CN113219383B - 一种磁场的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了磁场的测量装置，该装置包括：衬底层、结构层；结构层设置于所述衬底层上；结构层包括周期排布的结构单元，每个结构单元包括n个矩形条，所述矩形条两两之间首尾顺次相接围成环形，所述矩形条(201)共面且两两之间设置间距，所述矩形条中至少有两个的长径比不同，n都为自然数且n大于等于3；所述矩形条的材质为石墨烯。其中，左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层的折射率不同，也就是左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层的透射率会产生差异，从而用该透射率的差异反映磁场的大小，进而实现对磁场的测量。本发明利用光信号的改变反映磁场的大小，因此会大大提高测磁场测量的灵敏度。

Description

一种磁场的测量装置
技术领域
本发明涉及磁场探测技术领域，特别是涉及一种磁场探测器。
背景技术
磁性是物质的基本属性之一，测量磁性物体的磁场，经过信号分析处理提取相关信息，可以达到目标探测、资源调查等目的。磁场探测是现代探测技术的重要组成部分，磁场探测技术被广泛应用于空间科学研究、海洋监测、地下和水下铁磁物体的探测、地震预测、地磁匹配导航、飞机发动机零部件无损检测以及医学核磁共振等各个领域。
磁场探测器多种多样，测量原理千差万别，如磁阻效应、Zeeman效应、 Josephson效应、霍尔效应等，只要某一物理量与磁场呈某一确定关系，均可在一定场合下探测磁信号。探测器的灵敏度至关重要，现有技术中的磁场探测器普遍存在灵敏度低的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种磁场的测量装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本实施例提供了一种磁场的测量装置，包括：衬底层10、结构层20；
所述结构层20设置于所述衬底层10上；
所述结构层20包括周期排布的结构单元，每个结构单元包括n个矩形条 201，所述矩形条201两两之间首尾顺次相接围成环形，所述矩形条(201) 共面且两两之间有间距，所述矩形条201中至少有两个的长径比不同，n都为自然数且n大于等于3；所述矩形条的材质为石墨烯。
其中，在圆偏振光照射下，所述结构层20的表面激发表面等离激元效应；向所述结构层20施加外加磁场后，让所述结构层20表面的电荷回旋运动的方向发生改变，使得左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的折射率不同，也就是左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的透射率会产生差异，从而用该透射率的差异反映磁场的大小，进而实现对磁场的测量。
所述矩形条201的长度为120-1000nm。
所述矩形条201的长径比为1/6-1/2。
所述矩形条(201)两两之间的间距小于120nm。
所述矩形条201两两之间的间距不相同。
所述衬底层10和结构层20之间还设置有介质层30和贵金属层40，所述贵金属层40位于靠近基底10的一侧。
所述贵金属层40为贵金属薄膜或者贵金属颗粒组成，所述介质层30为磁致伸缩材料。
所述形变部202设置于所述矩形条201两两之间首尾顺次相接围成环形。
所述衬底层10包括：硅衬底层、氮化硅衬底层或玻璃衬底层中的一种。
本发明的有益效果：
1、本实施例提供的磁场的测量装置，当圆偏振光照射到结构层时，在结构层的表面会激发表面等离激元效应，在结构层的表面会产生很多的电荷，由于矩形条两两之间有耦合的作用，所以电子会绕着矩形条的表面流动。左旋偏振光(LCP)会使结构层表面的电荷向左回旋,右旋偏振光(RCP) 会使结构层表面的电荷向右回旋。当沿着电磁场传播方向加上外磁场之后, 外加的磁场使得结构层表面的电荷回旋运动的方向发生变化，导致结构层表里面的电偶极子在x-y面上发生旋转，因此在LCP和RCP照射下的时候结构层展现出了不同的折射率，也就是LCP和RCP照射下结构层有不同的透射率，即就是有透射率差异ΔT。当外加磁场越大时，石墨烯结构表面的电荷回旋运动的方向发生的变化越大，透射率差异ΔT的值就越大。所以在这里用透射率的差异ΔT，反映磁场的大小，达到测量磁场的目的。本申请提供的磁场测量装置，利用光信号的改变反映磁场的大小，因此会大大提高测磁场测量的灵敏度。
2、本实施例提供的磁场的测量装置，石墨烯或者二硫化钼材料构成的结构层具有很高的电子迁移率，所以当外界有磁场时，石墨烯或者二硫化钼材料构成的结构层上的电荷分布能够快速地被影响，也就是所述结构层上的电偶极子在xy面上快速发生旋转，最终实现对所述装置磁场的测量很及时，没有时间的延迟，从而使调控更准确、更及时。
3、本实施例提供的磁场的测量装置，通过在所述结构层上设置的矩形条为纳米尺寸，所以本发明测量磁场的装置的尺寸小，重量轻结构简单，集成度高。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1a、1b、1c、1d是本发明实施例提供的一种磁场的测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种磁场的测量装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的再一种磁场的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1a、图1b、图1c、图1d，图1a、图1b、图1c、图1d是本发明实施例提供的一种磁场的测量装置的结构示意图，需要说明的是，图1a为所述磁场的测量装置的一个周期的主视图的截面示意图，图1b、图1c、图1d 为所述磁场的测量装置的一个周期的俯视图，图1b、图1c、图1d中给出了几种矩形条201的排布方式；其中各部分仅作为示意，其布局及形状并不能构成对本发明实施例的磁场的测量装置结构的限制。如图1a、1b、1c、1d 所示，所述磁场的测量装置装置包括：衬底层10、结构层20；
所述结构层20设置于所述衬底层10上；
如图图1b、图1c、图1d所示，所述结构层20包括周期排布的结构单元，每个结构单元包括n个矩形条201，所述矩形条201两两之间首尾顺次相接围成环形，所述矩形条(201)共面且两两之间设置间距，所述矩形条201中至少有两个的长径比不同，m和n都为自然数且n大于等于3；所述矩形条201 的材质为石墨烯。
其中，在圆偏振光照射下，所述结构层20的表面激发表面等离激元效应；向所述结构层20施加外加磁场后，让所述结构层20表面的电荷回旋运动的方向发生改变，使得左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的折射率不同，也就是左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的透射率会产生差异，从而用该透射率的差异反映磁场的大小，进而实现对磁场的测量。
以下对该磁场的测量装置中各部分进行介绍。
1)所述衬底层10
所述衬底层10可以是硅衬底、氮化硅衬底、SOI(Silicon On Insulator) 衬底或者玻璃衬底等。
2)所述结构层20
需要说明的是，为了简便，图1b中仅示出一个周期的结构；在实际应用中，可以根据需求设置多个周期的结构。
当圆偏振光照射到结构层20时，在结构层20的表面会激发表面等离激元效应，在结构层20的表面会产生很多的电荷，由于矩形条201两两之间有耦合的作用，所以电子会绕着矩形条201的表面流动。左旋偏振光(LCP) 会使结构层20表面的电荷向左回旋,右旋偏振光(RCP)会使结构层20表面的电荷向右回旋。当沿着电磁场传播方向加上外磁场之后,外加的磁场使得结构层20表面的电荷回旋运动的方向发生变化，导致结构层20表里面的电偶极子在x-y面上发生旋转，因此在LCP和RCP照射下的时候结构层 20展现出了不同的折射率。
所述矩形条201的长度为120-1000nm，长径比为1/6-1/2。矩形条201的作用是用来产生共振模式，矩形条201的尺寸限制在该阈值范围，在可见光波段偶极子的共振是沿着长边的方向振动，这样相邻两个矩形条201之间的耦合会更强，所以相邻的矩形条201之间的表面等离激元耦合更强，在两者之间聚集大量的电磁场，从而外界磁场的对于相邻矩形条201之间的电磁场有叠加的作用，因此结构受外界磁场的作用影响更大，增大了所述结构层20对于外界磁场的响应，最终增大装置的灵敏度。
针对所述结构层20，任何可以产生便面等离激元以及具有高载流子浓度的材料均可以用来制作本发明实施例中的结构层20，例如，石墨烯，二硫化钼等。矩形条201还可以为多层相同大小、相同材质的矩形条201组成，石墨烯的层数沿着顺时针或者逆时针方向逐渐增减或者减小。石墨烯或者二硫化钼材料构成的结构层20具有很高的电子迁移率，所以当外界有磁场时，石墨烯或者二硫化钼材料构成的结构层20上的电荷分布能够快速地被影响，也就是所述结构层20上的电偶极子在xy面上快速发生旋转，最终实现对所述装置磁场的测量很及时，没有时间的延迟，从而使调控更准确、更及时，具体原理后续详述。另外，石墨烯的层数沿着顺时针或者逆时针方向逐渐增减或者减小，使得结构层变成三维的类螺旋结构，和圆偏振光偏振方向的吻合程度更高，从而在LCP和RCP光照射下透射率有更大的差异，从而使得灵敏度更高。
进一步地，可以在测试阶段利用大量测试数据建立透射率差异ΔT与所述装置的磁场变化的映射关系，以在实际应用过程中，可以利用所述映射关系实现对所述装置磁场信号的精确调控，建立映射关系的方式均为现有技术，此处不再赘述。
进一步地，向所述结构层20施加外加磁场后，左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的折射率不同，也就是左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的不仅透射率会产生差异ΔT，反射率，吸收率都会产生差异，即就是反射率差异ΔR，吸收率差异ΔA都反映磁场的大小。
实施例二
本实施例中一种实现磁场测量的装置与实施例1基本相同，区别仅在于所述矩形条201首尾之间的间距不相同，也就是说相邻的两个矩形条201 之间的耦合距离不同，就整体结构来说结构的不对称性增大。所述矩形条 (201)两两之间的间距小于120nm。
因为所述矩形条201之间的满足一定的阈值，所以相邻的矩形条201 之间的表面等离激元耦合，在两者之间聚集大量的电磁场，从而外界磁场的对于相邻矩形条201之间的电磁场有叠加的作用，因此结构受外界磁场的作用影响更大，增大了所述结构层20对于外界磁场的响应，最终增大装置的灵敏度。
在圆偏振光照射下，所述结构层20的表面激发表面等离激元效应；向所述结构层20施加外加磁场后，由于相邻的两个矩形条201之间的耦合距离不同，所以所述结构层20中每个矩形条201表面的电荷回旋运动的方向发生的改变都不同，使得左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的折射率变化更大，也就是左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20的透射率会产生差异会更大，使得该装置的灵敏度更高。
实施例三
本实施例中一种实现磁场测量的装置与实施例1基本相同，区别仅在于所述衬底层10和结构层20之间还设置有介质层30和贵金属层40，所述贵金属层40位于靠近基底10的一侧。所述贵金属层40可以是贵金属薄膜或者贵金属颗粒组成。所述介质层30还可以为磁致伸缩材料。
具体地，以图2为例进行说明，图2为所述另一种磁场的测量装置的一个周期的主视图的截面示意图。所述介质层30的厚度为10-30nm。所述贵金属层40的厚度为10-60nm。在圆偏振光的激发下，结构层20和贵金属层40之间的表面等离激元作用相互耦合，会在结构层20和贵金属层40之间聚集较强的电场和磁场，所以外界磁场的微小变化，都会使得透射率发生很多大变化，使得该装置的灵敏度更高。
优选地，所述介质层30还可以为磁致伸缩材料，可选的为TbDyFe、 FeNi、FeCo其中的一种。当外界待测磁场作用到介质层30时，磁致伸缩材料在磁场的作用下发生形变，导致介质层30的厚度发生变化，也就是结构层20和贵金属层40之间的表面等离激元作用相互耦合作用也会发生变化，所以外界磁场的微小变化，都会使得透射率发生很多大变化，使得该装置的灵敏度更高。
需要说明的是，在此种实施方式下，所述介质层30的厚度为10-30nm，所述介质层30的厚度满足一定的阈值，也就是结构层20和贵金属层40之间的距离满足一定的阈值，所以相结构层20和贵金属层40之间的表面等离激元耦合，在两者之间聚集大量的电磁场，从而外界磁场的对于相邻矩形条201之间的电磁场有叠加的作用，因此结构受外界磁场的作用影响更大，增大了所述结构层20对于外界磁场的响应，最终增大装置的灵敏度。
所述贵金属膜采用贵金属制成；贵金属通常指金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铂等金属元素。贵金属层40的作用是阻挡透过来的光波，让光波再反射回去，使其在介质层30中来回振荡，从而把更多的电磁场限制在结构层20和贵金属层40之间，使得结构层20聚集的电荷更多，形成的电场更强。这样，当外加磁场的强度发生变化时，结构层20中的电偶极子在xy面上改变量更多，从而使得整个装置的灵敏度更高。
进一步地，可以在测试阶段利用大量测试数据建立透射率差异ΔT与所述装置的磁场变化的映射关系，以在实际应用过程中，可以利用所述映射关系实现对所述装置磁场信号的精确调控，建立映射关系的方式均为现有技术，此处不再赘述。
实施例四
本实施例中一种实现磁场测量的装置与实施例1基本相同，区别仅在于还设置有形变部202，所述形变部202设置于所述矩形条201两两之间首尾顺次相接围成的环形中。
具体地，以图3为例进行说明，图3为所述再一种磁场的测量装置的一个周期的主视图的截面示意图。所述形变部202为磁致伸缩材料，可选的为TbDyFe、FeNi、FeCo其中的一种。形变部202的厚度为矩形条201 厚度的1/3-3倍之间。形变部202的作用是在外界磁场的作用下，使得矩形条201之间的距离也发生变化，也就是增加外界磁场对于结构层20透射率的改变，使得该装置的灵敏度更高。
当外界待测磁场作用到形变部202时，磁致伸缩材料在磁场的作用下发生形变，进而带动矩形条201的位置发生变化，也就是相邻两个金属条之间的距离发生变化，所以使得相邻两个矩形条201之间的表面等离激元的耦合作用也会发生变化，导致左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层20 的透射率会产生差异ΔT会更大。因此外界磁场的微小变化，都会使得透射率发生很多大变化，使得该装置的灵敏度更高。另一方面，首尾相接的多个矩形条201，因为围成了一个封闭的空间，所以在一个次偶极子模式，该磁偶极子产生的磁场也会作用到形变部202，使其磁致伸缩发生更多的形变，进而都会使得透射率发生很多大变化，使得该装置的灵敏度更高。
所述装置的结构层20，还可以用作圆二色性动态调控和增强的装置。用圆偏振光照射所述结构时，所述手性单元中的自由电子与光波存在耦合作用，这种局域在手性单元表面的电磁共振模式也称为表面等离激元效应；表面等离激元效应使得手性单元的CD信号比自然界中的手性结构的CD信号强很多。
当沿着电磁场传播方向加上外磁场之后,外加的磁场使得结构层20表面的电荷回旋运动的方向发生变化，导致结构层20表里面的电偶极子在xy 面上发生旋转，因此在LCP和RCP照射下的时候结构层20展现出了不同的折射率，也就是LCP和RCP照射下结构层20有不同的透射率，即就是圆二色信号。用磁场改变石墨烯结构在LCP和RCP光照射下表面的电荷的流动的方向的差异，进而达到动态调控和增强磁场的目的。实现一物二用的效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磁场的测量装置，其特征在于，包括：衬底层（10）、结构层（20）和形变部（202）；
所述结构层（20）设置于所述衬底层（10）上；
所述结构层（20）包括周期排布的结构单元，每个结构单元包括n个矩形条（201），所述矩形条（201）两两之间首尾顺次相接围成环形，所述矩形条（201）共面且两两之间设置间距，所述矩形条（201）中至少有两个的长径比不同，n都为自然数且n大于等于3；所述矩形条的材质为石墨烯；所述形变部（202）设置于所述矩形条（201）两两之间首尾相接围成的环形中，所述形变部（202）为磁致伸缩材料；所述衬底层（10）和结构层（20）之间还设置有介质层（30）和贵金属层（40），所述贵金属层（40）位于靠近衬底层（10）的一侧，贵金属层（40）为贵金属薄膜，介质层（30）为磁致伸缩材料；所述矩形条（201）为多层相同大小、相同材质的石墨烯，石墨烯的层数沿着顺时针或者逆时针方向逐渐增减或者减小，使得结构层（20）变成三维的类螺旋结构，从而使所述结构层（20）在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的照射下透射率有更大的差异；
其中，在圆偏振光照射下，所述结构层（20）的表面激发表面等离激元效应；向所述结构层（20）施加外加磁场后，让所述结构层（20）表面的电荷回旋运动的方向发生改变，使得左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层（20）的折射率不同，也就是左旋和右旋圆偏振光照射下所述结构层（20）的透射率会产生差异，从而用该透射率的差异反映磁场的大小，进而实现对磁场的测量。
2.根据权利要求1所述的一种磁场的测量装置，其特征在于，所述矩形条（201）的长度为120nm-1000nm。
3.根据权利要求2所述的一种磁场的测量装置，其特征在于，所述矩形条（201）的长径比为1/6-1/2。
4.根据权利要求3所述的一种磁场的测量装置，其特征在于，所述矩形条（201）两两之间的间距小于120nm。
5.根据权利要求4所述的一种磁场的测量装置，其特征在于，所述矩形条（201）两两之间的间距不相同。
6.根据权利要求1所述的一种磁场的测量装置，其特征在于，所述衬底层（10）包括：硅衬底层、氮化硅衬底层或玻璃衬底层中的一种。
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