一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件.pdf

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。

权利要求书
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—10 nm。

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t2的范围在5-100 nm，所述图案化铁磁元件（3）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。

5.  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，其中图案化铁磁元件（3）的短边宽度S、图案化铁磁元件（3）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10-106 nm，图案化单个元件的长边宽度D的范围在10-106 nm，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5-105 nm。

6.  根据权利要求1~5所述任意一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，其特征在于，该弱磁探测器件在y轴方向加入恒定辅助磁场B，范围在10-2000 mT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—10 GHz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。

7.  一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
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（2）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（2）；
3）利用光刻或者离子束刻蚀方法，在铁磁薄膜层（2）上制备出周期排列的图案化铁磁元件（3）阵列。

8.  根据权利要求7所述一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件的制备方法，其特征在于，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（2）和周期排列的图案化铁磁元件（3）沉积过程中形成的结构缺陷。

说明书一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件
技术领域
本发明属于弱磁探测和铁磁材料相关技术领域，特别涉及一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件。
背景技术
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. Inoue et al. 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。
发明内容
为了进一步提高传感器件的磁探测灵敏度和精准度，本发明提出一种利用二维（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。
本发明采取的技术方案为：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—10 nm。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5-100 nm，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10-106 nm，图案化单个元件的长边宽度D的范围在10-106 nm，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5-105 nm。
该弱磁探测器件在y轴方向加入恒定辅助磁场B，范围在10-2000 mT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—10 GHz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。
本发明一种基于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上设有呈周期排列的图案化铁磁元件3，所述周期排列为规则方形均匀点阵排布。先将该器件放置于恒定辅助磁场下以高频交变电磁场形成双模/多模自旋波共振现象，即在频谱中形成共振峰（共振峰频率特性依赖于恒定磁场的强度和磁针振晶体材料特性，该器件的共振频在几兆到几百兆赫兹范围）。再将此装置整体放入待测磁环境后，通过自旋波共振频率的线性偏移现象，探测待测磁环境的强弱。
所述装置整体包括基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件，产生辅助外磁场的电磁铁以及高频电磁场发生装置。
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）等。
所述铁磁薄膜层2为铁磁性材料，可以是晶体结构材料，也可以是非晶结构材料，其厚度t1范围在1-10 nm，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3为铁磁材料制备，其厚度t2范围在5-100 nm，所述周期排列为规则方形均匀点阵排布，所述铁磁材料为：Fe、Co、Ni、Py、YIG、CoFe等。
其中S、D、dx和dy表示图案化铁磁元件3的参数，在y方向施加恒定辅助磁场B和待测磁场B'，在x方向施加磁脉冲信号或者交变电磁场信号F。S和D的大小范围在10-106 nm，dx和dy的范围在5-105 nm。
所述周期排列的图案化铁磁元件3的形状为微/纳米级条形、圆形、椭圆形或者纳米点等。所述周期排列一般为规则方形点阵方式的均匀排布。
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2材料的选择应符合材料生长动力学要求(即：衬底材料和铁磁薄膜层材料的晶格参数需匹配或接近)；
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2；
3）、利用光刻或者离子束刻蚀方法，在铁磁薄膜层2上制备出周期排列的图案化铁磁元件3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2和周期排列的图案化铁磁元件3沉积过程中形成的结构缺陷，其退火温度的选择与所使用的磁性材料特性有关（比如：坡莫合金退火在500℃）。
实施例1：
图2a和图2b分别为实施3×3阵列2D磁振子晶体弱磁探测器件的俯视和仰视结构示意图。
如图2a和图2b所示，非磁性衬底1的材料采用表面附有自然氧化层的500 μm厚单抛光（100）硅片。铁磁薄膜层2采用坡莫合金软铁磁材料，薄膜层厚度t1为5 nm。周期排列的图案化铁磁元件3阵列的材料也采用了坡莫合金，且以3×3点阵结构实现周期排列，短边宽度S和长边宽度D均为80 nm、厚度t2为5 nm，而且其相邻两个元件间的短边方向间距dx和长边方向间距dy均为10 nm。
将该器件置于恒定偏置磁场环境下，再以脉冲磁场进行自旋波激发。其中，恒定偏置磁场沿着该器件y方向施加，其大小为15到40 mT；脉冲磁场则沿着该器件的x方向施加，其脉宽为100 ps，强度为10 mT。
图3 表示为在不同恒定偏置磁场下，自旋波双峰共振结构频谱图。其中，其自旋波双峰共振峰值随着恒定偏置磁场的增加而向高频段产生偏移。
图4表示为恒定偏置磁场与自旋波共振频率偏移量之间的线性关系，而且表明在不同恒定偏置磁场下两个自旋波共振峰值的偏移量基本保持一致。
根据该器件在不同恒定偏置磁场下自旋波双峰共振结构的偏移量可以有效地探测微弱磁场变化。比如：恒定偏置磁场改变2 mT（从25改变到30 mT）时，其自旋波双峰共振结构种的第一个共振峰值的偏移量约为20.64 MHz，这相当于灵敏度达到亚纳特级（约242 pT/Hz）。因此，该器件则可应用于高灵敏的磁场传感器。
实施例2：
图2a和图2b分别为实施3×3阵列2D磁振子晶体弱磁探测器件的俯视和仰视结构示意图。
如图2a和图2b所示，非磁性衬底1的材料采用表面附有自然氧化层的500 μm厚单抛光（100）硅片。铁磁薄膜层2采用坡莫合金软铁磁材料，薄膜层厚度t1为5 nm。周期排列的图案化铁磁元件3阵列的材料也采用了坡莫合金，且以3×3点阵结构实现周期排列，短边宽度S为 60 nm 、长边宽度D为80 nm、厚度t2为5 nm，而且其相邻两个元件间的短边方向间距dx和长边方向间距dy均为10 nm。
将该器件置于恒定偏置磁场环境下，再以脉冲磁场进行自旋波激发。其中，恒定偏置磁场沿着该器件y方向施加，其大小为15到50 mT；脉冲磁场则沿着该器件的x方向施加，其脉宽为100 ps，强度为5 mT。
图5 表示为在不同恒定偏置磁场下，自旋波双峰共振结构频谱图。其中，其自旋波双峰共振峰值随着恒定偏置磁场的增加而向高频段产生偏移。由于周期排列的图案化铁磁元件3的椭圆形状可引入xy平面的形状各向异性，从而导致实例2中的自旋波共振峰值明显大于实例1（见图3和图5）。在实例1中，在15 mT恒定偏置磁场下第一个自旋波共振峰值出现在0.11 GHz附近，如图3所示。而在实例2中，在15 mT恒定偏置磁场下第一个自旋波共振峰值出现在0.21 GHz附近，如图5所示。
图6表示为恒定偏置磁场与自旋波共振频率偏移量之间的线性关系，而且表明在不同恒定偏置磁场下两个自旋波共振峰值的偏移量并非始终保持一致。如图6所示，虽然两个自旋波的共振峰值各自与恒定偏置磁场呈现线性关系，但是随着恒定偏置磁场增强两种自旋波共振有交叠的倾向。比如：在15 mT恒定偏置磁场下，两个自旋波共振峰值只差约为0.039 GHz；而在50 mT恒定偏置磁场下，两个自旋波共振峰值只差约为0.028 GHz。
如图6所示，尽管在不同恒定偏置磁场下两个自旋波共振峰值的偏移量并非始终保持一致，但是两个自旋波共振峰值与恒定偏置磁场之间各自保持较好的线性关系，因此根据该器件在不同恒定偏置磁场下自旋波共振峰的偏移量可有效地探测微弱磁场变化。比如：恒定偏置磁场改变5 mT（从25改变到30 mT）时，其自旋波双峰共振结构种的第一个共振峰值的偏移量约为13.72 MHz，这相当于灵敏度达到亚纳特级（364 pT/Hz）；而第二个共振峰值的偏移量约为15.03 MHz，这相当于灵敏度约为327 pT/Hz。因此，该器件不仅可应用于高灵敏的磁场传感器，而且可通过多通道结构（多峰共振结构）特性进一步提高磁探测精度。