磁光子晶体薄膜的制备和性能研究

【摘要】1877年,JohnKerr研究放置在磁场中的物质与线偏振光相互作用时,观察到反射光偏振态变化,这个现象被称为磁光克尔效应(MOKE)。基于量子力学,人们发现磁性材料的磁光克尔效应来源于自旋轨道耦合和自旋劈裂共同作用的结果。磁光克尔效应谱反映其电子态结构,已经成为磁性材料和半导体材料电子结构研究的有力工具。基于磁光克尔效应,人们实现了磁光存储技术、设计出各种磁光器件。为了满足磁光存储技术和磁光器件高灵敏的要求,具有大磁光克尔信号的磁光材料一直都是这个领域工作者所追求的目标。论文包括三个部分。第一部分是综述,主要介绍了磁光克尔效应的起源、发展、理论以及改善方法。第二部分是实验装置介绍。第三部分包括两章,是我们的主要工作,利用聚苯乙烯小球(PSS)自组装的方法,结合磁控溅射和电化学沉积,制备了以下两个系列的样品,即铁磁(金属)/PSSs(介质)和贵金属／铁磁阵列anti-dot两个系列的磁光子晶体薄膜样品,并对它们的磁光克尔效应进行了较详细的研究。一、PSSs六角密排结构对磁性薄膜磁光克尔效应的调制。1、Fe/PSSs磁光子晶体薄膜制备和磁光性能研究利用胶体自组装在20nm铁薄膜上制备了具有六角密堆积结构的二维(2D)Fe/PSSs晶体结构,其周期等于小球直径d。磁光和反射光谱呈现出了新的现象。首先,在300-800纳米的波长范围内,相比较于单纯Fe薄膜,磁光信号都得到增强。其次,磁光和反射谱有丰富的峰谷结构,在d/λ固定的位置,峰谷一一对应,因此改变小球尺寸,磁光峰的波长位置随之移动。第三,在d/λ=0.78和1.02的位置,无论是克尔峰还是反射谷都极窄。由磁光效应对于环境光学常数响应灵敏度定义,,其中n(λ)为材料的复折射率,可以知道Fe/PSSs结构对环境光学性质呈现很高的灵敏度,特别在波长等于小球直径位置时有高的灵敏度。利用严格耦合波方程和有限时间差分法对样品的反射谱做了计算,结果表明,在PSSs-Fe薄膜界面上形成了表面等离子体(SPP),在d/λ=0.78,1.02的位置,电磁场在小球内形成导波模式(GM),在磁光谱和反射谱中形成强而窄的峰谷结构。不同的表面模式,引起磁光效应增强的品质因子不同,其中GM模式具有高的品质因子。理论分析可知,磁光效应增强的物理机制在于PSSs-Fe结构体系的有效介电常数大于单纯的Fe薄膜,并且接近于空气的介电常数,这一结论与P.Fumagalli的结论是一致的。2\Fe/PSSs/Au三明治结构磁光子晶体薄膜磁光性能研究。在Fe/PSSs上面磁控溅射10nm金,改善Air/PSSs介电常数差值小的影响。测试结果表面,三明治结构磁光谱的Q值高达0.3(通常磁光薄膜小于0.2),而且有极强的波长响应(半高宽小于10nm),可用于高灵敏磁光器件的制作。理论计算结果表面,Fabry-Perot干涉和表面等离子体是磁光效应增强的来源。3.MgO(substrate)/L10-FePt/PSSs磁光子晶体薄膜制备和磁光性能研究。通过加热生长并原位退火的方法,在单晶MgO(001)衬底上生长L10-FePt垂直各向异性薄膜。利用自组装在其上生长PSSs六角密排结构,在其磁光谱和反射谱上,得到了PSSs/Fe磁光子晶体薄膜相类似的结果。由于薄膜磁性并没有发生改变,说明表面模式对L10-FePt/PSSs体系磁光信号起调制作用,表现为纯光学效应。二、Ag/Coanti-dot阵列性能研究纳米球刻蚀(NSL)是普遍应用的一种方法。在Glass/Cr(20nm)/Ag(200nm)薄膜上,利用PSS自组装制备Ag/PSSs模版,利用三电极法,在间隙沉积Co纳米颗粒,融掉PSS,得到磁性Coanti-dot纳米阵列,分别改变沉积时间和晶格得到两个系列Coanti-dot样品。磁光和光学表征分析可知,体材料的等离子体共振和anti-dot结构共振的共同作用是磁光信号得到调制的原因。在结构共振中,由于孔的占空比和孔深的变化,孔的共振和晶格共振相竞争,在孔深增加时,微腔的引入使得电磁场在体系内重新分布,得到窄而强的磁光信号,磁光具有高的灵敏度,有望用于高灵敏度磁光器件的研制。用振动样品磁强计对样品的磁性表征的结果表明,anti-dot结构相对于单纯的Co薄膜,有很强的面内各向异性,面内各向异性随周期变大而减弱,随孔的深度和直径的变化不大。
【作者】张霞；
【导师】周仕明；
【作者基本信息】复旦大学，凝聚态物理，2013，博士
【关键词】磁光克尔效应；聚苯乙烯；自组装；表面等离子体；导波；纳米球刻蚀；三电极法面内各向异性；

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