Датчик постоянного магнитного поля на основе магнитоплазмонного кристалла
Владельцы патента RU 2725650:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (RU)
Изобретение относится к технике измерений постоянных магнитных полей и может быть использовано для создания на его основе магнитооптических приборов. Технический результат – расширение арсенала датчиков для измерения постоянного магнитного поля на локальных участках. Технический результат достигается в устройстве (магнитоплазмонном кристалле – МПлК), состоящем из одномерной дифракционной решетки с субволновым периодом и, нанесенных на нее тонкого слоя благородного металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, тонкого слоя ферромагнитного металла, и диэлектрического пассивирующего слоя. Данный вид МПлК характеризуется возможностью возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов дифракционным методом, позволяющим усилить магнитооптические эффекты в узком спектральном диапазоне возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к технике измерений постоянных магнитных полей и может быть использовано для создания на его основе магнитооптических приборов. Также способ может быть применен в дефектоскопии проводников и магнитопроводов.
Известно техническое решение по патенту РФ RU2478218 (МПК G 01R33/02, опубл. 27.03.2011 г.) твердотельного датчика магнитного поля. Твердотельный датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения, и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, также датчик содержит алмазную мембрану, а пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент из магнитострикционного материала расположен на поверхности пьезоэлектрика. Магниточувствительный элемент представляет собой проводник с током из токопроводящего магнитострикционного материала (никель), который с помощью контактов подсоединен к источнику переменного тока. Измерение величины магнитного поля определяется по величине механических деформаций в тонкопленочном пьезоэлектрике в результате воздействия двух сил (динамических - за счет изменение линейных размеров пленки никеля и силы Ампера).
Известно техническое решение по заявке на изобретение SU1818602 (МПК G 01R33/032, опубл. 30.05.1993 г.) устройство для определения пространственного распределения магнитного поля. Устройство содержит пленочный датчик магнитного поля, обладающий экваториальным, меридиональным и полярным эффектами Керра, и регистрирующий прибор. Пространственное разрешение устройства определяется из соотношений b=4-5 d, b= 2Is d/Hc, где d - толщина пленки; b - пространственное разрешение пленки; Is - намагниченность насыщения пленки; Hc - коэрцитивная сила
Технический результат, на получение которого направлено изобретение заключается в расширении арсенала датчиков для измерения постоянного магнитного поля на локальных участках.
Технический результат достигается в устройстве (магнитоплазмонном кристалле - МПлК), состоящем из одномерной дифракционной решетки с субволновым периодом и нанесённых на нее тонкого слоя благородного металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, тонкого слоя ферромагнитного металла, и диэлектрического пассивирующего слоя. Данный вид МПлК характеризуется возможностью возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов дифракционным методом, позволяющим усилить магнитооптические эффекты в узком спектральном диапазоне возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов.
Предпочтительно в качестве металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости использовать или золото, или серебро, или платина.
Предпочтительно в качестве ферромагнитного металла использовать или железо, или никель, или пермаллой.
Предпочтительно выполнение слоя ферромагнитного металла с пассивирующим слоем нитрида кремния.
Предпочтительно выполнение одномерной дифракционной решетки с синусоидальной или трапециевидной формой профиля с периодом в диапазоне от 100 нм до 1000 нм и высотой профиля в диапазоне от 5 нм до 150 нм.
Предпочтительно выполнение слоя металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости толщиной в диапазоне от 5 до 300 нм.
Предпочтительно выполнение слоя ферромагнитного металла толщиной в диапазоне от 3 нм до 300 нм.
Изобретение иллюстрируется рисунками.
На фиг.1 показан пример реализации устройства:
а) приведен общий вид устройства при измерении магнитного поля в плоскости сенсора вблизи магнитной сферы, где 1 - источник электромагнитных волн, 2 - возбужденный поверхностный плазмон-поляритон, 3 - детектор электромагнитного излучения, 4 - слой нитрида кремния, 5 - слой ферромагнитного металла, 6 - слой благородного металла, 7 - одномерная дифракционная решетка с субволновым периодом и синусоидальным профилем, 8 - источник внешнего постоянного поля неизвестной напряженности, выполненный в форме сферы, 9 - компонента постоянного магнитного поля рассеяния от магнитной сферы 8 (НDC) сонаправленная внешнему контролируемому переменному полю (НАC) 10. Полукруглый вырез в реальном устройстве отсутствует и сделан на рисунке для иллюстрации полей рассеяния от магнитной сферы 1 в плоскости устройства,
б) - изображение поверхности устройства, полученное с помощью атомно-силового микроскопа, где вставка в виде графика отражает пространственную модуляцию профиля, извлеченную из снимка АСМ,
в) - поперечное изображение МПлК, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, где 11 - одномерная дифракционная решетка с субволновым периодом и синусоидальным профилем, 12 - слой благородного металла, 13 - слой ферромагнитного металла, 14 - слой нитрида кремния.
г) спектральные зависимости коэффициента отражения (R) с дифракционным провалом на кривой 15 и величины экваториального эффекта Керра, , с резонансным усилением на кривой 16.
На фиг.2 показана полевая зависимость магнитооптического отклика от напряженности внешнего переменного поля, измеренная на резонансной длине волны и пересчитанная как отношение сигнала к шуму для МПлК состоящего из одномерной дифракционной решетки из полимера с синусоидальным профилем с периодом 320 нм и высотой 20 нм, покрытой слоем серебра толщиной 100 нм, 100 нм слоем железа и слоем нитрида кремния толщиной 20 нм.
На фиг.3 показаны:
а) пример цикла размагничивания МПлК состоящего из одномерной дифракционной решетки из полимера с синусоидальным профилем с периодом 320 нм и высотой 20 нм, покрытой слоем серебра толщиной 100 нм, 100 нм слоем железа и слоем нитрида кремния толщиной 20 нм. Величина 
посчитанная для частной петли гистерезиса, полученной в ходе размагничивания 1, участок максимального спада сигнала, 
, – 2.
б) полевые зависимости магнитооптического отклика аналогичных МПлК, отличающихся толщиной железного слоя. 3 – для толщины железа 100 нм, 4 - 50 нм, 5 - 20 нм и 6 - 5 нм.
На фиг.4 приведены полевые зависимости 
– 1, 
– 2 и 
– 3, измеренные для МПлК, состоящего из одномерной дифракционной решетки из полимера с синусоидальным профилем с периодом 320 нм и высотой 20 нм, покрытой слоем серебра толщиной 100 нм, 100 нм слоем железа и слоем нитрида кремния толщиной 20 нм.
Изобретение может быть осуществлено в следующем устройстве. На подложке 7, выполненной из полимера в виде одномерной дифракционной решетки с синусоидальным профилем с периодом 320 нм, расположен слой 6 из серебра (Ag) – металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, на который нанесен слой 5 из Fe, являющегося ферромагнитным, защищенный слоем 4 выполненным из нитрида кремния.
Устройство работает следующим образом. На поверхность слоя 5 через прозрачный слой 4 в плоскости перпендикулярной полосам дифракционной решетки 7 (направленным вдоль оси у), под выбранным углом направляют n-поляризованное электромагнитное излучение необходимой длины волны от источника 1 для выполнения условий фазового синхронизма и возбуждения поверхностного плазмон-поляритона 2. Интенсивность отраженного света измеряется с помощью регистрирующего устройства 3.
Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) представляют собой связанные колебания электромагнитного поля и электронного газа металла, распространяющиеся вдоль границы раздела между металлом и диэлектриком. При этом электромагнитное поле волны локализовано вблизи границы между двумя средами c различными знаками диэлектрической проницаемости. Возбуждение ППП позволяет усилить взаимодействие электромагнитного поля падающего оптического излучения и ферромагнитого металла, что приводит к усилению экваториального магнитооптического эффекта Керра, заключающегося в изменении интенсивности отраженного света при воздействии магнитного поля. Возбуждение ППП и усиление экваториального магнитооптического эффекта Керра при использовании МПлК достигается в узком спектральном диапазоне при выполнении условий фазового синхронизма и сильно зависит от диэлектрической проницаемости сред на границе раздела и угла падения света.
Для определения рабочего диапазона измеряемых датчиком постоянных магнитных полей, МПлК размагничивают путем измерения петель гистерезиса в убывающем максимальном внешнем магнитном поле 
, которое прикладывается в направлении расположения полос одномерной дифракционной решетки, где N – номер шага измерения. Т.к. величина 
, то для сравнения магнитных и магнитооптических свойств, из измеренных зависимостей, получают зависимости 
. Результаты измерений приведены на фиг.3. Величина рассчитана как полная ширина на полувысоте первой производной 
и позволяет оценить ширину склона зависимости . На резонансной длине волны полевая зависимость магнитооптического отклика 
совпадает по форме и положению с полевой зависимостью . После измерения 
, рассчитывают первую производную 
, напряженность 
устанавливается так, чтобы соответствовать значению поля в максимуме . Таким образом, переменное поле выставляют приблизительно на середину склона . После этого вносят датчик в измеряемое постоянное поле 
, и, в виду того, что магнитные поля аддитивны, измеряют изменившееся значение 
. Вклад в изменившееся значение магнитооптического отклика вносит только компонента внешнего постоянного магнитного поля сонаправленная приложенному переменному магнитному полю. Результаты измерений полевых зависимостей , , а так же измеренные при использовании МПлК на основе дифракционной решетки с периодом/высотой 320/20 нм покрытой слоями серебра (100 нм), железа (100 нм) и нитрида кремния (20 нм), показаны на фиг.4.
При использовании магнитооптических эффектов можно достичь высоких значений локальности измерений путем фокусировки луча осветителя, получить возможность сканировать определенную область для построения карты распределения компоненты магнитного поля в определенном объеме перемещением оптического пучка по поверхности МПлК. После поворота на 90 градусов устройства в его плоскости (штрихи дифракционной решетки направлены вдоль оси х, а источник магнитного поля при этом остается неподвижным) определяют распределение второй горизонтальной компоненты постоянного поля. При расположении устройства перпендикулярно плоскости первоначального измерения (штрихи дифракционной решетки направлены вдоль оси z, а источник магнитного поля при этом остается неподвижным) определяют третью компоненту магнитного поля.
В заявленном устройстве достигается технический результат в виде расширения арсенала датчиков для измерения постоянных магнитных полей, поскольку техническое решение является новым и неожиданным для специалистов в области физики измерения магнитных полей.
1. Датчик постоянного магнитного поля, состоящий из одномерной дифракционной решетки с субволновым периодом, нанесенного на нее тонкого слоя благородного металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, поверх которого нанесен тонкий слой ферромагнитного металла, выполненных с возможностью наблюдения поверхностного плазмонного резонанса при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов.
2. Датчик постоянного магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости использовано золото, или серебро, или платина.
3. Датчик постоянного магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного металла использовано железо, или никель, или пермаллой.
4. Датчик постоянного магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что слой ферромагнитного металла выполнен с пассивирующим слоем нитрида кремния.
5. Датчик постоянного магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что одномерная дифракционная решетка выполнена с синусоидальной или трапециевидной формой профиля с периодом в диапазоне от 100 нм до 1000 нм и высотой профиля в диапазоне от 5 нм до 150 нм.
6. Датчик постоянного магнитного поля по п.5, отличающийся тем, что одномерная дифракционная решетка выполнена из полимера.
7. Датчик постоянного магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что слой металла с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости выполнен с толщиной в диапазоне от 5 нм до 300 нм.
8. Датчик постоянного магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что слой ферромагнитного металла выполнен с толщиной в диапазоне от 3 нм до 300 нм.
