一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件制造技术

一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，包括非磁性的衬底，所述衬底上设有铁磁薄膜层，所述铁磁薄膜层上设有同样用铁磁材料制备的、呈周期排列的图案化铁磁元件阵列，通过周期排列的元件在恒定辅助磁场和高频交变电磁场的共同作用下产生表面自旋波，在某一频率附近产生共振吸收现象形成共振峰，这种自旋波的共振效应则被用来当做传感器件的应用，基于这种结构的弱磁探测器件称作2D人造磁振子晶体。本发明专利技术是一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，其结构简单、且通过调节器件的参数可灵活调控获取微弱信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件
本专利技术属于弱磁探测和铁磁材料相关
，特别涉及一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件。
技术介绍
弱磁探测是国防、医疗、通讯、工业及工程等领域中重要的关键技术之一，例如：军属隐形技术的反侦察、病变细胞的磁共振成像、工业自动化精确控制、工程安全隐患预警等，需要超高灵敏度的磁传感器来精确地检测出探测对象的微弱信号变化。磁振子晶体是能够承载或调控自旋波传播的一种周期性人造磁性微结构材料，它类似于光子晶体，是人造晶体的一种特殊类型,可被应用于弱磁探测领域的超高灵敏传感器元件。近年来，各种周期性结构化磁振子晶体器件中集体自旋波传播行为的研究引起了越来越多研究者的高度关注。因为这种磁振子晶体中的集体自旋波传播行为可应用于未来基于自旋波传播的磁通信领域。最近，一种由亚毫米级非磁性金属条形和铁磁薄膜组成的一维磁振子晶体结构倍受人们的关注。因为这种磁振子晶体结构可以通过调节金属阵列中周期性排布和几何结构参数来调控磁振子晶体中传播的表面静磁波禁带结构，可称之为禁带型磁振子晶体。不仅如此，这种磁振子晶体的禁带结构易受外磁场的影响，比如：当外磁场发生微小改变时，会引起表面静磁波禁带结构的变化，导致表面静磁波吸收峰的偏移。因此这种禁带型磁振子晶体禁带结构的外磁场依赖性可应用于探测微弱磁场信号[M.Inoueetal.Appl.Phys.Lett.98,132511(2011)]。与之相反，我们知道还有另一种磁振子晶体结构是可以产生自旋波共振效应，即可称之为共振型磁振子晶体。这种共振型磁振子晶体不需要用非磁性金属结构来实现表面静磁波的禁带结构，其结构上比禁带型磁振子晶体更加简单、更容易制备。不仅如此，利用这种磁振子晶体结构的自旋波共振特性也可以应用于微弱磁场信号探测，而且通过这种灵活多变的结构特性可进一步提高微弱磁场探测的灵敏度和精准度。
技术实现思路
为了进一步提高传感器件的磁探测灵敏度和精准度，本专利技术提出一种利用二维（2D）人造磁振子晶体自旋波共振效应的弱磁探测器件，即称之为基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件。该器件其结构相对简单、制备工艺成熟且多样化，而且有利于提高磁灵敏度和磁场相应能力。不仅如此，该器件可通过改变人造磁振子晶格常数调节共振峰的位置和品质因子来适应不同的待测磁环境，从而可进一步灵活调节探测器件的测量范围和精准度。本专利技术采取的技术方案为：一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，包括非磁性衬底，所述非磁性衬底上设有铁磁薄膜层，所述铁磁薄膜层上设有呈周期排列的图案化铁磁元件阵列，通过周期排列的图案化铁磁元件阵列在恒定辅助磁场和高频交变电磁场的共同作用下产生表面自旋波，在某一频率附近产生共振现象形成共振峰，这种自旋波的共振现象可应用于弱磁场探测。用于自旋波共振效应的二维图案化铁磁元件阵列称作2D人造磁振子晶体。所述非磁性衬底为规则方形非磁性单晶材料，所述非磁性单晶材料为：单晶Si（100）、或者MgO（001）。所述非磁性衬底上的铁磁薄膜层为晶体结构材料、或者非晶结构材料，其厚度t1的范围在1—10nm。所述铁磁材料为：Fe、Co、Ni、Py、YIG、CoFe等。所述周期排列的图案化铁磁元件为铁磁材料制备，其厚度t2的范围在5-100nm，所述图案化铁磁元件一般形状为：微/纳米级条形、圆形、椭圆形或者纳米点。所述周期排列为均匀排布的二维点阵方式。所述铁磁材料为：Fe、Co、Ni、Py、YIG、CoFe等。其中图案化铁磁元件的短边宽度S、图案化铁磁元件的长边宽度D以及相邻元件间的短边方向间距dx和长边方向间距dy分别表示2D人造磁振子晶体的晶格结构参数。其中图案化单个元件的短边宽度S的范围在10-106nm，图案化单个元件的长边宽度D的范围在10-106nm，相邻元件间的短边方向间距dx和长边方向间距dy的范围在5-105nm。该弱磁探测器件在y轴方向加入恒定辅助磁场B，范围在10-2000mT内。在x轴或z轴方向加入高频交变电磁场或脉冲磁场，范围在0.01—10GHz范围内，待测磁场B'方向为y轴方向与恒定辅助磁场B方向平行。一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件的制备方法，包括以下步骤：1）、非磁性单晶衬底用丙酮或者乙醇超声漂洗，再用去离子水清洗干净，非磁性单晶衬底和铁磁薄膜层材料的选择应符合材料生长动力学要求；2）、利用磁控溅射、脉冲激光沉积或者化学气相沉积等物理或化学方法方法，在非磁性单晶衬底上制备铁磁薄膜层；3）、利用光刻或者离子束刻蚀方法，在铁磁薄膜层上制备出周期排列的图案化铁磁元件阵列。利用退火炉对所述弱磁探测器件进行退火，要求尽量消除铁磁薄膜层和周期排列的图案化铁磁元件沉积过程中形成的结构缺陷(比如：晶格缺陷、杂质成核、边缘缺陷等都会引起共振峰的劈裂现象，从而也会影响该器件的性能)，其退火温度的选择与所使用的磁性材料特性有关。本专利技术一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，优点在于：1）、该弱磁探测器件其结构相对简单、制备工艺成熟且多样化，而且所用原材料资源丰富，具有商用化应用前景。2）、该弱磁探测器件的工作机理不同于传统磁传感器，是利用磁场的微弱变化与自旋波共振频率偏移量之间的线性关系来实现磁探测的目的。因此其探测灵敏度可达到pT/Hz量级，为弱磁探测领域提供新的技术方案。3）、该弱磁探测器件采用了2D人造磁振子晶体结构，可实现双模/多模共振现象，这有利于提高磁探测灵敏度和精准度，在资源调查和目标探测领域上有着深远的应用前景。4）、根据待测磁环境特点，可以通过改变2D人造磁振子晶体的结构参数来灵活调节该弱磁探测器件探测范围，这一特点有利于在各种检测与探伤领域的应用推广。附图说明图1a和图1b为2D人造磁振子晶体弱磁探测器件的俯视和侧视结构示意图。图2a和图2b为实施例1中3*3阵列结构纳米圆形铁磁元件2D人造磁振子晶体弱磁探测器件的俯视和侧视结构示意图。图3为实施例1中3*3阵列结构纳米圆形铁磁元件2D人造磁振子晶体弱磁探测器件在自旋波共振测试中在不同恒定辅助磁场作用下测得的双峰结构共振频谱图。图4为实施例1中3*3阵列结构纳米圆形铁磁元件2D人造磁振子晶体弱磁探测器件在自旋波共振测试中双峰结构共振峰的频率偏移量对恒定辅助磁场的线性依赖关系图。图5为实施例2中3*3阵列结构纳米圆形铁磁元件2D人造磁振子晶体弱磁探测器件在自旋波共振测试中在不同恒定辅助磁场作用下测得的双峰结构共振频谱图。图6为实施例2中3*3阵列结构纳米圆形铁磁元件2D人造磁振子晶体弱磁探测器件在自旋波共振测试中双峰结构共振峰的频率偏移量对恒定辅助磁场的线性依赖关系图。图中标号：1-非磁性衬底，2-铁磁薄膜层，3-图案化铁磁元件；图中符号：S-图案化铁磁元件的短边宽度，D-图案化铁磁元件的长边宽度，dx-图案化铁磁元件的短边方向间距，dy-图案化铁磁元件的长边方向间距，以上参数代表2D人造磁振子晶体的晶格参数；B-恒定辅助磁场，B'-待测磁场，F-脉冲磁场或者交变电磁场；t1-铁磁薄膜层的厚度；t2-图案化铁磁元件的厚度。具体实施方式如图1a和图1b所示，一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，包括非磁性衬底1，所述非磁性衬底1上设有铁磁薄膜层2，所述铁磁薄膜层2上设有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，包括非磁性衬底（1），其特征在于，所述衬底（1）上设有铁磁薄膜层（2），所述铁磁薄膜层（2）上设有呈周期排列的图案化铁磁元件（3）阵列，通过周期排列的图案化铁磁元件（3）阵列在恒定辅助磁场和高频交变电磁场的共同作用下产生表面自旋波，在某一频率附近产生共振现象形成共振峰，这种自旋波的共振现象可应用于弱磁场探测。

【技术特征摘要】
1.一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，包括非磁性衬底（1），其特征在于，所述衬底（1）上设有铁磁薄膜层（2），所述铁磁薄膜层（2）上设有呈周期排列的图案化铁磁元件（3）阵列，通过周期排列的图案化铁磁元件（3）阵列在恒定辅助磁场和高频交变电磁场的共同作用下产生表面自旋波，在某一频率附近产生共振现象形成共振峰，这种自旋波的共振现象可应用于弱磁场探测。2.根据权利要求1所述一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，其特征在于，所述非磁性衬底（1）为规则方形非磁性单晶材料，所述非磁性单晶材料为：单晶Si（100）、或者MgO（001）。3.根据权利要求1所述一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，其特征在于，所述非磁性衬底（1）上的铁磁薄膜层（2）为晶体结构材料、或者非晶结构材料，其厚度t1的范围在1—10nm。4.根据权利要求1所述一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，其特征在于，所述周期排列的图案化铁磁元件（3）为铁磁材料制备，其厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴红光，黄琳，潘礼庆，贾高萌，陈澄，鲁广铎，黄秀峰，杨磊，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42