[發明專利]一種磁光表面等離子體共振傳感器

在審

• 申請號: 201710122592.8
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106950198A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 畢磊;劉傳
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 電子科技大學專利中心51203
• 代理人: 閆樹平

技術領域

本發明屬于光學傳感領域，具體涉及一種磁光表面等離子體共振傳感器。

背景技術

表面等離子共振是光在一定條件下入射到金屬與介質表面時引起的一種電子與等離子集體震蕩的效應。由于表面等離子體共振現象會使電磁場會被局域在金屬與介質的表面并發生增強，使得其廣泛應用于無標識生物傳感，化學傳感等。但是由于結構中金屬層的高損耗，限制了傳統的表面等離子傳感器的靈敏度與分辨率，無法應用于單分子生物檢測，需要對其進行優化。

在傳統表面等離子體共振結構中引入磁性材料層形成的磁光表面等離子體共振，能夠通過磁場來調制表面等離子體效應，從而得到更高的傳感性能。其中基于金/鈷的磁光表面等離子體傳感器，已被廣泛研究并將傳統表面等離子體共振傳感器的靈敏度提高了三倍。除金/鈷二層結構外，目前主要磁光表面等離子體傳感器還包括金/鈷/金、銀/鈷/銀等三層結構。除連續薄膜結構外，還包括納米點陣、納米反點陣等結構。

對磁光表面等離子體共振傳感器的優化主要分為優化結構和優化材料兩種方式。目前廣泛使用的磁性材料鈷的磁光效應比較弱，其它磁性材料如鐵等存在損耗較高，磁性氧化物Ce-YIG等存在制備工藝復雜成本較高等缺點。

發明內容

針對上述存在問題或不足，本發明提供了一種磁光表面等離子體共振傳感器。

本發明提供的磁光表面等離子體共振傳感器，器件結構中其磁性材料薄膜為鐵鈷合金Fe_xCo_1-x薄膜，其中0＜x＜1。

進一步的，所述磁光表面等離子體共振傳感器的結構由下至上依次包括襯底基片、下層貴金屬薄膜、磁性材料薄膜和上層貴金屬薄膜；下層貴金屬薄膜厚度為0～60nm，鐵鈷合金Fe_xCo_1-x薄膜厚度5～30nm，上層貴金屬薄膜為20～60nm；所述下層貴金屬薄膜厚度為0nm時整個器件為兩層結構，不為0nm是三層結構。

本發明利用鐵鈷合金磁光效應遠強于鈷的特性，將鐵鈷合金Fe_xCo_1-x薄膜作為磁性材料薄膜，以增強磁場對器件的調制能力；相對于現有二層和三層結構的磁光表面等離子體傳感器，其靈敏度提高至原有的1～2倍；相對于磁性氧化物Ce-YIG的磁光表面等離子體傳感器，降低了成本；并且本發明適用于各種結構的磁光表面等離子體傳感器。

附圖說明

圖1實施例的結構圖；

圖2實施例的傳感測試原理圖；

圖3實施例的優化等高圖；

圖4實施例與兩種現有傳感結構的TMOKE信號圖；

圖5實施例的傳感測試圖；

圖6實施例與兩種現有傳感結構的傳感靈敏度比較圖。

具體實施方式

實施例：

本實施例采用鐵鈷合金作為磁光表面等離子體共振傳感器中磁性層材料，整個器件由下至上包括鐵鈷合金薄膜、金薄膜。鐵鈷合金厚度為14nm，金薄膜為30nm，鐵鈷合金中鐵的含量x＝0.7。

制備方法

選用BK7玻璃作為襯底基片，采用磁控濺射的方式對薄膜進行沉積。腔體背底真空度為5.0×10-⁴Pa，工作氣壓為Ar氣，濺射時恒定氣壓為0.5pa。所有沉積均在常溫下進行。

步驟1、在BK7基片上沉積14nm鐵鈷合金。靶材為鐵靶和鈷靶，采用共濺射的方式，鐵靶置于直流靶位，設定功率為50w，鈷靶置于射頻靶位，設定功率為50w。濺射速率0.15nm/s,濺射時間為1min33s。

步驟2、在鐵鈷合金層上沉積30nm金，金靶置于直流靶位，設定功率為50w，濺射速率1nm/s，濺射時間為30s。

通過4×4轉移矩陣法仿真，可以進一步優化相關參數。本實施例的優化結果如圖3所示。

除該實施例以外，制備了兩組現有傳感結構作為對比試驗，分別為各層厚度都與實施例相同的金/鈷和金/鐵結構。

測試流程

將制備所得樣品置于BK7玻璃棱鏡上，將波長為650nm的光從樣品背面入射，改變入射角度，對其反射角度譜R進行探測，反射角度譜中最低點所對應的角度θ_SPR被稱為表面等離子體共振角。通過外加正負向磁場所測定的反射角度譜R(±H)，可以定義橫向克爾磁光效應(TMOKE):

TMOKE＝R(+H)-R(-H)

靈敏度則可定義為：