[发明专利]一种纳米颗粒复合磁光薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种纳米颗粒复合磁光薄膜及其制备方法与应用，属于磁光薄膜制备和传感应用技术领域。采用磁控溅射方法在硅片上制备CoFeB/W薄膜作为基底，在薄膜上旋涂沉积金铂纳米颗粒层或者沉积金纳米颗粒层与覆盖层钨层。该方法通过将具有表面等离子体效应的金和具有高自旋轨道耦合效应的铂、钨结合，利用两种效应的协同作用，实现了CoFeB薄膜的纵向磁光克尔效应的增强。其作为敏感原件在生物分子传感器、病毒、细菌、生物功能分子及生物武器探测中具有较大的应用空间。

技术领域

本发明属于磁光薄膜制备技术领域，特别涉及一种纳米颗粒复合磁光薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

具有大磁光系数的材料是磁光信号隔离器、磁光调制器、磁光存储记录、磁光效应开关、生物有机分子浓度标定以及弱磁检测所青睐的材料，比如过渡金属硫化物，稀土-过渡金属合金膜，掺杂稀土石榴石等等。但是仅仅通过调控单一材料的这种手段已很难实现磁光系数的大幅增大。磁光克尔效应的本质是电磁波(光)和物质内部电子之间的自旋轨道耦合相互作用。据此，我们可以通过构筑微纳结构来改变材料的形貌，使光和物质的相互作用增强，从而获得磁光性能的提升。近年来，微纳米加工技术得到了巨大的发展，通过在材料中人工构筑微纳米结构使得磁光效应的研究突飞猛进。

金属纳米颗粒在可见光区表现出的很强的宽带光吸收特征，是由于金属表面的自由电子在电磁场的驱动下，在颗粒表面发生集体振荡，产生了该波长范围内的局域表面等离激元或者叫颗粒等离激元。伴随局域表面等离激元的激发，可以在颗粒表面数十纳米区域产生极大的电场增强，这种强烈的限制可以显著地提高该区域的许多非线性光学过程的效率。比如利用金属纳米材料的表面增强拉曼散射实现单分子信号的检测。据此可通过将局域表面等离激元引入到磁光薄膜中提高光与电磁场的相互作用，使得磁光效应的研究获得新的生命力。局域表面等离激元增强磁光效应已在多个前人的工作中得以验证，例如Ni纳米线，纯铁磁(Fe、Co)纳米颗粒，铁磁金属-贵金属复合核壳纳米颗粒等。近些年也逐渐发展起来了将表面等离激元和磁光效应两者的性质结合起来的磁等离激元学。

微观量子理论认为光的电场与电子自旋通过自旋轨道耦合相互作用是磁光效应的本质所在。自旋轨道耦合效应是指电子的自旋自由度和它的轨道自由度之间的相互作用。电子移动经过原子核的电场时，会产生电磁作用，电子的自旋与该电磁场作用耦合，形成了自旋-轨道的强关联作用。5d过渡金属重元素(如Pt,W,Ta,Hf等)具有很强的自旋轨道耦合效应。由于磁晶各向异性与自旋轨道耦合内在相关，当二维磁体与重元素接触时，自旋轨道耦合邻近性发挥作用。例如，通过接触WS₂，石墨烯的自旋-轨道耦合强度提高了3个数量级。同时，在磁光薄膜中引入具有巨自旋轨道耦合效应的金属后，磁性层与重金属在界面处会产生较强的3d和5d轨道杂化，这可增强磁性层的自旋轨道相互作用，从而增强薄膜的磁光克尔效应。

然而将局域表面等离激元和自旋轨道耦合作用结合利用双模共振探究其对增强磁光克尔效应的研究较少。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种纳米颗粒复合磁光薄膜及其制备方法和应用，利用表面等离子体共振和自旋轨道耦合协同作用增强CoFeB薄膜的纵向磁光克尔信号。

本发明采用以下技术方案：

第一方面，一种纳米颗粒复合磁光薄膜，所述纳米颗粒复合磁光薄膜以Si为基底，依次复合钨层、磁性层CoFeB、金纳米颗粒层或金铂合金纳米颗粒层制备得到。

进一步，所述磁性层CoFeB膜的厚度为50-100nm，所述钨层的厚度为2-5nm。

进一步，所述纳米颗粒复合磁光薄膜以Si为基底，依次复合钨层、磁性层CoFeB、金纳米颗粒层、钨层，得到纳米颗粒复合磁光薄膜W/AuNPs/CoFeB/W/Si，所述金纳米颗粒的直径为1-200nm，每1cm²面积磁性层基底CoFeB/W/Si上具有金纳米颗粒0.005～0.025mg，所述最外层的钨层厚度为2-5nm。