專利名稱：一種增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬磁光效應(yīng)和生物傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁光克爾效應(yīng)增強(qiáng)型復(fù) 合磁性材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
磁光克爾效應(yīng)除了可以用于磁疇的觀測(cè)和對(duì)磁性薄膜的研究外，還被廣泛應(yīng)用于 磁光盤的數(shù)據(jù)讀取。對(duì)于磁光克爾效應(yīng)此方面的應(yīng)用，工業(yè)上需要一個(gè)相對(duì)較大的磁光克 爾角。對(duì)于特定的材料，磁光克爾效應(yīng)由材料的介電常數(shù)決定。而材料的性質(zhì)不僅和材料 的本征屬性有關(guān)還和材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨著納米技術(shù)的興起，人們可以將特定物質(zhì)制備成 一定的納米結(jié)構(gòu)，從而剪裁物質(zhì)的性質(zhì)。當(dāng)然，將特定的物質(zhì)制備成一定的納米結(jié)構(gòu)時(shí)，物 質(zhì)的磁光效應(yīng)可能會(huì)得到很大的增強(qiáng)。通常可以運(yùn)用金屬材料的等離子共振(包括體等離 子共振、表面等離子體共振)與磁性材料中對(duì)磁光有貢獻(xiàn)的電子躍遷的耦合，來(lái)提高磁性 材料的磁光克爾效應(yīng)。但這種增強(qiáng)只發(fā)生在與物質(zhì)本征屬性相關(guān)的特定的波長(zhǎng)，不可調(diào)控。 尋找一種磁光克爾效應(yīng)顯著增強(qiáng)且增強(qiáng)發(fā)生的波長(zhǎng)在可見光區(qū)域連續(xù)可調(diào)的方法，是一項(xiàng) 十分必要的研究。高的品質(zhì)因子是各類傳感器靈敏度的重要體現(xiàn)。存在于金屬/電介質(zhì)界面的表面 等離子體對(duì)消逝場(chǎng)穿透深度內(nèi)電介質(zhì)的折射率非常敏感。表面等離子體的這一顯著特性被 用于開發(fā)等離子體生物傳感器，這種生物傳感器能用來(lái)探測(cè)和研究催化劑與金屬表面的相 應(yīng)受體的成鍵過(guò)程。目前，幾乎所有商業(yè)上的表面等離子體生物傳感器都是運(yùn)用Au或Ag 連續(xù)膜上激發(fā)的表面等離子體激元。但基于表面等離子體的方法并不能滿足生物技術(shù)對(duì)納 米尺度器件的要求。納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體雖然能滿足納米器件的要求，同時(shí)它具 備譜可調(diào)節(jié)及局域場(chǎng)極大增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)電介質(zhì)折射率的響應(yīng)靈敏度比表面等離子體 低一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，制備具備較高品質(zhì)因子的納米結(jié)構(gòu)器件在生物傳感上將有很大的應(yīng) 用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種磁光克爾效應(yīng)顯著增強(qiáng)且增強(qiáng)發(fā)生的波長(zhǎng)在可見光區(qū) 域連續(xù)可調(diào)的磁性材料及其制備方法，提出具備較高品質(zhì)因子的應(yīng)用在生物信息傳送的納 米結(jié)構(gòu)傳感器件。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料，包括玻璃襯 底、聚苯乙烯小球、金屬層和磁性層；所述玻璃襯底上周期性有序排列著兩維聚苯乙烯小球 晶體，構(gòu)成磁性材料的內(nèi)核；所述聚苯乙烯小球直徑為600 1300nm，呈六角密堆結(jié)構(gòu)排 列，每個(gè)小球與相鄰6個(gè)小球緊密相切連接，同時(shí)每三個(gè)相鄰小球間構(gòu)成一個(gè)三角形空隙； 在所述內(nèi)核表面鍍覆著金屬層Au，所述金屬Au層名義厚度為5 50nm ；在所述金屬層Au 表面鍍覆著磁性層Co，所述磁性Co層名義厚度為5 50nm ；同時(shí)在小球間的三角形空隙處 玻璃上，依次均勻鍍覆著Au和Co的雙層膜。
所述聚苯乙烯小球直徑在700 900nm范圍時(shí)最佳。所述金屬Au層厚度為20nm時(shí)最佳。所述金屬層可以用金屬Ag或者Cu取代Au。所述磁性Co層厚度為10 20nm時(shí)最佳。所述磁性層可以用磁性材料Fe或者Ni 取代Co。一種上述增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的制備方法，其步驟如下步驟1 將玻璃襯底放入清洗劑中，采用超聲波發(fā)生器進(jìn)行清洗；所述清洗劑為無(wú) 水乙醇；步驟2 在大氣環(huán)境中，在清洗潔凈的玻璃襯底上用液面提拉法排列兩維聚苯乙 烯小球晶體，所述聚苯乙烯小球直徑為600 1300nm ；所述大氣環(huán)境的溫度以20 25V為 佳； 步驟3 將排列好的兩維聚苯乙烯小球晶體放入安裝有磁控濺射設(shè)備的樣品生長(zhǎng) 腔，并對(duì)樣品生長(zhǎng)腔抽真空，其真空度為3X 10_5 8X 10_5Pa ；步驟4 在真空的樣品生長(zhǎng)腔中通入氬氣，將氬氣壓力控制在0. 45 0. 55Pa ；步驟5 啟輝所述磁控濺射設(shè)備的Au靶，采用直靶磁控濺射方法，在排有聚苯乙烯 小球晶體的玻璃襯底上生長(zhǎng)金屬Au層，所述Au靶濺射速率為0. 35 0. 45nm/s ；當(dāng)所生成 的金屬Au層厚度達(dá)到5 50nm時(shí)，關(guān)閉Au靶；步驟6 啟輝所述磁控濺射設(shè)備的Co靶，濺射生長(zhǎng)磁性層Co，所述Co靶濺射速率 為0. 15 0. 18nm/s ；當(dāng)所生成的磁性層Co厚度達(dá)到5 50nm時(shí)，關(guān)閉Co靶；步驟7 靜置一小時(shí)后，關(guān)閉氬氣，打開樣品生長(zhǎng)腔，取出制備的復(fù)合磁性材料。一種上述增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的應(yīng)用將所述磁性材料表面覆蓋一層生物試劑， 利用所述磁性材料表面的電介質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，磁光克爾譜被調(diào)制的波長(zhǎng)區(qū)域?qū)l(fā)生移 動(dòng)的特性，實(shí)時(shí)將生物過(guò)程的變化信息傳送至監(jiān)控裝置。本發(fā)明磁光克爾效應(yīng)增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料及其制備方法和應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)① 本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料能顯著增大磁性材料的磁光克爾效應(yīng)，磁光克爾角可增大一個(gè) 數(shù)量級(jí)。②多種磁性材料的磁光克爾效應(yīng)可通過(guò)本發(fā)明制備方法得到顯著提高。③磁光克 爾效應(yīng)較大的材料可應(yīng)用于磁光器件，提高磁光器件的性能；磁光效應(yīng)顯著增強(qiáng)的波長(zhǎng)區(qū) 域可使用不同直徑的聚苯乙一烯小球來(lái)調(diào)節(jié)，聚苯乙烯小球直徑增大，磁光效應(yīng)顯著增強(qiáng) 的波長(zhǎng)區(qū)域紅移；因而本發(fā)明能滿足各種可見光范圍內(nèi)的磁光器件，有廣泛的適用性。④ 磁光譜的峰寬很窄，磁光克爾譜被顯著調(diào)制的波長(zhǎng)區(qū)域隨樣品表面的電介質(zhì)環(huán)境變化而變 化，因而能感應(yīng)外界電介質(zhì)環(huán)境的變化，本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料這一特性可用在生物 傳感器等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的三維原子力顯微鏡圖；圖2是本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的聚苯乙烯小球兩維有序排列掃描電鏡圖；圖3是本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料聚苯乙烯小球上雙層膜示意圖；圖4 是本發(fā)明樣品 Glass/PS (700nm) /Au (20nm) /Co (IOnm)的磁光克爾譜；圖5 是本發(fā)明樣品 Glass/PS (800nm) /Au (20nm) /Co (IOnm)的磁光克爾譜；圖6 是本發(fā)明樣品 Glass/PS (900nm) /Au (20nm) /Co (IOnm)的磁光克爾譜；
圖7是本發(fā)明樣品Glass/PS (800nm)/Au (20nm)/Co (IOnm)表面覆蓋一層油前后在 被顯著調(diào)制的波長(zhǎng)區(qū)域的磁光克爾譜對(duì)比。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料。圖1是本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的三維顯微鏡圖，它由玻璃襯底、聚苯乙烯小 球、金屬層和磁性層構(gòu)成，在玻璃襯底上周期性有序排列著兩維聚苯乙烯小球晶體(如圖2 所示)，小球有序排列的面積約有l(wèi)cmXlcm，構(gòu)成磁性材料的內(nèi)核；所述聚苯乙烯小球直徑 為600 1300nm，呈六角密堆結(jié)構(gòu)排列，每個(gè)小球與相鄰6個(gè)小球緊密相切連接，同時(shí)每三 個(gè)相鄰小球間構(gòu)成一個(gè)三角形空隙；在所述內(nèi)核表面鍍覆著金屬層Au，所述金屬Au層名義 厚度為5 50nm ；在所述金屬層Au表面鍍覆著磁性層Co，所述磁性Co層名義厚度為5 50nm。單個(gè)小球上Au/Co雙層膜的結(jié)構(gòu)如圖3所示在聚苯乙烯PS小球上覆蓋金屬Au層， 在金屬Au層上覆蓋磁性Co層；其中小球頂處的Au/Co膜厚度比小球赤道處Au/Co膜的厚 度大。同時(shí)在小球間的三角形空隙處玻璃上，依次均勻鍍覆著Au和Co的雙層膜。本發(fā)明增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的制備方法是將玻璃襯底放入無(wú)水乙醇中，用超聲 波發(fā)生器進(jìn)行清洗。在大氣環(huán)境中，在清洗好的玻璃襯底上用液面提拉法排列兩維聚苯乙 烯小球晶體，聚苯乙烯小球直徑為600 1300nm。將排好的兩維聚苯乙烯小球晶體放入磁 控濺射設(shè)備的樣品生長(zhǎng)腔，抽真空。等腔的本底真空度降到3X 10_5 8X 10_5Pa時(shí)，通氬 氣。氬氣壓通常維持在0. 45 0. 55Pa。采用直流濺射方式，在排有聚苯乙烯小球的玻璃襯 底上生長(zhǎng)金屬Au (5 50nm)，其濺射速率為0. 35 0. 45nm/s.接著關(guān)掉Au靶，啟輝Co靶， 并濺射生長(zhǎng)磁性層Co (5 50nm)，其中Co的濺射速率為0. 15-0. 18nm/s.靜置一小時(shí)后開 腔，取出樣品并測(cè)量。實(shí)例1 三種不同直徑聚苯乙烯小球復(fù)合磁性材料樣品Glass/PS (700，800， 900nm) /Au (20nm) /Co (IOnm)磁光克爾譜對(duì)比在大氣環(huán)境中，在潔凈的玻璃襯底上用液面提拉法制備聚苯乙烯小球直徑為700， 800,900nm的兩維小球晶體。用計(jì)算機(jī)控制的多功能磁控濺射設(shè)備，在兩維小球晶體上， 采用直靶磁控濺射沉積生長(zhǎng)Au (20nm) /Co (IOnm)雙層膜，用磁光克爾測(cè)量?jī)x測(cè)量磁光克爾 譜,如圖 4 6 所示，樣品 glass/PS700nm/AiK20nm)/Co (IOnm)，glass/PS800nm/AiK20nm)/ Co (IOnm)，glass/PS900nm/Au (20nm) /Co (IOnm)分別在波長(zhǎng)為 375，420，465nm 附近磁光效 應(yīng)得到顯著增強(qiáng)，且有很窄的共振線寬，克爾角從正的極大突變到負(fù)的極大。隨著小球尺寸 的增大，磁光效應(yīng)增強(qiáng)區(qū)域紅移，且和小球尺寸有很好的線性關(guān)系。而我們知道對(duì)于沒(méi)有小 球，直接在玻璃上磁控濺射沉積生長(zhǎng)Au (20nm) /Co (IOnm)的樣品，磁光譜是一條沒(méi)有顯著 結(jié)構(gòu)平緩變化的曲線。實(shí)例2 復(fù)合磁性材料樣品Glass/PS (800nm) /Au (20nm) /Co (IOnm)在表面覆蓋一 層油前后進(jìn)行對(duì)比，觀察其磁光克爾譜被顯著調(diào)制的波長(zhǎng)區(qū)域的變化在空氣環(huán)境中，用磁光克爾測(cè)量?jī)x測(cè)量樣品glass/PS800nm/Au (20nm) /Co (IOnm) 的磁光克爾譜，磁光克爾譜被顯著調(diào)制的區(qū)域如圖7方點(diǎn)線所示。之后在該樣品上覆蓋一 層透明的油，折射率約為1. 3，測(cè)量樣品蓋油后的磁光克爾譜，磁光克爾譜被顯著調(diào)制的區(qū) 域如圖7圓點(diǎn)線所示。對(duì)比可見，當(dāng)樣品表面的電介質(zhì)環(huán)境變化時(shí)，磁光克爾譜顯著調(diào)制的波長(zhǎng)區(qū)域發(fā)生移動(dòng)。因而該樣品的磁光譜能感應(yīng)外界電介質(zhì)環(huán)境的變化，這一特性可用在 生物傳感器等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料，包括玻璃襯底、聚苯乙烯小球，金屬層和磁性層，其特征 在于所述玻璃襯底上周期性有序排列著兩維聚苯乙烯小球晶體，構(gòu)成磁性材料的內(nèi)核； 所述聚苯乙烯小球直徑為600 1300nm，呈六角密堆結(jié)構(gòu)排列，每個(gè)小球與相鄰6個(gè)小球 緊密相切連接，同時(shí)每三個(gè)相鄰小球間構(gòu)成一個(gè)三角形空隙；在所述內(nèi)核表面鍍覆著金屬 層Au，所述金屬Au層名義厚度為5 50nm ；在所述金屬層Au表面鍍覆著磁性層Co，所述 磁性Co層名義厚度為5 50nm ；同時(shí)在小球間的三角形空隙處玻璃上，依次均勻鍍覆著Au 和Co的雙層膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合磁性材料，其特征在于所述聚苯乙烯小球直徑在 700 900nm范圍時(shí)最佳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合磁性材料，其特征在于所述金屬Au層厚度為20nm時(shí)最佳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的復(fù)合磁性材料，其特征在于所述金屬層可以用金屬Ag 或者Cu取代Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合磁性材料，其特征在于所述磁性Co層厚度為10 20nm 時(shí)最佳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料，其特征在于所述磁性層可以用 磁性材料Fe或者Ni取代Co。
7.—種權(quán)利要求1至6所述增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的制備方法，其步驟如下 步驟1 將玻璃襯底放入清洗劑中，采用超聲波發(fā)生器進(jìn)行清洗；步驟2 在大氣環(huán)境中，在清洗潔凈的玻璃襯底上用液面提拉法排列兩維聚苯乙烯小 球晶體，所述聚苯乙烯小球直徑為600 1300nm ；步驟3 將排列好的兩維聚苯乙烯小球晶體放入安裝有磁控濺射設(shè)備的樣品生長(zhǎng)腔， 并對(duì)樣品生長(zhǎng)腔抽真空，其真空度為3X 10_5 8X 10_5Pa ；步驟4 在真空的樣品生長(zhǎng)腔中通入氬氣，將氬氣壓力控制在0. 45 0. 55Pa ； 步驟5 啟輝所述磁控濺射設(shè)備的Au靶，采用直靶磁控濺射方法，在排有聚苯乙烯小球 晶體的玻璃襯底上生長(zhǎng)金屬Au層，所述Au靶濺射速率為0. 35 0. 45nm/s ；當(dāng)所生成的金 屬Au層厚度達(dá)到5 50nm時(shí)，關(guān)閉Au靶；步驟6 啟輝所述磁控濺射設(shè)備的Co靶，濺射生長(zhǎng)磁性層Co，所述Co靶濺射速率為 0. 15 0. 18nm/s ；當(dāng)所生成的磁性層Co厚度達(dá)到5 50nm時(shí)，關(guān)閉Co靶；步驟7 靜置一小時(shí)后，關(guān)閉氬氣，打開樣品生長(zhǎng)腔，取出制備的復(fù)合磁性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合磁性材料制備方法，其特征在于在步驟2中，規(guī)則排列 聚苯乙烯小球晶體時(shí)，所述大氣環(huán)境的溫度以20 25°C為佳。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合磁性材料制備方法，其特征在于步驟1中所述的清洗 劑為無(wú)水乙醇。
10.一種權(quán)利要求1至6所述增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的應(yīng)用，其特征在于將所述復(fù)合磁 性材料表面覆蓋一層生物試劑，利用所述復(fù)合磁性材料表面的電介質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，磁 光克爾譜被調(diào)制的波長(zhǎng)區(qū)域?qū)l(fā)生移動(dòng)的特性，實(shí)時(shí)將生物過(guò)程的變化信息傳送至監(jiān)控裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁光克爾效應(yīng)增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料及其制備方法和應(yīng)用。該增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料能顯著提高磁性材料的磁光克爾效應(yīng)，其磁光譜不但有很窄的共振線寬，而且對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。其制備方法首先在玻璃襯底上自組織生長(zhǎng)二維有序的聚苯乙烯小球陣列，然后在小球上用磁控濺射沉積Au/Co薄膜，可以得到兩維光子晶體/磁性金屬體系，最后測(cè)量極向磁光克爾譜。入射光在周期性結(jié)構(gòu)中的高階衍射導(dǎo)致磁光效應(yīng)增強(qiáng)高達(dá)一個(gè)量級(jí)，峰寬幾個(gè)納米，通過(guò)使用不同尺寸的小球，可以移動(dòng)磁光效應(yīng)增強(qiáng)的波長(zhǎng)區(qū)域。該增強(qiáng)型復(fù)合磁性材料的磁光譜能感應(yīng)外界電介質(zhì)環(huán)境的變化，這一特性可用在生物傳感器等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01F10/10GK102122559SQ20101002264
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者何攀, 周仕明, 張霞, 李晶, 石磊, 魏慎金 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)