Název projektu
Mikroskopie a spektroskopie Muellerových matic pro studium komplexních systémů s netriviální optickou odezvou
Kód
SP2020/71
Předmět výzkumu
Tento projekt je zaměřen na experimentální charakterizaci a modelování optické odezvy komplexních vzorků, jako jsou difraktivní a rozptylové anizotropní struktury nebo struktury vykazují silné depolarizační jevy a optickou aktivitu. Dále se zaměříme na struktury kombinující optické jevy způsobené geometrickou konfigurací studovaného systému, jmenovitě periodickou modulací povrchu, s optickou aktivitou a magnetooptickými vlastnostmi použitých materiálů. Komplexnost studované problematiky určuje tři základní pilíře tohoto projektu: příprava a studium materiálů a struktur s komplexní optickou odezvou, rozvoj optických experimentálních metod, a numerické modelování a optimalizace optické odezvy.
Z pohledu studovaných optických jevů se zaměříme na studium destiček materiálů s optickou aktivitou a optickou anisotropií, které představují klíčové stavební komponenty pro konstrukci optických prvků, především vlnových retardérů, které jsou využívány například pro konstrukci polarimetrických komponent. [1,2] Zvyšující se nároky na přesnost optických měření s sebou nesou rovněž vysoké nároky na jednotlivé komponenty a jejich sestavy. Proto je důležité vyvíjet nové postupy a obecnější modely, které popisují optickou odezvu těchto komponent jako celku a které umožní jejich optimalizaci nebo optimalizaci celé optické sestavy v širokém spektrálním rozsahu, a to s ohledem na jejich kompletní polarimetrickou odezvu. [3] Perspektivou v tomto směru je vyvinou obecnější modely a postupy, založené na dekompozicích Muellerových matic, a získat tak citlivost i na slabé efekty vyšších řádů, například na optickou aktivitu. Druhou skupinu studovaných struktur představují periodické struktury kombinující jevy povrchové plasmonové rezonance a magnetooptickou odezvu materiálů. Tyto struktury nacházejí uplatnění v systémech s nereciprokou optickou odezvou, například v optických izolátorech, tedy v optických strukturách a součástkách s preferovaným směrem propagace elektromagnetické vlny. Nedávno byly demonstrovány magnetoplasmonické struktury (tedy struktury kombinující jev povrchové plasmonové rezonance s magnetooptickými jevy) pro reflexní konfiguraci, s operační bodem v viditelném blízké infračervené a terahertzové oblasti elektromagnetického spektra. [4,5] Struktury založené na polovodičovém materiálu InSb se zdají být vhodnými kandidáty pro magnetoplasmonická nereciproká zrcadla pro dalekou infračervenou oblast. [6] Tyto struktury je třeba modelovat a optimalizovat pro dosažení maximálního rozdílu přenesené intenzity světla v dopředném a zpětném směru.
Z pohledu rozvoje experimentálních metod se zaměříme především na rozvod metody mikroskopie Muellerových matic s využitím prototypu polarimetrického mikroskopu Horiba. Tato metoda umožňuje určení kompletní polarimetrické odezvy (včetně depolarizačních jevů) o ve dvou konfiguracích. V přímé konfiguraci je měřena polarimetrická odezva od zobrazeného povrchu a velikost pozorované oblasti je určena zorným polem mikroskopového objektivu. V druhé konfiguraci je na kameru promítnuta zpětná ohnisková rovina a měřená odezva představuje polarimetrickou odezvu měřenou pro angulární a polární úhly určené numerickou aperturou použitého objektivu. Tato metoda je rovněž velice citlivá na defekty či nehomogenity v systémech tenkých vrstev a na nepřesnost v periodických strukturách. [7] Pro získání optických dat s využitím mikroskopu Muellerových matic je nutné systém zkalibrovat a optimalizovat, čehož bude dosaženo s využitím kalibrační metody založené na optimalizaci vlastních čísel matice popisující kompletní optický systém mikroskopu. [8] Z pohledu spektrální charakterizace se zaměříme na spektroskopickou elipsometrii Muellerových matic v blízké ultrafialovém viditelné a blízké infračervené spektrální oblasti, infračervenou spektroskopii a terahertzovou spektroskopii v časové doméně.
Třetí pilíř tohoto projektu je zaměřen na zpracování a modelování optických dat změřených na studovaných materiálech a strukturách. V této aktivitě se zaměříme na vývoj optických modelů, pomoci kterých určíme optické a magnetooptické funkce studovaných materiálů. Další částí je modelování a optimalizace struktura návrh struktur pro experimentální ověření numerických simulací. Pro modelování bude využito vyvinutých programů založených na metodě vázaných vln (RCWA, Rigorous Coupled Wave Analysis) a přístupů konečných a hraničních prvků s využitím prostředí Comsol a CST Microwave studio. Tyto numerické modely budou dále srovnány s modely založenými na analytických a semianalytických řešeních klasických teorií Mieho rozptylu a Condonova-Fedorovova přístupu rigorózního řešení Maxwellových rovnic.
Vize projektu:
Vizí tohoto projektu je studium materiálů a struktur s komplexní optickou odezvou. V projektu se zaměříme spektroskopickou charakterizaci a modelování materiálů vykazující optickou aktivit, na charakterizaci optických a magnetooptických materiálů a návrh periodických difrakčních struktur kombinující magnetooptické a palsmonické jevy. Pro dosažení cílů projektu se zaměříme především na rozvod metody mikroskopie Muellerových matic a na vývoj optických modelů popisující polarimetrickou spektrální odezvu studovaných materiálů a struktur.
Cíle projektu:
• Vývoj modelů popisující optickou odezvu a aktivitu křemenných anizotropních destiček a výslednou optickou odezvu sestavy fázové destičky vyššího řádu sestavené z několika křemenných destiček.
• Vývoj a úpravy optické dráhy prototypu mikroskopu Muellerových matic, rozvoj kalibračních metod, optimalizace systému pro měření na více vlnových délkách a implementace prostředí pro automatické procedury (kalibrace, měřená a zpracování měřených dat).
• Charakterizace optických a magnetooptických funkcí vzorků InSb s různým dopováním a za různých teplot (od pokojové teploty po cca 800 °C)
• Návrh periodických struktur na InSb substrátu s nereciprokou optickou odezvou.
• Výroba testovacích vzorku periodických struktur metodou UV litografie a naprašováním.
Bloky řešení projektu:
B1 – Rozvoj experimentálních metod
V tomto bloku se zaměříme na rozvoj experimentálních metod, které budou potřeba na charakterizaci a experimentální měření materiálů a struktur:
• Vývoj systému pro mikroskopii Muellerových matic a rozvoj kalibračních metod
• Rozvoj spektroskopických modelů pro anizotropní materiály a materiály s optickou aktivitou
• Rozšíření experimentech sestav pro magnetooptická měření
• Rozšíření spektroskopických sestav o měření za zvýšené (kontrolované) teplotě, příprava elipsometrických měření vzorku za různých teplo s využitím vakuové komory PVD systému.
B2 – Optická charakterizace, numerické modelování a vývoj optických modelů
V tomto bloku se zaměříme na spektroskopickou charakterizaci a modelování optických dat:
• Rozvoj optických modelů popisujících systémy anizotropních destiček vykazující optickou aktivitu, separace vlivu optické anisotropie a aktivity s využitím dekompozice Mullerových matic.
• Charakterizace vyrobených periodických struktur a optimalizace struktury s ohledem technologické aspekty výroby
• Vývoj modelů popisující optické funkce InSb za proměnlivé teploty
• Rozvoj optických modelů komplexních struktur s využitím prostředí Comsol a CST Microwave studio
B3 – Příprava vzorků a struktur
V tomto bloku se zaměříme na přípravu vzorků pro studium a optimalizaci technologie přípravy:
• Příprava fotorezistu a optická litografie periodických struktur.
• Pokovení exponovaného a vyvolaného rasistu s využitím PVD naprašovacího systému
• Vyhotovení periodických struktur metodou lift-off.
• Příprava referenčních vzorků a materiálů použitých pro výrobu periodických struktur a optimalizace depozičních podmínek.
Časové schéma řešení projektu
Časové schéma projektu je přímo spjato s pracovními balíčky B1-B3, přičemž primárně budou tyto balíčky řešeny v následující časovém plánu:
• B1: leden 2020-květen 2020
• B2: březen 2020-zíří 2020
• B3: květen 2020 – prosinec 2020
Vybavení, technologie a procesy použité pro řešení projektu
Tento projekt využívá vybavení dostupné na VŠB – TU Ostrava. Následující experimentální vybavení bude využito při řešení projektu:
Spektroskopický elipsometr Muellerových matic Woollam RC2-DI se spektrálním rozsahem 190 nm – 1700 nm a možností měření na proměnném úhlu dopadu (od 20° do 90°). Tento systém umožňuje měřit kompletní Mullerovu matici včetně depolarizace. Systém je rozšířen x-y mapovacím stolkem vzorku a stolkem umožňujícím rotaci se vzorkem. Pro malé vzorky je možné systém rozšířit o fokusační nástavce. Pro měření při různých teplotách vzorku lze systém rozšířit o vyhřívaný nebo chlazený držák vzorku proplachovaný dusíkem nebo argonem.
Infračervený spektrometr využívající Fourierovu transformaci (FTIR) Bruker Vertex V70 se spektrálním rozsahem od 10cm-1 do 28000 cm-1 pracující v reflexní, transmisní nebo ATR konfiguraci. Systém je vybaven IR mikroskopem Hyperion pro lokální charakterizaci studovaného vzorku.
Terahertzový spektrometr s časovým rozlišením TeraView TPS Spectra 300 se spektrálním rozsahem od 2 cm-1 do 120 cm-1m pracující v reflexní, transmisní a ATR konfiguraci.
Mikroskop Muellerových matic Horiba se sadou polarizačních objektivu Olympus (s velkou numerickou aperturou) bílým zdrojem světla (Xe-lampa) a sadou filtrů pro volbu vlnové délky a s rotačním stolkem vzorku.
Optický litografický systém PicoMater 100 s UV laserem o vlnové délce 405 nm, šířkou zapisovacího svazku 300 nm a plochou zápisu 10 cm2. Systém je vybaven podpůrnou technologií pro přípravu fotorezistu – spincoater Polos a sadou fotorezistů.
Kombinovaný vakuový depoziční systém obsahující 4 magnetrony pro naprašování (PVD, physical varor deposition), přičemž 2 magnetrony jsou pro DC naprašování a 2 pro RF. Pro naprašování systém umožňuje použít i reaktivní atmosféru. Dále je systém vybaven termální evaporační jednotkou a systémem pro čištění povrchu vzorku ionty argonu.
[1] R. M. A. Azzam and N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light
237 (North-Holland, Amsterdam, 1977).
[2] 2E. Garcia-Caurel, R. Ossikovski, M. Foldyna, A. Pierangelo, B. Drvillon, and
A. D. Martino, “Advanced mueller ellipsometry instrumentation and data analy- 231
sis,” in Ellipsometry at the Nanoscale (Springer, Berlin, 2013), pp. 31–143. 232
doi:10.1007/978-3-642-33956-1_2
[3] P. Kolejak, D. Vala, K. Postava, P. Provaznikova, and J. Pistora, J. Vac. Sci. Technol. B 38, 000000 (2020); doi: 10.1116/1.5129615
[4] Stepanenko, O., Horak, T., Mitryukovskiy, S., Peretti, R., Lampin, J. F., Vanwolleghem, M., ... & Postava, K. (2018, September). Experimental Demonstration Of 20dB Nonreciprocity Around 1.5 THz On A InSb Magnetoplasmonic Grating Mirror At 77K. In 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) (pp. 1-2). IEEE.
[5] Halagačka, L., Vanwolleghem, M., Vaurette, F., Youssef, J. B., Postava, K., Pištora, J., & Dagens, B. (2018). Magnetoplasmonic nanograting geometry enables optical nonreciprocity sign control. Optics express, 26(24), 31554-31566.
[6] Chochol, J., Mičica, M., Postava, K., Vanwolleghem, M., Lampin, J. F., Čada, M., & Pištora, J. (2018, September). Demonstration of Magnetoplasmon Polariton at InSb/dielectric Interface. In 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) (pp. 1-2). IEEE.
[7] Fallet, C., Novikova, T., Foldyna, M., Manhas, S., Ibrahim, B. H., De Martino, A., ... & Constancias, C. (2011). Overlay measurements by Mueller polarimetry in back focal plane. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 10(3), 033017.
[8] Compain, E., Poirier, S., & Drevillon, B. (1999). General and self-consistent method for the calibration of polarization modulators, polarimeters, and Mueller-matrix ellipsometers. Applied optics, 38(16), 3490-3502.
Rok zahájení
2020
Rok ukončení
2020
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO