шляхом віднімання спільних закономірностей. Цей принцип було покладено в основу розробки пристрою для аналізу біосередовищ [20].

Відомо, що коли товщина металевої плівки стає порівнянною з середньою довжиною вільного пробігу електронів, то в оптичних властивостях цієї плівки проявляються аномальні явища. Іншими словами має місце класичний розмірний ефект, який у поляризаційно-модуляційному зображенні представлено на рис. 3 сукупністю кутових характеристик поляризаційної різниці ?(и) для плівок золота різної нанорозмірної товщини d=5ч200нм.

Виявлено, що форма кутової характеристики ?(и) містить на фоні яскраво виражених ознак резонансної взаємодії електромагнітного випромінювання з поверхневими плазмон-поляритонами (и?46⁰) ознаки неповного внутрішнього відбивання (НПВВ) випромінювання від середовища з відповідними діелектричними властивостями (и<и_cr=43⁰), а також ознаки відбивання від масивного металу (и>и_cr). Слід відмітити, що величина від'ємного сигналу ?(и) немонотонно залежить від товщини зразка і пов'язана з «аномальним» відбиванням s-поляризованого випромінювання ультратонкою плівкою золота за рахунок порушення умов ПВВ. Отримано якісне узгодження експериментальних даних з теоретичними розрахунками за формулами Френеля навіть в області від'ємних значень ?(и) (вставка рис.3).

Для розрахунку величини ?(и) за формулами Френеля було запропоновано функціональну модель, що передбачала експоненційну залежність оптичних параметрів плівки золота (показників заломлення n та поглинання к) від її товщини:

n₁=0,2+exp(-0,2-d/L), к₁=3,6(1-exp(-d/L)), (4)

де характеристичний параметр L=11±0,5нм виконував роль параметру підгонки.

З наведеної в розділі товщинної залежності поляризаційної різниці ?(d) при сталому куті падіння випромінювання и=42⁰ (рис. 4) видно, що характеристичний параметр L має фізичний зміст товщини і є перехідним значенням в залежності оптичних властивостей плівок золота від діелектрика до масивного металу.

Ця товщина безпосередньо пов'язана з довжиною вільного пробігу електронів. Зміна оптичних властивостей Au плівки з товщиною та прояв класичного розмірного ефекту починає проявлятися для d<28нм, що при довжині хвилі л=632нм є товщиною скін-шару. Про це свідчить значна розбіжність експерименту і розрахунку за формулами (4) з розрахунком при n і к об'ємного золота.

Аналіз поведінки кутової характеристики ?(и) в широкому спектральному діапазоні довжин хвиль л=400ч2000нм дозволив прослідкувати за переходом від характерних ознак явища ППР до прояву відбивання від об'ємного металу на прикладі тонкої плівки золота товщиною d=50нм. Зсув резонансного кута ППР, що при цьому має місце, став підґрунтям до побудови для цієї плівки експериментальної характеристики дисперсії поверхневих плазмон-поляритонів, що має вигляд типової форми (рис. 5). Розбіжність між експериментальними даними та розрахунком, що має місце, свідчить про наявність шорсткості на поверхні реальної плівки золота на відміну від ідеально гладкої поверхні.

Матеріали, що викладені у розділі 3, містяться в публікаціях [1, 2, 3].

У четвертому розділі розглянуто розмірні ефекти внутрішнього відбивання в нанорозмірних кластерно структурованих плівках золота.

Перш за все відзначимо, що в таких неоднорідних об'єктах прояв резонансного механізму збудження поверхневих плазмонів електромагнітним випромінюванням має складний характер, який наочно розглянуто на прикладі порівняння кутових поляризаційних залежностей (R_s²(и), R_p²(и), ?(и)) плівок золота товщиною d=5 та 30нм. Встановлено спільний механізм резонансної взаємодії з електронною системою кластерів золота для s- та p-поляризованого випромінювання, який відмінний від гладких плівок, де ППР зумовлений лише станом p-поляризації. Згідно запропонованої моделі на поверхні кластерів півсферичної форми можна знайти плоску у лінійному наближенні ділянку, яка б задовольняла дисперсійну умову, а вектор електричного поля хвилі буде мати складову в напрямку такої поверхні при обох станах її поляризації. Тому реалізація явища ППР відбувається у збільшеному діапазоні кутів падіння, які перевищують критичний кут и>и_cr.

Слід відзначити, що в кластерно структурованих Au плівках, для яких характерна диспергована структура, при зміні розмірів кластерів має місце топологічний розмірний ефект, який в поляризаційно-модуляційному зображенні виявлено у різному знаку кривизни кутової характеристики поляризаційної різниці ?(и) в діапазоні кутів падіння и>и_cr.

Інтерпретацію результатів було проведено на прикладі кластерної Au плівки з товщиною d=5нм (рис. 6) та доповнено аналізом експериментальних результатів для Au плівок товщиною d=10нм у первинному та відпаленому при T=230⁰C стані. Встановлено, що зміна знаку кривизни від додатного до від'ємного в діапазоні кутів падіння и>и_cr зумовлена збудженням поверхневих плазмон-поляритонів відповідно одночасно s- і p- та лише p-поляризованим випромінюванням.

Шляхом поступової видозміни структури Au плівок від гладкої суцільної з незначною шорсткістю через перколюючі до кластерної з високою поруватістю на прикладі зразка з товщиною d=20нм показано, що величина кута ізотропного відбивання s- та p-поляризованого випромінювання_|с(и)=0=f() дуже чутлива до ступеню кластеризації плівки внаслідок зміни співвідношення інтенсивності тієї чи іншої поляризації, які збуджують резонансну взаємодію.

Дослідження дисперсії кута ізотропного відбивання _|с(и)=0=f() в діапазоні кутів падіння и>и_cr зразків Au плівок товщиною d=5, 10 та 20нм з їх подальшою реструктуризацією дозволило отримати оригінальні результати, які наочно ілюструють перехід від класичного до топологічного розмірного ефекту (рис 7).

Встановлено, що розташування експериментальної залежності _|(и)=0=f() при довжинах хвиль л>500нм в діапазоні кутів, близькому до кута ковзання и?90⁰, зумовлене малою кількістю металу в плівці, її кластерною структурою та можливістю збудження поверхневих плазмон-поляритонів випромінюванням одночасно s- і p-поляризації. З іншого боку, розміщення функції _|(и)=0=f() в кутовому діапазоні, близькому до кута ПВВ и?и_cr, зумовлене значною товщиною металевої плівки, а збудження поверхневих плазмон-поляритонів зумовлене лише p-поляризованим випромінюванням.

Матеріали, що викладені у розділі 4, містяться в публікаціях [4, 5].

У п'ятому розділі набуті висновки та положення досліджень однофазних плівок золота методом ПМ застосовані до вивчення особливостей взаємодії електромагнітного випромінювання з нанокомпозитними плівками, що представляли собою Au наночастинки в діелектричних матрицях: полівінілкарбазолу (PVK), калліксарену (KA), оксиду алюмінію(Al₂O₃), та повітря. Плівки були отримані методом термічного випаровування у вакуумі та методом імпульсного лазерного осадження.

Показано, що поляризаційні кутові характеристики (R_s²(и), R_p²(и), ?(и)) для нанокомпозитної плівки Au/повітря товщиною d=20нм у первинному стані та після відпалу проявляють резонансний характер взаємодії з електронною системою плівки випромінювання обох станів поляризації. Така поведінка характерна для значно тонших кластерно структурованих Au плівок (d<10нм), розглянутих у розділі 3.

Виявлено для золото-діелектричної плівки Au/Al₂O₃, що s-поляризована хвиля проявляє більшу інтенсивність плазмон-поляритонного механізму взаємодії порівняно з p-поляризованою, тобто R_s²_|sp>R_p²_|sp (рис. 8). Їх оцінка проводилася із співвідношення величин амплітуд при критичному куті и_cr та в області мінімуму. З урахуванням анізотропії діелектричних властивостей цієї плівки, що спричинена методом виготовлення, та наданням комплексного показника заломлення окремо для s- і p-поляризованих випромінювань розрахунок за формулами Френеля більш ніж задовільно узгоджується з експериментальними характеристикам. З розрахунку визначено оптичні параметри нанокомпозитної плівки Au/Al₂O₃: ефективні значення показників заломлення n_s=1,51±0,005, n_p=1,53±0,005 та показників поглинання к_s=0,08±0,001, к_p=0,065±0,001 відповідно для s- і p-поляризації, які приймають проміжні значення між тими величинами, що властиві окремим складовим матеріалам плівки.

На прикладі золотоорганічних нанокомпозитів: Au/PVK та Au/KA з товщиною відповідно d=50 та 40нм продемонстровано у ПМ представленні топологічний розмірний ефект в нанокомпозитних плівках, який проявляється у різному знаку нахилу кутової характеристики поляризаційної різниці ?(и) при різних довжинах хвиль л=450ч1000нм (рис. 9).

Проведений аналіз зміни знаку нахилу характеристики ?(и) від додатного до від'ємного дозволив пояснити кардинальні зміні розташування екстремуму по шкалі ординат в напрямку більших кутів із збільшенням довжини хвилі випромінювання, чого не спостерігалося у однофазних тонких Au плівках.

Встановлено, що знак нахилу функції ?(и) в композитних плівках визначає ступінь домінування в плазмон-поляритонному механізмі резонансної взаємодії випромінювання або s-, або p-поляризації, а саме для =550нм маємо R_s²_|sp<R_p²_|sp , а для =800нм маємо R_s²_|sp>R_p²_|sp. Підтвердження такого розкиду значень по довжині хвилі продемонстровано у розділі на спектрах відбивання при куті и=55⁰ характеристик R_p²(л), R_s²(л) та ?(л). Причини цього зумовлені різною природою окремих складових елементів нанокомпозитних плівок та кластерною структурою, яку визначено вимірюванням дисперсії кута ізотропного відбивання s- і p-поляризованого випромінювання _|(и)=0=f().

Матеріали, що викладені у розділі 5, містяться в публікації [6].

ВИСНОВКИ

Структура та зміст дисертаційної роботи викладені у послідовності згідно поставлених наукових задач, саме тому кожний окремий розділ та вся робота в цілому представляють комплекс рішень, міркувань та відповідей з наступними загальними висновками:

1. Доведено практичну значимість методу поляризаційної модуляції проведенням Стокс-аналізу стану поляризації електромагнітного випромінювання, відбитого від внутрішньої чистої поверхні скляного напівциліндра. Встановлено, що виявна здатність методу ПМ по відношенню до величини амплітудної анізотропії знаходиться на рівні 10^-4, а фазової на рівні 10^-6. Встановлено, що такому параметру як поляризаційна різниця коефіцієнтів внутрішнього відбивання s- та p-поляризованого випромінювання, що є аналогом Q-компоненти вектора Стокса, властива підвищена інформаційна здатність за рахунок збільшеного динамічного діапазону та ефективність при аналізі експериментальних результатів.

2. Показано, що кутова характеристика поляризаційної різниці ?(и) системи скло-метал-повітря містить три складові: резонансну компоненту - збудження поверхневих плазмон-поляритонів; та дві нерезонансні компоненти - відбивання від діелектрика та металу.

3. Продемонстровано в поляризаційно-модуляційному представленні прояв класичного розмірного ефекту в тонких плівках золота при використанні зразків товщиною від 5 до 120нм та топологічного розмірного ефекту в кластерно структурованих плівках золота.

4. Встановлено величину характеристичного параметра L=11±0,5нм експоненційної залежності оптичних параметрів (показників заломлення n та поглинання к) плівки золота від її товщини. Показано, що це є товщина, при зростанні якої плівка золота набуває оптичних властивостей масивного матеріалу.

5. Виявлено в кластерно структурованих плівках золота резонансний механізм збудження плазмон-поляритонів не лише p-, а і s-поляризованим випромінюванням.

6. Виявлено, що ступінь кластеризації плівки золота відображається в частотній дисперсії характеристики кута ізотропного відбивання s- і p-поляризованого випромінювання (_|с(и)=0=f()), за допомогою якої продемонстровано перехід від класичного до топологічного розмірного ефекту в тонких плівках золота.

7. Виявлено, що в однофазних плівках золота знак кривизни кутової характеристики поляризаційної різниці ?(и) зумовлений різними механізмами резонансного збудження випромінюванням (лише p-, або одночасно s- і p-поляризації) поверхневих плазмон-поляритонів, а в нанокомпозитних (багатофазних) золото-діелектричних плівках знак нахилу функції ?(и) вказує на ступінь домінування в плазмон-поляритонному механізмі резонансної взаємодії або s-, або p-поляризованого випромінювання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Polarization Modulation Spectroscopy of Surface Plasmon Resonance / L.J. Berezhinsky, L.S. Maksimenko, I.E. Matyash [et al.] // Optics and Spectroscopy. 2008. V.105, N2. P. 281-289.

2. Стокс-поляриметрический анализ внутреннего отражения, основанный на модуляции поляризации электромагнитного излучения / Л.Й. Бережинский, І.Є. Матяш, С.П. Руденко, Б.К. Сердега // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. 2008. Вып.43. C. 83-91.

3. New features of surface plasmon resonance detected by modulation of electromagnetic radiation polarization / L.J. Berezhinsky, I.E. Matyash, S.P. Rudenko, B.K. Serdega // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2008. V. 11, N1. P. 63-69.

4. Size effects in the internal reflection in gold cluster films in polarization modulation experiments / L.I. Berezhinskii, O.S. Litvin, L.S. Maksimenko [et al.] // Optics and Spectroscopy. 2009. V.107,N2. P.264-269.

5. The features of surface plasmon resonance in gold cluster films / L.S. Maksimenko, I.E. Matyash, S.P. Rudenko, B.K. Serdega // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2009. V. 12, N2. P. 129-134.

6. Поляризаційно-модуляційна спектроскопія поверхневого плазмонного резонансу в наноструктурах залота, отриманих методом імпульсного лазерного осадження / Е.Б. Каганович, І.М. Кізяк, Е.Г. Манойлов [та ін.] // УФЖ. 2009. Т.54, №6. С. 624-629.

7. Дослідження особливостей явища повного внутрішнього відбиття методом поляризаційної модуляції: матеріали міжнародної конференції студентів та молодих науковців [“Еврика-2006”], (Львів, 15-17 трав. 2006 p.) / Львів. нац. ун-т ім. І. Франка. Л.: Львів. нац. ун-т ім. І. Франка, 2006. С. 58.

8. Нові особливості поверхневого плазмонного резонансу, виявлені модуляцією поляризації електромагнітного випромінювання: матеріали конференції молодих вчених [“Лашкарьовські читання-2007”], (Київ, 25-26 квіт. 2007 р.) / Ін-т фіз. напівпровідників. ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. К.: ІФН НАН України: Від. опт. та оптоелектрон. реєструючих середовищ, 2007. С. 37-38.

9. Модуляційно-поляризаційна спектроскопія діелектричних властивостей матеріалів / Б.К. Сердега, Л.Й. Бережинський, І.Є. Матяш, С.П. Руденко // УНКФН-3: 3-я Українська наукова конференція, Одеса, 17-22 черв. 2007 р.: тези доп. О., 2007. C. 168.

10. Особливості явища внутрішнього відбиття у дослідженнях із застосуванням поляризаційної модуляції електромагнітного випромінювання / Л.Й. Бережинський, Б.К. Сердега, С.П. Руденко, І.Є. Матяш // УНКФН-3: 3-я Українська наукова конференція, Одеса, 17-22 черв. 2007 р.: тези доп. О., 2007. C. 180.

11. Research of surface plasmon resonance by modulation polarization method: abstracts of the 8^th International Young Scientists Conference [“SPO-2007”], (Kyiv, 25-28 Oct. 2007) / T. Shevchenko Kyiv National University. K.: “Київський університет”, 2007. P. 27.

12. Особливості внутрішнього відбиття на тонких плівках золота: матеріали конференції молодих вчених [“Лашкарьовські читання-2008”], (Київ, 21-23 квіт. 2008 р.) / Ін-т фіз. напівпровідників. ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. К.: ІФН НАН України: Від. опт. та оптоелектрон. реєструючих середовищ, 2008. С. 12-13.

13. Modulation polarization of surface plasmon-polaritone resonance: abstracts of the 8^th International Young Scientists Conference [“ICAP”], (Kyiv, 11-13 June 2008) / T. Shevchenko Kyiv National University. K.: “Київський університет”, 2008. P. 69.

14. Сенсори на основі модуляції поляризації внутрішнього відбиття / Л.Й. Бережинський, І.Є. Матяш, С.П. Руденко [та ін.] // Сенсорна Електроніка та Мікросистемні Технології СЕМСТ-3: 3-я Міжнародна науково-технічна конференція, Одеса, 2-6 черв. 2008 р.: тези доп. О., 2008. C. 106.

15. Research of the total internal reflaction of light in gold nanofilms by modulation polarization method: abstracts of the 9^th International Young Scientists Conference [“SPO-2008”], (Kyiv, 23-26 Oct. 2008) / T. Shevchenko Kyiv National University. K.: “Київський університет”, 2008. P. 62-63.

16. Аналіз спектральних характеристик поляризаційної різниці коефіцієнтів внутрішнього відбивання: матеріали конференції молодих вчених [“Лашкарьовські читання-2009”], (Київ, 14 трав. 2009 р.) / Ін-т фіз. напівпровідників. ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. К.: ІФН НАН України: Від. опт. та оптоелектрон. реєструючих середовищ, 2009. C. 10-11.

17. Поляризаційно-модуляційний метод дослідження наноструктурованих матеріалів: матеріали міжнародної науково-практичної конференції [“Структурна релаксація у твердих тілах”], (Вінниця, 19-21 трав. 2009 р.) / Вінницький держ. пед. ун-т ім. М. Коцюбинського. В.: ТОВ “Планер”, 2009. С. 89-91.