CN102122559B

CN102122559B - 一种增强型复合磁性材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102122559B
Application number: CN 201010022646
Authority: CN
Inventors: 周仕明; 何攀; 张霞; 石磊; 魏慎金; 李晶
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: CN102122559A

Abstract

本发明涉及一种磁光克尔效应增强型复合磁性材料及其制备方法和应用。该增强型复合磁性材料能显著提高磁性材料的磁光克尔效应，其磁光谱不但有很窄的共振线宽，而且对应的波长连续可调。其制备方法首先在玻璃衬底上自组织生长二维有序的聚苯乙烯小球阵列，然后在小球上用磁控溅射沉积Au/Co薄膜，可以得到两维光子晶体/磁性金属体系，最后测量极向磁光克尔谱。入射光在周期性结构中的高阶衍射导致磁光效应增强高达一个量级，峰宽几个纳米，通过使用不同尺寸的小球，可以移动磁光效应增强的波长区域。该增强型复合磁性材料的磁光谱能感应外界电介质环境的变化，这一特性可用在生物传感器等领域。

Description

一种增强型复合磁性材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属磁光效应和生物传感器技术领域，具体涉及一种磁光克尔效应增强型复合磁性材料及其制备方法和应用。

技术背景

磁光克尔效应除了可以用于磁畴的观测和对磁性薄膜的研究外，还被广泛应用于磁光盘的数据读取。对于磁光克尔效应此方面的应用，工业上需要一个相对较大的磁光克尔角。对于特定的材料，磁光克尔效应由材料的介电常数决定。而材料的性质不仅和材料的本征属性有关还和材料的结构有关。随着纳米技术的兴起，人们可以将特定物质制备成一定的纳米结构，从而剪裁物质的性质。当然，将特定的物质制备成一定的纳米结构时，物质的磁光效应可能会得到很大的增强。通常可以运用金属材料的等离子共振(包括体等离子共振、表面等离子体共振)与磁性材料中对磁光有贡献的电子跃迁的耦合，来提高磁性材料的磁光克尔效应。但这种增强只发生在与物质本征属性相关的特定的波长，不可调控。寻找一种磁光克尔效应显著增强且增强发生的波长在可见光区域连续可调的方法，是一项十分必要的研究。

高的品质因子是各类传感器灵敏度的重要体现。存在于金属/电介质界面的表面等离子体对消逝场穿透深度内电介质的折射率非常敏感。表面等离子体的这一显著特性被用于开发等离子体生物传感器，这种生物传感器能用来探测和研究催化剂与金属表面的相应受体的成键过程。目前，几乎所有商业上的表面等离子体生物传感器都是运用Au或Ag连续膜上激发的表面等离子体激元。但基于表面等离子体的方法并不能满足生物技术对纳米尺度器件的要求。纳米结构的局域表面等离子体虽然能满足纳米器件的要求，同时它具备谱可调节及局域场极大增强的优点，但它对电介质折射率的响应灵敏度比表面等离子体低一个数量级。所以，制备具备较高品质因子的纳米结构器件在生物传感上将有很大的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁光克尔效应显著增强且增强发生的波长在可见光区域连续可调的磁性材料及其制备方法，提出具备较高品质因子的应用在生物信息传送的纳米结构传感器件。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种增强型复合磁性材料，包括玻璃衬底、聚苯乙烯小球、金属层和磁性层；所述玻璃衬底上周期性有序排列着两维聚苯乙烯小球晶体，构成磁性材料的内核；所述聚苯乙烯小球直径为600～1300nm，呈六角密堆结构排列，每个小球与相邻6个小球紧密相切连接，同时每三个相邻小球间构成一个三角形空隙；在所述内核表面镀覆着金属层Au，所述金属Au层名义厚度为5～50nm；在所述金属层Au表面镀覆着磁性层Co，所述磁性Co层名义厚度为5～50nm；同时在小球间的三角形空隙处玻璃上，依次均匀镀覆着Au和Co的双层膜。

所述聚苯乙烯小球直径在700～900nm范围时最佳。

所述金属Au层厚度为20nm时最佳。所述金属层可以用金属Ag或者Cu取代Au。

所述磁性Co层厚度为10～20nm时最佳。所述磁性层可以用磁性材料Fe或者Ni取代Co。

一种上述增强型复合磁性材料的制备方法，其步骤如下：

步骤1：将玻璃衬底放入清洗剂中，采用超声波发生器进行清洗；所述清洗剂为无水乙醇；

步骤2：在大气环境中，在清洗洁净的玻璃衬底上用液面提拉法排列两维聚苯乙烯小球晶体，所述聚苯乙烯小球直径为600～1300nm；所述大气环境的温度以20～25℃为佳；

步骤3：将排列好的两维聚苯乙烯小球晶体放入安装有磁控溅射设备的样品生长腔，并对样品生长腔抽真空，其真空度为3×10^-5～8×10^-5Pa；

步骤4：在真空的样品生长腔中通入氩气，将氩气压力控制在0.45～0.55Pa；

步骤5：启辉所述磁控溅射设备的Au靶，采用直靶磁控溅射方法，在排有聚苯乙烯小球晶体的玻璃衬底上生长金属Au层，所述Au靶溅射速率为0.35～0.45nm/s；当所生成的金属Au层厚度达到5～50nm时，关闭Au靶；

步骤6：启辉所述磁控溅射设备的Co靶，溅射生长磁性层Co，所述Co靶溅射速率为0.15～0.18nm/s；当所生成的磁性层Co厚度达到5～50nm时，关闭Co靶；

步骤7：静置一小时后，关闭氩气，打开样品生长腔，取出制备的复合磁性材料。

一种上述增强型复合磁性材料的应用：将所述磁性材料表面覆盖一层生物试剂，利用所述磁性材料表面的电介质环境发生变化时，磁光克尔谱被调制的波长区域将发生移动的特性，实时将生物过程的变化信息传送至监控装置。

本发明磁光克尔效应增强型复合磁性材料及其制备方法和应用具有以下优点：①本发明增强型复合磁性材料能显著增大磁性材料的磁光克尔效应，磁光克尔角可增大一个数量级。②多种磁性材料的磁光克尔效应可通过本发明制备方法得到显著提高。③磁光克尔效应较大的材料可应用于磁光器件，提高磁光器件的性能；磁光效应显著增强的波长区域可使用不同直径的聚苯乙--烯小球来调节，聚苯乙烯小球直径增大，磁光效应显著增强的波长区域红移；因而本发明能满足各种可见光范围内的磁光器件，有广泛的适用性。④磁光谱的峰宽很窄，磁光克尔谱被显著调制的波长区域随样品表面的电介质环境变化而变化，因而能感应外界电介质环境的变化，本发明增强型复合磁性材料这一特性可用在生物传感器等领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明增强型复合磁性材料的三维原子力显微镜图；

图2是本发明增强型复合磁性材料的聚苯乙烯小球两维有序排列扫描电镜图；

图3是本发明增强型复合磁性材料聚苯乙烯小球上双层膜示意图；

图4是本发明样品Glass/PS(700nm)/Au(20nm)/Co(10nm)的磁光克尔谱；

图5是本发明样品Glass/PS(800nm)/Au(20nm)/Co(10nm)的磁光克尔谱；

图6是本发明样品Glass/PS(900nm)/Au(20nm)/Co(10nm)的磁光克尔谱；

图7是本发明样品Glass/PS(800nm)/Au(20nm)/Co(10nm)表面覆盖一层油前后在被显著调制的波长区域的磁光克尔谱对比。

具体实施方式：

下面结合附图通过实例进一步描述本发明增强型复合磁性材料。

图1是本发明增强型复合磁性材料的三维显微镜图，它由玻璃衬底、聚苯乙烯小球、金属层和磁性层构成，在玻璃衬底上周期性有序排列着两维聚苯乙烯小球晶体(如图2所示)，小球有序排列的面积约有1cm×1cm，构成磁性材料的内核；所述聚苯乙烯小球直径为600～1300nm，呈六角密堆结构排列，每个小球与相邻6个小球紧密相切连接，同时每三个相邻小球间构成一个三角形空隙；在所述内核表面镀覆着金属层Au，所述金属Au层名义厚度为5～50nm；在所述金属层Au表面镀覆着磁性层Co，所述磁性Co层名义厚度为5～50nm。单个小球上Au/Co双层膜的结构如图3所示：在聚苯乙烯PS小球上覆盖金属Au层，在金属Au层上覆盖磁性Co层；其中小球顶处的Au/Co膜厚度比小球赤道处Au/Co膜的厚度大。同时在小球间的三角形空隙处玻璃上，依次均匀镀覆着Au和Co的双层膜。

本发明增强型复合磁性材料的制备方法是：将玻璃衬底放入无水乙醇中，用超声波发生器进行清洗。在大气环境中，在清洗好的玻璃衬底上用液面提拉法排列两维聚苯乙烯小球晶体，聚苯乙烯小球直径为600～1300nm。将排好的两维聚苯乙烯小球晶体放入磁控溅射设备的样品生长腔，抽真空。等腔的本底真空度降到3×10^-5～8×10^-5Pa时，通氩气。氩气压通常维持在0.45～0.55Pa。采用直流溅射方式，在排有聚苯乙烯小球的玻璃衬底上生长金属Au(5～50nm)，其溅射速率为0.35～0.45nm/s.接着关掉Au靶，启辉Co靶，并溅射生长磁性层Co(5～50nm)，其中Co的溅射速率为0.15-0.18nm/s.静置一小时后开腔，取出样品并测量。

实例1：三种不同直径聚苯乙烯小球复合磁性材料样品Glass/PS(700，800，900nm)/Au(20nm)/Co(10nm)磁光克尔谱对比：

在大气环境中，在洁净的玻璃衬底上用液面提拉法制备聚苯乙烯小球直径为700，800，900nm的两维小球晶体。用计算机控制的多功能磁控溅射设备，在两维小球晶体上，采用直靶磁控溅射沉积生长Au(20nm)/Co(10nm)双层膜，用磁光克尔测量仪测量磁光克尔谱，如图4～6所示，样品glass/PS700nm/Au(20nm)/Co(10nm)，glass/PS800nm/Au(20nm)/Co(10nm)，glass/PS900nm/Au(20nm)/Co(10nm)分别在波长为375，420，465nm附近磁光效应得到显著增强，且有很窄的共振线宽，克尔角从正的极大突变到负的极大。随着小球尺寸的增大，磁光效应增强区域红移，且和小球尺寸有很好的线性关系。而我们知道对于没有小球，直接在玻璃上磁控溅射沉积生长Au(20nm)/Co(10nm)的样品，磁光谱是一条没有显著结构平缓变化的曲线。

实例2：复合磁性材料样品Glass/PS(800nm)/Au(20nm)/Co(10nm)在表面覆盖一层油前后进行对比，观察其磁光克尔谱被显著调制的波长区域的变化：

在空气环境中，用磁光克尔测量仪测量样品glass/PS800nm/Au(20nm)/Co(10nm)的磁光克尔谱，磁光克尔谱被显著调制的区域如图7方点线所示。之后在该样品上覆盖一层透明的油，折射率约为1.3，测量样品盖油后的磁光克尔谱，磁光克尔谱被显著调制的区域如图7圆点线所示。对比可见，当样品表面的电介质环境变化时，磁光克尔谱显著调制的波长区域发生移动。因而该样品的磁光谱能感应外界电介质环境的变化，这一特性可用在生物传感器等领域。

Claims

1.一种增强型复合磁性材料，包括玻璃衬底、聚苯乙烯小球、金属层和磁性层，其特征在于：所述玻璃衬底上周期性有序排列着两维聚苯乙烯小球晶体，构成磁性材料的内核；所述聚苯乙烯小球直径为600～1300nm，呈六角密堆结构排列，每个小球与相邻6个小球紧密相切连接，同时每三个相邻小球间构成一个三角形空隙；在所述内核表面镀覆着金属Au层，所述金属Au层厚度为5～50nm；在所述金属Au层表面镀覆着磁性Co层，所述磁性Co层厚度为5～50nm；同时在小球间的三角形空隙处玻璃上，依次均匀镀覆着Au和Co的双层膜。

2.根据权利要求1所述的复合磁性材料，其特征在于：所述聚苯乙烯小球直径在700～900nm范围时最佳。

3.根据权利要求1所述的复合磁性材料，其特征在于：所述金属Au层厚度为20nm时最佳。

4.根据权利要求1或3所述的复合磁性材料，其特征在于：所述金属层可以用金属Ag或者Cu取代Au。

5.根据权利要求1所述的复合磁性材料，其特征在于：所述磁性Co层厚度为10～20nm时最佳。

6.根据权利要求1或5所述的增强型复合磁性材料，其特征在于：所述磁性层可以用磁性材料Fe或者Ni取代Co。

7.一种权利要求1至6任一项所述增强型复合磁性材料的制备方法，其步骤如下：

步骤1：将玻璃衬底放入清洗剂中，采用超声波发生器进行清洗；

步骤2：在大气环境中，在清洗洁净的玻璃衬底上用液面提拉法排列两维聚苯乙烯小球晶体，所述聚苯乙烯小球直径为600～1300nm；

步骤3：将排列好的两维聚苯乙烯小球晶体的玻璃衬底放入安装有磁控溅射设备的样品生长腔，并对样品生长腔抽真空，其真空度为3×10^-5～8×10^-5Pa；

步骤6：启辉所述磁控溅射设备的Co靶，溅射生长磁性Co层，所述Co靶溅射速率为0.15～0.18nm/s；当所生成的磁性Co层厚度达到5～50nm时，关闭Co靶；

8.根据权利要求7所述的复合磁性材料制备方法，其特征在于：在步骤2中，规则排列聚苯乙烯小球晶体时，所述大气环境的温度为20～25℃。

9.根据权利要求7所述的复合磁性材料制备方法，其特征在于：步骤1中所述的清洗剂为无水乙醇。

10.一种权利要求1至6任一项所述增强型复合磁性材料的应用，其特征在于：将所述复合磁性材料表面覆盖一层生物试剂，利用所述复合磁性材料表面的电介质环境发生变化时，磁光克尔谱被调制的波长区域将发生移动的特性，实时将生物过程的变化信息传送至监控装置。