Surface Plasmon's Dispersion Properties of Vanadium Oxide Films

Abstract

Діоксид ванадію (VO2) є типовим перехідним матеріалом метал-діелектрик, який змінює моноклінну фазу діелектрика при кімнатній температурі на металеву рутилову фазу при високій температурі. Фазовий перехід VO2 супроводжується різкими змінами провідності та оптичного пропускання. Завдяки чудовим характеристикам фазового переходу VO2 його широко вивчають в застосуванні електричних і оптичних пристроїв, розумних вікон, датчиків, приводів тощо. Методом модуляційної поляриметрії (МП) досліджено дисперсійні властивості тонких плівок діоксиду ванадію. Тонкі плівки VO2 були нанесені на підкладки з кварцового скла шляхом магнетронного розпилення мішені VO2. Плівки мали різні модифікації складу, структури, морфології та оптичних властивостей, зумовлені технологією виготовлення. Основним вимірюваним параметром техніки МП є різниця поляризацій між коефіцієнтами внутрішнього відбиття лінійно поляризованого світла з азимутом електричного поля, перпендикулярним і паралельним площині падіння. Виміряно спектральні залежності різниці коефіцієнтів внутрішнього відбиття при різних кутах падіння світла для кількох зразків. Показано спектральні залежності поляризаційної різниці коефіцієнтів поглинання. Також показано дисперсійні характеристики поверхневих плазмонних поляритонів, що виникають на межі розділу плівка-повітря. Значення групової швидкості збудження поверхневих плазмонів для всіх плівок визначали за нахилом частоти в залежності від хвильового вектора. Запропонований метод дозволяє зробити висновок про морфологію плівки. Кристалічна структура плівок досліджувалась на рентгенівському дифрактометрі. Методом атомно-силової мікроскопії досліджено нанорельєф поверхні відпалених плівок діоксиду ванадію.

Vanadium dioxide (VO2) is a typical metal-insulator transition material, which changes from room-temperature monoclinic insulating phase to high-temperature rutile metallic phase. The phase transition of VO2 is accompanied by sudden changes in conductance and optical transmittance. Due to the excellent phase transition characteristics of VO2, it has been widely studied in the applications of electric and optical devices, smart windows, sensors, actuators, etc. The dispersion properties of thin vanadium dioxide films were researched using the modulation polarimetry (MP) technique. VO2 thin films were deposited on quartz glass substrates by magnetron sputtering of the VO2 target. The films had different modifications of composition, structure, morphology, and optical properties due to the manufacturing technology. The main measured parameter of the MP technique is the polarization difference between the internal reflection coefficients of linearly polarized light with an electric field azimuth perpendicular and parallel to the plane of incidence. The spectral dependences of the polarization reflection difference were measured at different angles of light incidence for several samples. Spectral dependences of the polarization absorption difference were shown. Also, the dispersion characteristics of surface plasmonic polaritons appearing at the film-air interface were shown. The value of the group velocity of excitation of surface plasmons for all films was determined from the slope of the frequency depending on the wave vector. The proposed method makes it possible to conclude the film morphology. The crystal structure of the films was investigated using an X-ray diffractometer. The surface nanorelief of annealed vanadium dioxide films were studied using atomic force microscopy.