Mueller matrix polarimetry of advanced structures with special optical response

Abstract

Mueller matrix polarization-based techniques allow for contactless and non-destructive probing of material parameters, including refractive index, layer thickness, anisotropy, and magneto-optic effects. Among these techniques, Mueller matrix spectroscopic ellipsometry (MMSE) is well-acclaimed for its sub-nanometric precision and versatility in thin-film analysis. However, despite its advantages, MMSE is underutilized in specific areas of molecular chemistry, particularly in chiroptical spectroscopy. This underutilization can be attributed to the perceived complexity of the Mueller matrix formalism, which may discourage newcomers and interdisciplinary applications despite its clear benefits.

This dissertation focuses on the application of commercially available Woollam RC2-DI Mueller matrix spectroscopic ellipsometer and addresses two central objectives. First, it demonstrates MMSE’s potential for studying chiral materials with intrinsic optical activity. By carefully selecting illustrative chiral systems - from glucose solutions and complex chelate compounds to z-cut quartz - and clearly explaining the underlying theoretical framework, the thesis shows how MMSE bridges conventional chiroptical methods and comprehensive polarization-response analyses. The findings indicate that MMSE can detect chiroptical signals across an ultraviolet-to-near-infrared range while exceeding the system’s nominal Mueller matrix sensitivity limit by over 80 %. Moreover, it successfully captures dynamic, time-dependent processes, such as glucose mutarotation, achieving approximately 99 % agreement with conventional analytical methods and surpassing them by providing a glucose gyration tensor. The thesis also highlights MMSE’s ability to differentiate subtle circular birefringence from dominant linear birefringence, enhancing the characterization of bulk quartz waveplates. This versatility demonstrates its relevance in both academic and industrial contexts.

Second, the work emphasizes MMSE’s effectiveness in advanced thin-film characterization. Collaborations with international research groups on spintronic terahertz emitters and two-dimensional materials illustrate that parameters derived from MMSE are vital for correct theoretical simulation and precise device optimization. This research led to nearly a 250% increase in terahertz emission efficiency through cavity-enhanced designs and clarified the transition between semiconducting and semimetallic regimes in layered PtSe2.

Finally, the dissertation offers best-practice guidelines for integrating MMSE into various experimental settings. It connects the Mueller matrix formalism with conventions familiar to optics, chemistry, and materials science in a more digestible manner. By combining theoretical foundations with applied case studies, the dissertation positions MMSE as a powerful, sensitive, and accessible tool for investigating complex polarization phenomena, making it appealing and valuable for researchers from diverse backgrounds.

Polarizačně-citlivé metody založené na přístupu Muellerovy matice umožňují bezkontaktní a nedestruktivní optickou charakterizaci vlastností materiálu, jakými jsou index lomu, tloušťka vrstvy, anizotropie nebo např. magnetooptické efekty. Mezi těmito technikami je spektroskopická elipsometrie Muellerovy matice (MMSE) dobře známá pro svou všestrannost a subnanometrickou přesnost při analýze tenkých vrstev. Navzdory svým výhodám však MMSE ve specifických oblastech molekulární chemie, zejména v chiroptické spektroskopii, zůstává v podstatě nevyužitá. Toto nedostatečné využití jejího potenciálu lze přičíst obecně vnímané (a částečně domnělé) složitosti teorie Muellerovy matice, která může odrazovat od použití MMSE v interdisciplinárních aplikacích navzdory jasným výhodám, které by MMSE do těchto odvětví přinesla.

Tato disertační práce se zaměřuje na použití komerčně dostupného spektroskopického elipsometru Muellerovy matice Woollam RC2-DI a řeší dva hlavní cíle. Za prvé demonstruje potenciál MMSE pro studium chirálních materiálů s vlastní optickou aktivitou. Vysvětlením základního teoretického rámce a pečlivou volbou vhodných instruktivních chirálních vzorků práce ukazuje MMSE v nekonvenčním propojení klasické elipsometrie a chiroptiky. Měřením a numerickou analýzou měření od roztoků glukózy, komplexních chelátových sloučenin, a křemenných krystalů ukazujeme, že MMSE je citlivá pro detekci komplexní chiroptické odezvy v rozsahu od ultrafialové až po blízkou infračervenou oblast a zároveň překračuje deklarovaný limit citlivosti Muellerovy matice použitého systému o více než 80 %. Kromě toho ukazujeme její aplikaci pro dynamickou detekci časově závislých procesů, jako je mutarotace glukózy, přičemž zde metoda dosahuje přibližně 99 % shody s konvenčními analytickými metodami. Ty náš přístup dále překonává tím, že poskytuje, kromě dalšího, gyrační tenzor glukózy. Práce také zdůrazňuje schopnost MMSE rozlišit jemné efekty kruhového dvojlomu od typicky dominantního projeuv lineárního dvojlomu, což se ukázalo jako klíčové pro charakterizaci křemenných fázových destiček. Tato všestrannost ukazuje význam komerční MMSE jak v akademickém, tak v průmyslovém kontextu.

Za druhé, práce zdůrazňuje účinnost MMSE při charakterizaci aktuálních designů tenkovrstevných systémů pro spintronické a nelineární aplikace. Spolupráce s mezinárodními výzkumnými skupinami zabývajícími se spintronickými terahertzovými emitory a dvojrozměrnými materiály ilustruje, že parametry odvozené z MMSE mají zásadní význam pro správnou teoretickou simulaci a přesnou optimalizaci výsledného designu studovaných struktur. Tento výzkum vedl ke zvýšení účinnosti terahertzové emise struktur zaožených na spintronickém emitoru o téměř 250 %, a také objasnil přechod mezi polovodičovým a semimetalickým režimem v PtSe2.

Disertační práce se snaží nabídnout jakýsi návod a osvědčené postupy pro integraci MMSE do různých experimentálních prostředí. Propojuje formalismus Muellerovy matice s konvencemi známými z optiky, chemie a materiálových věd stravitelnějším způsobem. Spojením teoretických základů s aplikovanými případovými studiemi disertační práce staví MMSE do pozice výkonného, citlivého a dostupného nástroje pro zkoumání komplexních polarizačních jevů, čímž se stává atraktivní a cennou pro výzkumníky z různých oborů.