Разработка сенсора для детектирования постоянных и переменных магнитных полей на основе магнитоплазмонного кристалла (промежуточный, этап 1)

Цель проекта заключалась в подборе параметров дифракционных решеток и толщин функциональных слоев одномерных магнитоплазмонных кристаллов для достижения оптимальных магнитных, оптических и магнитооптических свойств, влияющих на свойства датчика магнитного поля, разрабатываемого на основе магнитоплазмонных кристаллов. Объектом исследования выступили одномерные магнитоплазмонные кристаллы с общим составом Ag/Ni80Fe20/Si3N4, основанные на дифракционных решетках с разным периодом и высотой дорожек, а также обладающие разной толщиной магнитного слоя. В отчете представлены результаты экспериментальных работ по изготовлению двух серий одномерных магнитоплазмонных кристаллов, а также исследованию их морфологических, структурных, оптических магнитных и магнитооптических свойств. Отчет содержит результаты моделирования оптических и магнитооптических свойств исследованных магнитоплазмонных кристаллов. Методология работы заключалась в моделировании оптических и магнитооптических свойств магнитоплазмонных кристаллов, их изготовлении и дальнейшем экспериментальном исследовании их морфологических, структурных, оптических, магнитных, и магнитооптических параметров. Спектральные зависимости оптических и магнитооптических свойств серий магнитоплазмонных кристаллов были смоделированы методом конечных разностей во временной области в программном пакете ANSYS Lumerical. Образцы одномерных магнитоплазмонных кристаллов с параметрами, соответствующими использованным в моделях, и контрольные образцы с тем же составом на основе плоских кремниевых подложек были изготовлены с использованием установки электронно-лучевой литографии TESCAN DrawBeam Advanced и магнетронного распыления материалов Orion-8 AJA. Затем, структурные и морфологические параметры образцов магнитоплазмонных кристаллов и контрольных образцов на основе кремниевых подложек были исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL 2100F UHR, рентгеновского дифрактометра Bruker DaVinci2, и атомно-силового микроскопа ICON NTEGRA. Магнитные свойства изготовленных образцов были исследованы с использованием Керр-микроскопа Evico Magnetics и вибрационного магнетометра Lake Shore 7400i. Для экспериментального исследования оптических и магнитооптических свойств магнитоплазмонных кристаллов и контрольных образцов на основе кремниевых подложек была собрана установка для спектроскопии коэффициента отражения в p-поляризованном свете. Установка состояла из галогенной лампы, монохроматора MS3500i фирмы Sol Instruments, системы фокусировки и коллимации оптического излучения, дихроичного плёночного поляризатора для получения p - поляризованного излучения, лавинного фотодиода APD130A2 фирмы Thorlabs, оптомеханического модулятора, системы катушек Гельмгольца и синхронного усилителя SR830 фирмы Stanford Research Systems. По результатам проведенных работ, высота дорожек и период решетки магнитоплазмонных кристаллов, необходимые для достижения оптимальных оптических и магнитооптических свойств, составили 320 нм и 90-100 нм, соответственно. Оптимальная толщина ферромагнитного слоя пермаллоя составила 20 нм. Полученные результаты позволяют провести параллели между оптическими, магнитооптическими, магнитными и структурными параметрами изготавливаемых магнитоплазмонных кристаллов, а их уровень и новизна не уступает работам, проводимым в иностранных научно образовательных организациях. В частности, по результатам проведённой работы впервые было показано, что изготавливаемые образцы могут обладать состоянием вращающейся магнитной анизотропией, а также прямая зависимость между усилением экваториального эффекта Керра, вызванным возбуждением поверхностного плазмонного резонанса, и эффективностью дифракции магнитоплазмонных кристаллов. Полученные результаты и разработанная методика изготовления наноструктур будут использованы в ходе второго этапа проекта для изготовления новой серии образов с оптимальными параметрами, на основе которых будет разработан датчик постоянных и переменных магнитных полей. Кроме того, полуденные экспериментальные и теоретические данные могут быть использованы другими научными группами для исследования оптических и магнитооптических свойств магнитоплазмонных кристаллов.