Light scattering and surface plasmon polaritons in thin films of phase-change materials

Abstract

Optical methods, such as measurements of angle-resolved elastic light scattering and light reflection, are rapid and noncontact techniques for the study of optical and statistical properties of surfaces. In this work, the objects of study were plasmonic structures based on Au, VO2, and VO2/Au thin films, and highly-dispersed granular materials. In this project, Kretschmann-Raether configuration in attenuated total reflection geometry was used to excite surface plasmon-polaritons (SPPs) on the film surface. Angle-resolved light scattering and light-induced plasmonic switching in thin films of phase-change materials were studied. In order to do that, steady-state and time-resolved measurements were performed. It was found that SPP resonance depends on light wavelength, film thickness, and optical properties. Moreover, the VO2 layer on Au film alters the electromagnetic field enhancement. On the other hand, time-resolved measurements showed SPP resonance on a picosecond timescale. In the present work, we also applied angle-resolved light diffraction techniques to elucidate the fundamental properties of light diffraction by highly-dispersed granular materials. The main objective of this study was to develop new analytical techniques to separate multiple and single scattering components in spatial distribution of scattered light and to find relations between characteristics of scattered light and internal structure of materials with high level of structural disorder. Particularly, fractal and polarization analysis were performed to describe the surface morphology and optical properties of granular compositions and to classify compounds with different concentrations of active ingredients. Special attention was focused on the determination of low-dose concentration of chemically active (pharmaceutical) ingredients.

Los métodos ópticos, como las mediciones de dispersión de luz elástica con resolución angular y de reflexión de luz, son técnicas rápidas y de no-contacto para el estudio de propiedades ópticas y estadísticas de superficies. En este trabajo, los objetos de estudio fueron estructuras plasmónicas basadas en películas delgadas de Au, VO2 y VO2/Au, además de materiales granulares de alta dispersión. En este proyecto, se utilizó la configuración Kretschmann-Raether en geometría de reflexión total atenuada para excitar los plasmones-polaritones de superficie (SPPs) en la superficie de la película. Se estudio la dispersión de luz con resolución angular y el cambio plasmónico inducido por luz en películas delgadas de materiales con cambio de fase. Para ello, se realizaron mediciones en estado estacionario y de resolución temporal. Se encontró que la resonancia de SPPs depende de la longitud de onda de la luz, de el espesor de la película y de las propiedades ópticas. Además, la capa de VO2 en la película de Au altera la mejora del campo electromagnético. Por otro lado, las mediciones de dependencia temporal mostraron resonancia de SPP en una escala de tiempo de picosegundos. En el presente trabajo también aplicamos técnicas de difracción de luz con resolución angular para dilucidar las propiedades fundamentales de la difracción de luz mediante materiales granulares altamente dispersos. El objetivo principal de este estudio fue desarrollar nuevas técnicas analíticas para separar los componentes de dispersión múltiple y singular en la distribución espacial de la luz dispersada y encontrar relaciones entre las características de la luz dispersada y la estructura interna de materiales con alto nivel de desorden estructural. En particular, se realizaron análisis de fractales y de polarización para describir la morfología de la superficie y las propiedades ópticas de componentes granulares, además de clasificar compuestos con concentraciones diferentes de ingrediente activo. Se prestó especial atención a la determinación de bajas dosis de concentración de ingredientes químicamente activos (farmacéuticos).