Поверхностные и объемные плазмон-поляритоны в металл-диэлектрических наноразмерных элементах и структурах

В ходе выполнения работ по проекту разработаны методы оптимизации материальных параметров и геометрических характеристик плазмонных наноструктур и схем, предназначенных для оптического управления потоком поверхностных плазмон-поляритонов. Разработаны и изготовлены макеты плазмонных полевых транзисторов (вентилей) и рассчитаны их параметры. Элементы плазмонной схемотехники выполнены на основе интерферометра типа Маха-Цендера, управляемого внешним лазерным излучением. Для плазмонных интерферометров использованы наноразмерные плоские волноводы металл-диэлектрик-металл (МДМ). Теоретическое моделирование возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов и их распространения в волноводных плазмонных схемах с оптическим управлением выполнено на основе программной реализации метода FDTD для полного полевого трехмерного моделирования планарных структур. Разработанная численная модель позволила произвести расчеты параметров и геометрию наноструктур, включающих МДМ плазмонные волноводы и полупроводниковые квантовые точки, нагруженные диэлектриком. Макеты элементов плазмонной схемотехники изготовлены в ЦКП "Физика и технологии микро- и наноструктур" с помощью гравировки электронным (ионным) пучком наноструктур со специальной конфигурацией в золотой пленке, нанесенной на кварцевую подложку. Экспериментально подтверждены результаты моделирования плазмонных наноструктур, получена интерференционная картина при суперпозиции поверхностных плазмон-поляритонов, возбужденных лазерным пучком с помощью щелей в металлической пленке в виде дифракционной решетки и «ласточкина хвоста». Представлены результаты аналитического и численного моделирования процессов нелинейного взаимодействия плазмон-поляритонов в плоских металлических волноводных наноструктурах (плазмонном полевом транзисторе) при возбуждении мощным непрерывным и импульсным сигналом. Проведена оптимизация технологии синтеза и выявлены структурно-морфологические особенности различных магнитоплазмонных наноструктур. Синтезирована и исследована структура GGG/ФГ/SiO2/Cu, где GGG – подложка гадолиний галлиевого граната, ФГ – пленка висмут-замещенного феррита-граната, SiO2 – буферный слой оксида кремния, Cu – слой меди. Продемонстрирована чувствительность структуры как сенсора показателя преломления среды и магнитного поля. Обнаружено гигантское усиление эффекта Фарадея (более чем в 50 раз) в магнитоплазмонном нанокомпозите, состоящем из самоорганизующихся плазмонных наночастиц Au в матрице висмут-замещённого феррит-граната. Обнаружен и исследован эффект вертикального смещения магнитооптической петли гистерезиса в области различных мод локализованного плазмонного резонанса. Синтезирована и исследована магнитоплазмонная структура GGG/(SiO2/TiO2)3/M/SiO2(grad h)/Au, где (SiO2/TiO2)3 – зеркало Брэгга, M – магнитная пленка феррита-граната, SiO2(grad h) – буферный верхний слой оксида кремния с градиентом толщины, Au – сплошная пленка Au или самоорганизующихся наночастиц с градиентом толщины (или размеров частиц). Показано, что в структуре могут возбуждаться различные типы оптических и плазмонных резонансных мод. Синтезирована и исследована структура (SiO2-Au) / SiO2 / Y3Fe5O12 / Bi2,8Y0,2Fe5O12 / [SiO2/TiO2]3, где (SiO2-Au) – композит, наночастицы Au в матрице SiO2. Показано, что максимальное усиление эффекта Фарадея наблюдается для резонаторной моды и составляет 1,3 раза по сравнению с двухслойной пленкой GGG / Y3Fe5O12 / Bi2,8Y0,2Fe5O12. Сформированы магнитоплазмонные структуры на основе метаповерхностей ферритов-гранатов меандрового типа и пленок ферритов-гранатов со структурированной поверхностью. Структуры исследованы на пропускание в геометрии эффекта Фарадея. Для магнитоплазмонной структуры на основе меандровых метаповерхностей ферритов-гранатов в виде массива полос GGG(cт)/Bi2,3Dy0,7Fe4,2Ga0,8O12/Au (GGG(cт) – структурированная подложка гадолиний галлиевого граната) показано, что происходит резонансное увеличение коэффициента пропускания структуры на 20 % по сравнению с коэффициентом пропускания обычной неструктурированной многослойной структуры GGG/Bi2,3Dy0,7Fe4,2Ga0,8O12/Au. Обнаружено увеличение угла вращения плоскости поляризации, связанное с резонансным пропусканием структуры.