Theoretical and experimental study of novel integrated magnetoplasmonic nanostructures

par Lukas Halagacka

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Béatrice Dagens et de Kamil Postava.

  • Titre traduit

    Etude théorique et expérimentale de nanostructures magnétoplasmoniques intégrées


  • Résumé

    Ce travail porte sur l’exaltation de l’effet magnéto-optique (MO) Kerr transverse induite par des «résonances extraordinaires» dans un réseau d’or périodique 1D déposé sur un oxyde de grenat magnéto-optique. La structure complète incluant le réseau métallique 1D a été conçue, simulée numériquement, dimensionnée, fabriquée puis caractérisée. Un algorithme de type RCWA (Rigorous Coupled Wave Algorithm) adapté au calcul parallèle a été développé et utilisé d’une part pour l’étude théorique des modes résonants dans les réseaux magnétoplasmoniques et d’autre part pour l’analyse des données de mesures optiques et magnéto-optiques d’ellipsométrie à base de matrices de Mueller. L’impact sur la réflectivité angulo-spectrale du couplage entre les modes Fabry-Pérot des fentes du réseau et les plasmons de surface à l’interface entre l’or et la couche de grenat MO est ainsi étudié, en utilisant les paramètres optiques et magnéto-optiques réels des matériaux. Pour cela, les caractéristiques optiques du substrat en sGGG (grenat de gallium et gadolinium dopé CaMgZr) et du matériau Bi:GIG (grenat de fer et de gadolinium substitué bismuth) sont au préalable déterminés dans la gamme spectrale 0,73 – 6,42 eV (193 nm-1,7 μm) par ellipsométrie à base de matrices de Mueller. Puis de même la dispersion des composantes magnéto-optiques du tenseur diélectrique est obtenue en appliquant un champ magnétique externe dans le plan, en configuration longitudinale ou transverse. Ces données mesurées sont alors utilisées dans les simulations. Il est ainsi démontré numériquement que grâce à l’interaction des résonances de surface et de cavité dans le réseau 1D l’effet Kerr transverse peut être exalté, éteint ou même de signe inversé, et cela sans renverser ou modifier l’aimantation de la couche magnéto-optique. Pour confirmer les résultats théoriques, une série d’échantillons comportant des réseaux de fentes différentes a été fabriquée par lithographie électronique et procédé de lift-off. Afin de reproduire les données des matrices de Mueller mesurées, les modèles ont été adaptés et optimisés pour tenir compte des imperfections des structures réelles. Les mesures expérimentales confirment l’exaltation de l’effet Kerr magnéto-optique transverse due aux effets magnéto-plasmoniques et prouvent la validité des modèles.


  • Résumé

    This work studies the enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect by exploiting extraordinary resonances occurring in 1D periodic grating. The 1D periodic gold grating structure was designed, described, numerically simulated, and fabricated. A rigorous Coupled Wave Algorithm (RCWA) developed for parallel computing is used for the theoretical study of resonant modes in magnetoplasmonic gratings and for analysis of optical and magneto-optical data measured by Mueller matrix ellipsometry. The impact of coupling between Fabry-Perot modes inside grating air-gaps and surface plasmon mode at the interface between gold and MO garnet layer is studied via spectra of specular reflectivity and for the various angles of incidence. In a first step, the optical functions of the (CaMgZr)-doped gallium-gadolinium garnet (sGGG) substrate and the Bi-substituted gadolinium iron garnet (Bi:GIG) are obtained in the spectral range from 0.73 eV to 6.42 eV (wavelength range 193 nm – 1.7 μm). Subsequently, the spectra of the magneto-optical tensor components are obtained by applying an external in-plane magnetic field in longitudinal and transverse geometry. The obtained functions are then used for numerical simulations demonstrating that by hybridization of surface and cavity resonances in this 1D plasmonic grating, the transverse Kerr effect can be further enhanced, extinguished or even switched in sign and that without inverting or modifying the film's magnetization. To confirm theoretical results a set of samples, gratings with a different width of an air-gap, was fabricated using electron beam lithography and liftoff technique. To be able to reproduce Mueller matrix data from the samples, the models describing realistic structures were further developed and optimized. Experimental measurements of real structures confirm transverse MO effect enhancement using magnetoplasmonic effects and prove applicability of numerical models.


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