[发明专利]一种基于2D人造磁振子晶体的弱磁探测器件

说明书

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；