Optoelectron. Semicond. Tech. 55, 117-125 (2020)

I.Z. Indutnyi, V.I. Mynko, M.V. Sopinskyy, V.A. Dan’ko, P.M. Lytvyn, A.A. Korchovyi


An experimental study of the excitation of surface plasmonpolaritons (SPP) on aluminum diffraction

gratings with a fixed period of 519 ± 0,5 nm and a variable modulation depth h/a(where h is the grating depth, and

a – its period) was carried out. Gratings with a sine-like profile were formed on vacuum chalcogenide photoresists films

by interference lithography and covered with an opaque aluminum film. A Dimension 3000 Scanning Probe

Microscope was used to determine the grating groove profile. The characteristics of the SPP were determinedfor28

gratings with h/a ranged from 0,018 to 0,20, by measuring the dependences of specular reflection of p-polarized

radiation of He-Ne laser on the angle of incidence, which was defined as the angle between the normal to the substrate

plane and the laser beam. It was found that there is an optimal grating relief depth for a given excitation wavelength,

which provides the maximum transfer of the incident electromagnetic wave energy to the surface plasmon-polariton

mode.The dependence of the SPP excitation efficiency on the grating modulation depth has a maximum at a relatively

small value of h/a ≈ 0.086. At such modulation depth the absorption of electromagnetic radiation of the incident laser

beam is more than two orders of magnitude higher than the absorption of aluminum film with flat surface at the same

angle of incidence. The position of the angle of resonant excitation of SPP practically does not change from h/a= 0,018

up to h/a ≈ 0,06. With further increase of h/a it begins to shift to the region of smaller incidence angles, with the rate of

the shift accelerating gradually. With an increase of h/a, a decrease in the depth of the plasmon resonance and a

significant increase in its half-width are also observed, and the dependence of the half-width of the SPP band on the

modulation depth is close to quadratic. Using this grating-coupled SPP technique, the estimated thickness of air-formed

oxide layer on the aluminum gratings surface (about 3.9 nm) is close to the value obtained in the literature with a set of

complicated techniques.

Keywords: surface plasmon-polaritons, aluminium diffraction gratings, interference lithography, chalcogenide



1. Wood R.W. On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating. Phil. Mag. 1902. 4, №21. P. 396-402.

2. Fano U. The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves). J. Opt. Soc. Am. 1941. 31, № 3. P. 213-222.

3. Raether H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings. Springer Tracts in Modern Physics, Vol. 111, Springer, Berlin. 1988.

4. Electromagnetic Theory of Gratings, ed. by R. Petit. Springer-Verlag, Berlin. 1980.

5. Dmitruk N. L., Litovchenko V. G., Strygewskyy V. L. Surface polaritons in semiconductors and dielectrics. Kyiv: Naukova Dumka. 1989. 375 p.

6. Barne W. L., Dereux A., Ebbesen T. W. Surface plasmon subwavelength optics. Nature. 2003. 424. 824-830.2003.

7. Homola J. Surface plamon resonance sensors for detection of chemical and biological species. Chem. Rev. 2008. 108, № 2. R. 462-493.

8. Shankaran D. R., Gobi K. V. A., Miura N. Recent advancements in surface plasmonresonance immunosensors for detection of small molecules of biomedical, food and environmental interest. Sensor. Actuat. B: Chem. 2007. 121, №1. P. 158-177.

9. Surface-Enhanced Raman Scattering. Physics and Applications, ed. by K. Kneipp, M. Moscovits, and H. Kneipp. Springer, Berlin. 2006.

10. Maier S.A. Plasmonics, Fundamentals and Applications. New York: Springer Science & Business Media. 2007. 224 p.

11. Atwater H. A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices, Nat. Mater. 2010. 9. P. 205-213.

12. Indutnyj I.Z., Minko V.I., Sopinskij N.V., Litvin P.M. Plazmon-stimulirovannoe fotolegirovanie v tonkoslojnoj strukture As2S3-Ag. Opt. i Cpektr. 2019. 127, № 5. S. 865-869.

13. Hutley C., Maystre D. The total absorption of light by a diffraction grating. Opt. Commun. 1976. 19, № 3. P. 431-436.

14. Maystre D. Diffraction gratings: An amazing phenomenon. C. R. Phys. 2013. 14, № 4. P. 381-392.

15. Pockrand I. Resonance anomalies in the light intensity reflected at silver gratings with dielectric coatings. J. Phys. D: Appl. Phys. 1976. 9, № 17. P. 2423-2432.

16. Maystre D. Theory of Wood's Anomalies. In: Plasmonics (eds. Enoch S. and Bonod N.), Springer Series in Optical Sciences 167. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2012. Chapter 2. DOI: 10.1007/978-3-642-28079-5-2.

17. Zaidi S. H., Yousaf M., Brueck S. R. J. Grating coupling to surface plasma waves. I. First-order coupling. J. Opt. Soc. Am. B. 1991. 8, № 4. R. 770-779.

18. Gerard D., Gray S.K. Aluminium plasmonics. J. Appl. Phys. D. 2015. 48, № 18. Par. 184001 (14 pp.).

19. Gomez M., Kadkhodazadeh S., Lazzari M. Surface enhanced Raman scattering (SERS) in the visible range on scalable aluminum-coated platforms. Chem. Commun. 2018. 54. P. 10638-10641.

20. Dan'ko V., Indutnyi I., Min'ko V., Shepelyavyi P. Interference photolithography with the use of resists on the basis of chalcogenide glassy semiconductors. Optoelectron. Instrument. Proc. 2010. 46, № 5. P. 483-490.

21. Dan'ko V., Dmitruk M., Indutnyi I., Mamykin S., Myn'ko V., Lukaniuk M., Shepelyavyi P., Lytvyn P. Fabrication of periodic plasmonic structures using interference lithography and chalcogenide photoresist. Nanoscale Res. Lett. 2015. 10. Pap. 497.

22. Indutnyi I. Z., Stronski A.V., Kostioukevich S.A., Romanenko P. F., Schepeljavi P. E., Robur I. I. Holographic optical element fabrication using chalcogenide layers. Opt. Eng. 1995. 34, № 4. P. 1030 - 1039.

23. Hibbins A.P., Sambles J. R., Lawrence C. R. Azimuth-angle-dependent reflectivity data from metallic gratings. J. Mod. Opt. 1998. 45, №. 5. P. 1019-1028.

24. Rakic D. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum. Appl. Opt. 1995. 34, № 22. R. 4755-4767.

25. Indutnyi I., Mynko V., Sopinskyy M., Lytvyn P. Impact of surface plasmon polaritons on silver photodiffusion into As2S3 film. Plasmonics. 2020.

26. Gesang T., Fanter D., Hoper R., Possart W., Hennemann O.-D. Comparative film thickness determination by atomic force microscopy and ellipsometry for ultrathin polymer films. Surf. Interface Anal. 1995. 23, № 12. P. 797-808.

І.З. Індутний, В.І. Минько, М.В. Сопінський, В.А. Данько, П.М. Литвин, А.А. Корчовий


Проведено експериментальне дослідження збудження поверхневих плазмон-поляритонів

(ППП) на алюмінієвих дифракційних гратках з періодом a = 519 ± 0,5 nm, але з різною глибиною модуляції

h/a (h – глибина гратки). Гратки із профілем штрихів, близьким до синусоїдального, формувалися на плівках

вакуумних халькогенідних фоторезистів за допомогою інтерференційної літографії та покривались непрозорою

плівкою алюмінію. Характеристики ППП визначалися шляхом вимірювання кутових залежностей дзеркального

відбиття лінійно поляризованого монохроматичного випромінювання He-Ne лазера на 28 гратках із інтервалу

h/a від 0,018 до 0,20. Встановлено, що залежність ефективності збудження ППП від глибини модуляції має

максимум при відносно невеликому значенні h/a ≈ 0,086. При таких h/a поглинання електромагнітного

випромінювання падаючого лазерного променя більш ніж на два порядки перевищувало поглинання плівки

алюмінію з плоскою поверхнею. Положення кута резонансного збудження ППП при h/a < 0,06 практично не

змінюється, а при подальшому збільшенні h/a починає зміщуватись в область менших кутів падіння, причому

темп цього зміщення поступово пришвидшується. Залежність напівширини смуги поглинання ППП від глибини

модуляції близька до квадратичної. Оцінена за допомогою даної граткової методики збудження ППП товщина

сформованого на повітрі окисного шару на поверхні плівки алюмінію близька до значення, отриманого в

літературі з використанням комплексу складних методик.

Ключові слова: поверхневі плазмон-поляритони, алюмінієві дифракційні гратки, інтерференційна

літографія, халькогенідні фоторезисти.