journal-opt - abstr158-166

https://doi.org/10.15407/iopt.2023.58.158

Optoelectron. Semicond. Tech. 58, 158-166 (2023)

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

INFLUENCE OF Se THIN FILMS ON THE EXCITATION EFFICIENCY OF SURFACE PLASMON POLARITONS IN SILVER AND ALUMINUM HOLOGRAPHIC GRATINGS

In this paper, we study the effect of thin selenium layers up to 3 nm thick on the efficiency of excitation of surface plasmon polaritons (SPPs). The Se layers were deposited by thermal evaporation in vacuum on the surface of silver and aluminum gratings. Gratings with a groove profile close to sinusoidal and a period equal to а = 694 nm were formed on chalcogenide photoresist films using interference lithography. Then they were coated with layers of the above metals with a thickness of 80–85 nm using thermal evaporation. Registration of SPP excitation on the gratings was carried out by measuring the angular dependences of the intensity of specularly reflected or diffracted p-polarized He-Ne laser radiation on a stand mounted on the basis of a G5M goniometer and a Fedorov table. An atomic force microscope was used to determine the shape of the groove profile and the depth of the grating relief.

It has been found that for silver gratings with a relief modulation depth h/a less than the optimal value (which ensures maximum plasmon absorption, i.e., the maximum efficiency of SPP excitation), selenium deposition causes significant degradation of the plasmon resonance: a decrease in the depth of the minimum of the total reflection Rpt (i.e., a decrease in the efficiency of plasmon absorption), a shift of the Rpt minimum towards larger angles, and its widering. For silver gratings with h/a greater than the optimal value, a similar shift and widering of the plasmon resonance is also observed. However, at the same time, a significant deepening of the Rpt minimum is recorded, that is, an increase in the efficiency of SPP excitation. Such changes in the plasmon characteristics also appear on aluminum gratings, however, in this case the effect of the selenium layers is weaker by an order of magnitude. The obtained results allow us to propose a method of correcting the plasmonic characteristics of silver gratings in which the value of h/a is higher than optimal.

Keywords: surface plasmon polaritons, metal diffraction gratings, plasmon absorption, interference lithography.

PDF

References

Wood R.W. On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating. Phil. Mag. 1902. 4, № 21. P. 396–402.
Long S., Cao J., Wang Y. et al. Grating coupled SPR sensors using off the shelf compact discs and sensitivity dependence on grating period. Sensors and Actuators Reports. 2020. 2, № 1. 100016.
Indutnyi I., Ushenin Yu., Hegemann D., Vandenbossche M., Myn’ko V., Lukaniuk M., Shepeliavyi P., Korchovyi A., Khrystosenko R.. Enhancing surface plasmon resonance detection using nanostructured Au chips. Nanoscale Res. Lett. 2016. 11. 535.
Rossi S., Gazzola E., Capaldo P. et al. Grating-coupled surface plasmon resonance (GC-SPR) optimization for phase-interrogation biosensing in a microfluidic chamber. Sensors. 2018. 18, № 5. 1621.
Kukushkina V.I., Grishina Ya.V., Solov’eva V.V., Kukushkina I.V. Size plasmon–polariton resonance and its contribution to the giant enhancement of the Raman scattering. JETP Letters. 2017. 105, № 10. P. 677–681.
Maier S.A. Plasmonics, Fundamentals and Applications. New York: Springer Science & Business Media. 2007. 224 p.
Kim I., Jeong D.S., Lee T.S. et al.. Plasmonic nanograting design for inverted polymer solar cells. Optics Express. 2012. 20, № S5. P. A729–A739.
Korovin A.V., Dmitruk N.L., Mamykin S.V., Myn’ko V.I., Sosnova M.V. Enhanced delectric evironment snsitivity of surface plasmon-polariton in the surface-barrier heterostructures based on corrugated thin metal films with quasi-anticorrelated interfaces. Nanoscale Res. Lett. 2017. 12. 213.
Anwar R.S., Ning H., Mao L. Recent advancements in surface plasmon polaritons-plasmonics in subwavelength structures in microwave and terahertz regimes. Digit. Commun. Netw. 2018. 4, № 4. P. 244–257.
Hutley C., Maystre D. The total absorption of light by a diffraction grating. Opt. Commun. 1976. 19, № 3. P. 431–436.
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.
Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyi M.V., Danko V.A., Lytvyn P.M., Korchovyi A.A. Zalezhnist efektyvnosti zbudzhennia poverkhnevykh plazmon-poliarytoniv vid hlybyny reliefu aliuminiievoi hratky. Optoelektronika ta napivprovidnykova tekhnika. 2020. 55. S. 117–125.
Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyi M.V., Danko V.A., Lytvyn P.M. Doslidzhennia efektyvnosti zbudzhennia poverkhnevykh plazmon-poliarytoniv na aliuminiievykh hratkakh z urakhuvanniam dyfrahovanoho vyprominiuvannia. Optoelektronika ta napivprovidnykova tekhnika. 2021. 56. S. 71–82.
Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyy M.V., Lytvyn P.M., Dan’ko V.A.. Excitation of surface plasmon polaritons on aluminum-coated diffraction gratings formed on an inorganic chalcogenide photoresist: Influence of profile shape. Plasmonics. 2022. 17, № 6. P. 2459–2466.
Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyy M.V., Dan’ko V.A., Lytvyn P.M. The effect of surface plasmon polaritons on the photostimulated diffusion in light-sensitive Ag–As4Ge30S66 structures. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2021. 24, № 4. P. 436–443.
Indutnyi I., Mynko V., Sopinskyy M., Lytvyn P. Impact of surface plasmon polaritons on silver photodiffusion into As2S3 film. Plasmonics. 2021. 16, № 1. P. 181–188.
Malureanu R., Lavrinenko A.. Ultra-thin films for plasmonics: a technology overview. Nanotechnol. Rev. 2015. 4, № 3. P. 259–275.
Ciesielski A., Skowronski L., Trzcinski M. et al. Interaction of Te and Se interlayers with Ag or Au nanofilms in sandwich structures. Beilstein J. Nanotechnol. 2019. 10. P. 238–246.
Surholt T., Minkwitz C., Herzig Chr. Nickel and selenium grain boundary solute diffusion and segregation in silver. Acta Materialia. 1998. 46, № 6. P. 1849–1859.
Dan’ko V., Dmitruk M., Indutnyi I., Mamykin S., Myn’ko V., Lukaniuk M., Shepeliavyi P., Lytvyn P. Fabrication of periodic plasmonic structures using interference lithography and chalcogenide photoresist. Nanoscale Res. Lett. 2015. 10. 497.
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.
Dmitruk N.L., Litovchenko V.G., Strizhevskiy V.L. Poverkhnostnye polyaritony v poluprovodnikakh i dielektrikakh. K.: Naukova Dumka. 1989. 375 s.
Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals. Phys. Rev. B.1972. 6, №. 12. P. 4370-4379.
Rakić D. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum. Appl. Opt. 1995. 34, № 22. Р. 4755–4767.
Gazzola E., Brigo L., Zacco G. et al. Coupled SPP modes on 1D plasmonic gratings in conical mounting. Plasmonics. 2014. 9, № 4. P. 867–876.
Raether H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings. (Springer Tracts in Modern Physics. 1988. 111. Springer, Berlin).
Kalachyova Y., Mares D., Lyutakov O. et al. Surface plasmon polaritons on silver gratings for optimal SERS response. J. Phys. Chem. C. 2015. 119, № 17. P. 9506−9512.
Naik R., Aparimita A., Sripan C., Ganesan R. Structural, linear and non-linear optical properties of annealed and irradiated Ag/Se heterostructure films for optoelectronic applications. Optik. 2019. 194. 162894.

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

Вплив тонких плівок Se на ефективність збудження поверхневих плазмон-поляритонів в срібних та алюмінієвих голографічних решітках

В даній роботі досліджувався вплив тонких шарів (масова товщина до 3 нм) селену, нанесених методом термічного випаровування у вакуумі на поверхню срібних та алюмінієвих решіток, на ефективність збудження поверхневих плазмон-поляритонів (ППП). Решітки з профілем штрихів, близьким до синусоїдального та періодом а = 694 нм, формувалися на плівках халькогенідних фоторезистів за допомогою інтерференційної літографії та покривались шарами вказаних металів товщиною 80–85 нм також за допомогою термічного випаровування у вакуумі. Реєстрація збудження ППП на покритих алюмінієм чи сріблом решітках проводилася шляхом вимірювання кутових залежностей інтенсивності дзеркально відбитого чи дифрагованого p-поляризованого випромінювання He-Ne лазера на стенді, змонтованому на основі гоніометра Г5М та столика Федорова. Для визначення форми профілю штрихів і глибини рельєфу решіток використовувався атомно-силовий мікроскоп.

Встановлено, що для срібних решіток з глибиною модуляції рельєфу h/a, меншою від оптимальної величини, яка забезпечує максимальне плазмонне поглинання, тобто максимальну ефективність збудження ППП, нанесення селену спричиняє суттєву деградацію плазмонного резонансу: зменшення глибини мінімуму сумарного відбиття Rpt (тобто зменшення ефективності плазмонного поглинання), зсув мінімуму Rpt до більших кутів та його розширення. Для срібних решіток з h/a, більшою за оптимальну величину, спостерігається також аналогічний зсув та розширення плазмонного резонансу. Але одночасно з цим реєструється суттєве поглиблення мінімуму Rpt, тобто підвищення ефективності збудження ППП. Такі зміни плазмонних характеристик проявляються і на алюмінієвих решітках, але в цьому випадку вплив шарів селену на порядок слабший. Отримані результати дозволяють запропонувати метод корегування плазмонних характеристик срібних решіток, у яких величина h/a вища за оптимальну.

Ключові слова: поверхневі плазмон-поляритони, металеві дифракційні решітки, плазмонне поглинання, інтерференційна літографія.

Back / Повернутися