Spectroscopic studies of new generation of optical and magneto-optical materials

• Thesis title in Czech: Nová generace magnetických materiálů a nanostruktur studovaná spektroskopickými metodami
• Thesis title in English: Spectroscopic studies of new generation of optical and magneto-optical materials
• Key words: Spektroskopie, Elipsometrie, Kerrov efekt, Faradayův efekt, Tenzor permitivity
• English key words: Spectroscopy, Ellipsometry, Kerr effect, Faraday effect, Permittivity tensor
• Academic year of topic announcement: 2013/2014
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Martin Veis, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 27.09.2013
• Date of assignment: 27.09.2013
• Confirmed by Study dept. on: 11.12.2013
• Date and time of defence: 16.09.2022 09:30
• Date of electronic submission: 20.10.2020
• Date of submission of printed version: 08.12.2020
• Date of proceeded defence: 16.09.2022
• Opponents: doc. RNDr. Vojtěch Chlan, Ph.D.
• Advisors: RNDr. Roman Antoš, Ph.D.

Guidelines

1) Zpracovat podrobnou rešerši literatury o fyzikálních vlastnostech materiálů, jejich teoretickém popisu a nových experimentálních metodách v oboru optiky a magnetismu.
2) Detailně se seznámit s teoretickým popisem šíření elektromagnetických vln v izotropních a anizotropních prostředích.
3) Osvojit si metody teoretického popisu optické odezvy pevných látek.
4) Seznámit se s experimentálními metodami spektroskopické elipsometrie, magnetooptické spektroskopie, spektrofotometrie, a fourierovy infračervené spektroskopie.
5) Provést systematická experimentální měření vybraných vzorků (La2/3Mn1/3O3, Fe:SrTiO3, atd.) v závislosti na podmínkách jejich přípravy, post-depozičním procesu, volbě substrátu či geometrickém uspořádání.
6) Na základě konfrontace experimentálních dat a teoretických výpočtů popsat optické, magnetooptické a magnetické vlastnosti zkoumaných vzorků. Navrhnout podmínky přípravy pro optimální fyzikální vlastnosti zkoumaných materiálů.
7) Výsledky publikovat v recenzovaných časopisech.

References

[1] R. M. A. Azzam, N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland, Amsterdam / New York / Oxford 1977.
[2] Š. Višňovský, Optics in Magnetic Multilayers and Nanostructures, CRC Taylor & Francis, Boca Raton 2006.
[3] E. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press, New York 1998.
[4] B. Di Bartolo, Optical Interactions in Solids, John Wiley & Sons, New York 1968.
[5] M. Veis et al, J. Phys. D 42 (2009) 195002
[6] P. Jiang et al, Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 231909
Vybraný soubor původních prací týkajících se tématu. K dispozici u vedoucího práce.

Preliminary scope of work

Prudký rozvoj informačních technologií v posledních desetiletích výrazně zvýšil nároky na rychlost a kvalitu přenosu informace pomocí optických přenosových soustav sloužících k elektronické komunikaci. Vzrůstají také nároky na výpočetní výkon počítačových čipů a kapacitu záznamových médií. Současné materiálové systémy používané od poloviny minulého století však již narážejí na své fyzikální limity. Situace si proto vyžádala vývoj nových materiálů, zvyšování kvality jejich přípravy, a rovněž vylepšování charakterizačních metod, buď zpřesňováním (zvyšováním jejich geometrické citlivosti či rychlosti), nebo vytvářením nových měřících konfigurací.
Fotonická zařízení využívající nereciproké šíření světla jako jsou například optické izolátory či cirkulátory jsou nepostradatelnými součástmi optických telekomunikačních systémů. V dnešní době jsou pro tyto účely používány magnetické železité granáty. Tyto materiály však nejsou kompatibilní se současnou polovodičovou technologií, což značně ztěžuje integraci optických prvků na polovodičový čip. V posledním desetiletí se experimentální výzkum převážně soustředil na magnetické oxidy dopované 3d ionty přechodných kovů. Ukazuje se, že ze skupiny magnetických oxidů vykazují nejvyšší kompatibilitu s křemíkovou technologií materiály SrTiO3 a CeO2. Oba materiály mají vysokou optickou propustnost na telekomunikačních vlnových délkách a jejich feromagnetického uspořádání při pokojové teplotě lze dosáhnout vhodným dopováním ionty přechodných kovů, např. Co nebo Fe.
Spinová elektronika (spintronika) je jednou z možností jak snížit spotřebu a zvýšit výkon nové generace počítačových čipů. Nové magnetické oxidy (např. La2/3Sr1/3MnO3) vykazující jev kolosální magnetorezistence jsou velmi vhodnými kandidáty pro použití ve spintronických zařízeních díky jejich vysoce spinově polarizovanému vodivostnímu pásu. Jejich strukturní, magnetické, transportní a optické vlastnosti jsou však spolu složitě svázány.
Hledání vhodného materiálu, který má požadované optické i magnetické vlastnosti je proto cílem vědeckého bádání mnoha renomovaných laboratoří po celém světě. Experimentální metody využívající magnetooptických jevů jsou hojně využívány ke studiu magnetických vlastností materiálů. Tyto metody se vyznačují vysokou citlivostí, selektivní povahou, bezkontaktním snímáním, možností využití časově rozlišených experimentů a poměrně rychlou odezvou, která umožňuje měření povrchových hysterezních smyček a pozorování magnetických domén. Jsou mimo jiné schopny zprostředkovat důležité informace o profilech vrstevnatých systémů a charakteru rozhraní. V tenkých vrstvách je pak možné studovat vliv jejich struktury na spinové uspořádání. Kombinace spektroskopické elipsometrie a magnetooptické spektroskopie společně s odpovídajícími teoretickými modely poskytuje unikátní možnost studia fyzikálních vlastností materiálů ve formě tenkých vrstev s tloušťkami až do jednotek nanometrů. Znalost optických a magnetooptických parametrů vyjádřená spektry tenzoru dielektrické permitivity dává informaci o elektronové struktuře materiálu a je podstatná i pro samotný návrh a optimalizaci funkce integrovaných fotonických prvků či spintronických zařízení.