磁纳米有序结构中的表面等离激元与磁光效应

【摘要】自1845年M.Faraday发现磁光Faraday效应以来已有169年,期间人们又发现了各种磁与光相互作用的现象,如Kerr效应、Zeeman效应、光磁效应等,而且关于磁光效应的应用也越来越多,比如磁光显微镜、光纤隔断器等。最近几十年来,由于光学的一门分支等离激元学的发展,以及纳米制备技术的进步,磁光学与等离激元学相互交融,逐渐发展出一门新兴的,以研究材料中磁性与等离激元性质相互作用为主要方向的交叉学科,即磁等离激元学。同样在器件应用上,传统的等离器件与磁性物理相结合,也产生了新型的磁等离激元器件。在本论文中,我们制备了正方周期性结构的金属Co膜,包括反点阵列、双层阵列两种情况,研究了它们在可见光范围内的光学和磁光响应,以及它们的磁学性质,发现了结构与磁性带来的不对称性与各向异性。另外,为了上述研究的开展,我们设计并组建了一套磁光Kerr效应测量系统,用以研究磁等离激元晶体中的磁光Kerr效应。本论文的研究工作包括以下三个方面的内容。1.磁光Kerr效应测量系统的实现主要包括三个部分：设计计算、硬件组建、软件实现。在设计计算方面,我们按对反射光分光,并分别进行能量测量的思路对磁光Kerr效应测量系统进行了优化计算。主要优化了以下两点：(1)把分光镜放在反射光路上,这样就完全撇开样品在不同磁场下反射率不同产生的影响,使得计算结果更加精确。(2)在计算中保留了正弦余弦计算,而不是把正弦余弦进行小角近似,这样就可以使检偏棱镜的起始偏角放到一个比较大的位置,可以测量比较大的Kerr角。在硬件组建方面,我们把高精度电源、电磁铁、激光器、光学参量振荡器、探头、能量计、计算机以及一套光学器件有机地结合在一起,组建了我们的磁光Kerr效应测量系统。整个测量系统主要包括磁场、激光光源、能量探测以及计算机等几大部分。在软件设计方法,我们利用VC编程工具自行设计并编程实现了控制软件,即MOKESOFT软件,它可以同时远程控制电源、光学参量振荡器、能量计,可以自动扫描磁场或波长得到磁光Kerr角回线与谱线。2.Co反点阵列的光学、磁光与磁学性质结合干涉光刻和磁控溅射方法我们制备了金属Co的反点阵列。我们利用Lloyd镜的方法,选择325nm的紫外线,在特定的入射角对负型光刻胶进行相互垂直位置的两次曝光,显影之后,得到了光刻胶的正方有序反点阵列,阵列周期412nm,孔径175nm。然后利用磁控溅射在其上面镀了一层60nm的Co,这样就在样品上层形成了与光刻胶周期孔径一致的Co反点阵列。利用椭偏仪测量了Co反点阵列的p光反射率,发现在不同的入射角与方位角时,它的反射率在两个位置出现了反射极小值。并且随着方位角的变化,反射率出现了各向异性。为了解释这些现象,我们结合传播表面等离激元(SPP)的色散关系与SPP在二维正方周期结构中的波矢匹配关系,计算了Co反点阵列中各级次SPP激发对应的波长与入射角及方位角的关系,发现反射率上的两个极小值对应着不同级次的SPP的激发,也即说明SPP的激发引起了反射率的减低,我们也详细分析了不同方位角处两个极小值具体对应的SPP级次。我们也利用COMSOL软件的模拟计算证明了SPP的激发。金属Co是常见的磁性材料,我们利用磁光Kerr效应测量系统对Co反点阵列进行了Kerr角回线与谱线测量。分析Kerr角谱线可以发现,不同方位角的的Kerr角谱也出现了各向异性,这也是由不同级次的SPP引起的。而且在入射波长525nm、方位角在450处,Kerr角出现了最大值,约为纯Co膜的三倍。另外我们考察了525nm处各方位角的磁光Kerr回线以及我们用VSM测量的M-H磁滞回线,发现它们的矫顽力与剩磁(包括剩余磁化强度与“剩余磁光Kerr角”)随着方位角也出现了变化,我们用孔壁对磁畴的钉扎作用解释了磁光Kerr回线与磁滞回线中的各向异性的来源。3.Co双层阵列的光学与磁光性质采用442nm的蓝紫光对正型光刻胶进行了相互垂直位的两次曝光,显影后形成了周期400nm、高102nnm、点直径285nm的二维正方点阵列。为了研究不同的高度对样品性质的影响,我们把样品分成等同的四份,然后用反应等离子刻蚀系统对其中的三份进行不同时间的刻蚀,得到了高度不同的四份样品。再利用磁控溅射沉积了30nm的Co,形成了Co的双层二维有序正方阵列：上层点阵列与下层反点阵列。我们测量了样品的反射率谱与磁光Kerr角谱,分析反射率数据发现高度、方位角、入射角都对反射率谱有影响。与Co反点阵列相比,我们认为主要的原因是不同次级的SPP的激发,同时LSP的激发也起了一定的作用。对于样品的磁光Kerr角谱,我们发现它不但存在各向异性,而且存在不对称性：关于对称轴(0°,45°)对称的两方位角产生的Kerr角不尽相同,我们认为这是由于在磁场中,电子振荡相对磁场运动不一致所致。
【作者】夏文斌；
【导师】唐少龙；
【作者基本信息】南京大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】磁光效应；阵列结构；表面等离激元；光刻胶；光学参量振荡器；波矢匹配；磁控溅射；角谱；检偏器；软件设计方法；

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