一种磁光表面等离子体共振传感器的制作方法

本发明属于光学传感领域，具体涉及一种磁光表面等离子体共振传感器。

背景技术：

表面等离子共振是光在一定条件下入射到金属与介质表面时引起的一种电子与等离子集体震荡的效应。由于表面等离子体共振现象会使电磁场会被局域在金属与介质的表面并发生增强，使得其广泛应用于无标识生物传感，化学传感等。但是由于结构中金属层的高损耗，限制了传统的表面等离子传感器的灵敏度与分辨率，无法应用于单分子生物检测，需要对其进行优化。

在传统表面等离子体共振结构中引入磁性材料层形成的磁光表面等离子体共振，能够通过磁场来调制表面等离子体效应，从而得到更高的传感性能。其中基于金/钴的磁光表面等离子体传感器，已被广泛研究并将传统表面等离子体共振传感器的灵敏度提高了三倍。除金/钴二层结构外，目前主要磁光表面等离子体传感器还包括金/钴/金、银/钴/银等三层结构。除连续薄膜结构外，还包括纳米点阵、纳米反点阵等结构。

对磁光表面等离子体共振传感器的优化主要分为优化结构和优化材料两种方式。目前广泛使用的磁性材料钴的磁光效应比较弱，其它磁性材料如铁等存在损耗较高，磁性氧化物ce-yig等存在制备工艺复杂成本较高等缺点。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种磁光表面等离子体共振传感器。

本发明提供的磁光表面等离子体共振传感器，器件结构中其磁性材料薄膜为铁钴合金fexco1-x薄膜，其中0＜x＜1。

进一步的，所述磁光表面等离子体共振传感器的结构由下至上依次包括衬底基片、下层贵金属薄膜、磁性材料薄膜和上层贵金属薄膜；下层贵金属薄膜厚度为0～60nm，铁钴合金fexco1-x薄膜厚度5～30nm，上层贵金属薄膜为20～60nm；所述下层贵金属薄膜厚度为0nm时整个器件为两层结构，不为0nm是三层结构。

本发明利用铁钴合金磁光效应远强于钴的特性，将铁钴合金fexco1-x薄膜作为磁性材料薄膜，以增强磁场对器件的调制能力；相对于现有二层和三层结构的磁光表面等离子体传感器，其灵敏度提高至原有的1～2倍；相对于磁性氧化物ce-yig的磁光表面等离子体传感器，降低了成本；并且本发明适用于各种结构的磁光表面等离子体传感器。

附图说明

图1实施例的结构图；

图2实施例的传感测试原理图；

图3实施例的优化等高图；

图4实施例与两种现有传感结构的tmoke信号图；

图5实施例的传感测试图；

图6实施例与两种现有传感结构的传感灵敏度比较图。

具体实施方式

实施例：

本实施例采用铁钴合金作为磁光表面等离子体共振传感器中磁性层材料，整个器件由下至上包括铁钴合金薄膜、金薄膜。铁钴合金厚度为14nm，金薄膜为30nm，铁钴合金中铁的含量x＝0.7。

制备方法

选用bk7玻璃作为衬底基片，采用磁控溅射的方式对薄膜进行沉积。腔体背底真空度为5.0×10-⁴pa，工作气压为ar气，溅射时恒定气压为0.5pa。所有沉积均在常温下进行。

步骤1、在bk7基片上沉积14nm铁钴合金。靶材为铁靶和钴靶，采用共溅射的方式，铁靶置于直流靶位，设定功率为50w，钴靶置于射频靶位，设定功率为50w。溅射速率0.15nm/s,溅射时间为1min33s。

步骤2、在铁钴合金层上沉积30nm金，金靶置于直流靶位，设定功率为50w，溅射速率1nm/s，溅射时间为30s。

通过4×4转移矩阵法仿真，可以进一步优化相关参数。本实施例的优化结果如图3所示。

除该实施例以外，制备了两组现有传感结构作为对比试验，分别为各层厚度都与实施例相同的金/钴和金/铁结构。

测试流程

将制备所得样品置于bk7玻璃棱镜上，将波长为650nm的光从样品背面入射，改变入射角度，对其反射角度谱r进行探测，反射角度谱中最低点所对应的角度θspr被称为表面等离子体共振角。通过外加正负向磁场所测定的反射角度谱r(±h)，可以定义横向克尔磁光效应(tmoke):

tmoke＝r(+h)-r(-h)

灵敏度则可定义为：

上式前一部分表示tmoke信号在在θspr处的斜率，后一部分表示θspr随介质折射率nd变化的幅度。因此，样品传感灵敏度可表达为在θspr处样品tmoke信号关于介质折射率的变化率。

测试器件传感灵敏度时，将传感溶液置于微流体中覆于金薄膜的表面并测试各折射率下测试tmoke信号。传感溶液为质量比为0％、5％、10％、15％的甘油溶液，其折射率分别约为1.332、1.338、1.344、1.350。

折射率为1.332时，实施例与两种现有传感结构的tmoke信号如图4所示，实施例的tmoke信号明显高于另外两个样品。实施例的tmoke信号随折射率的偏移如图5所示，其对折射率的敏感度约为147^。/riu。实施例与两种现有传感结构测试所得传感灵敏度如图6所示，相同的结构参数下，实施例灵敏度最大(0.306riu^-1)，且为金/钴结构(0.153riu^-1)的两倍。

综上，本发明通过引入铁钴合金作为磁性层材料，其制备工艺简单、成本低廉，能够将现有的相对于现有二层和三层结构的磁光表面等离子体传感器灵敏度提高至原有的1～2倍，这对于光学传感领域具有很大的应用价值。并且适用于各种结构的磁光表面等离子体传感器。

技术特征：

技术总结
本发明属于光学传感领域，具体涉及一种磁光表面等离子体共振传感器。本发明提供的磁光表面等离子体共振传感器，其磁性材料薄膜为铁钴合金FexCo1‑x薄膜，其中0＜x＜1。本发明利用铁钴合金磁光效应远强于钴的特性，将铁钴合金FexCo1‑x薄膜作为磁性材料薄膜，以增强磁场对器件的调制能力；相对于现有二层和三层结构的磁光表面等离子体传感器，其灵敏度提高至原有的1～2倍；相对于磁性氧化物Ce‑YIG的磁光表面等离子体传感器，降低了成本；并且本发明适用于各种结构的磁光表面等离子体传感器。

技术研发人员：毕磊;刘传
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2017.03.03
技术公布日：2017.07.14