磁等离激元复合纳米结构的磁光效应研究

Magnetoplasmonic nanostructures, which supporting both ferromagnetic materials and surface plasmons (SP), become one of the most important topics in the research of nanomagnetic materials in recent years, and it has been made great progresses in various fields such as plasmonic enhanced magnetio-optical (MO) effects, magnetic field controlled SP propagation. Our project will focus on combining the interference lithography (IL) technology with magnetron sputtering or electrochemical deposition methods, to prepare hybrid nanostructures including ferromagnetic film/periodic metal nanodisks array or ferromagnetic film/ periodic (electrolyte/metal) nanodisks array. The investigations on the samples are mainly about the effects of the material, the geometry (shape, size, spacing, height) of the periodic nanodisks and the incidence direction, acting on the propagation of surface plasmon polariton (SPP) and the excitation of localized surface plasmon (LSP), for effectively manipulating the resonant frequency of SPP and LSP. Furthermore, we will study that how LSP, SPP and the coupling between them affect the strength MO response and the direction of Kerr rotation, by both practical experiments and theoretical simulations. It is remarkable that the study of these influence rules will open up a feasible way to manipulate MO effects by hybrid magnetoplasmonic nanostructures, and will also provide theoretical and experimental basis for developing new kinds of MO nanostructured function materials and high sensitive MO sensors.

磁等离激元纳米结构将磁性材料和表面等离激元结合起来，在表面等离激元引起的磁光效应增强和磁场对表面等离激元传播的调控方面都取得了许多重要的进展，是近年来磁性纳米材料领域研究的热点。本项目将结合干涉光刻技术和磁控溅射或电化学沉积方法制备铁磁薄膜/金属纳米盘周期性阵列或铁磁薄膜/(电介质/金属周期性纳米盘阵列)复合结构。研究铁磁薄膜上周期性结构纳米盘的材质、形状、尺寸、间距、高度以及入射光的入射方向等对传导表面等离激元（SPP）和局域表面等离激元(LSP)激发的影响，实现对SPP和LSP共振频率的有效调控。结合实验和理论模拟研究LSP、SPP和两者耦合对磁光克尔效应以及克尔旋转方向的影响，掌握其影响规律，实现磁等离激元复合纳米结构对磁光效应和磁性的人工调控，为发展新型磁光效应纳米结构功能材料和高灵敏度磁传感器提供实验和理论依据。

表面等离激元是一种金属和介质材料界面上的电子集体振荡。近年来表面等离激元派生出众多的交叉学科和应用。把表面等离激元引入到磁光学中而衍生出的磁等离激元学就是其中的一个研究热点。把铁磁性和等离激元结合起来，利用其中局域等离激元和传播等离激元的激发和耦合来影响材料内部电子运动行为可以产生一系列新奇的磁光现象。项目在以往技术积累的基础上，通过激光干涉光刻技术制备了大面积（直径大于5厘米）有序的铁磁金属周期性纳米结构阵列，包括纳米盘、纳米孔、纳米条阵列。对有序铁磁金属纳米结构阵列中传导表面等离激元（SPP）和局域表面等离激元(LSP)的激发，以及LSP、SPP和两者耦合对磁光克尔效应和克尔角相位的影响进行了系统研究。结合干涉光刻和电化学沉积的方法，在钴薄膜上制备了有序的二维镍纳米盘阵列。利用铁磁金属纳米盘宽化的LSP共振与二维点阵结构激发的窄带SPP共振的耦合形成了Fano共振，既实现了在纯铁磁金属等离激元结构中的磁光效应增强，同时也实现了对磁光信号相位的影响。结合干涉光刻与磁控溅射方法制备了大面积的正方周期二维钴反点阵列，研究发现该铁磁反点阵列的反射谱和磁光克尔谱沿阵列的不同方向测试表现出明显的各向异性，研究证实了这种各向异性源于样品的结构对称性。在HfO2/Co/HfO2/Ag一维周期性起伏的磁纳米结构中，发现了反射谱和克尔谱可通过薄膜起伏的高度进行调制。起伏高度较高时，可出现SPP与LSP共激发，克尔效应得到增强，而且克尔谱发生翻转。项目同时采用时域有限差分方法研究了周期性纳米结构的磁光效应，理论模拟计算揭示了通过优化结构参数，可同时获得大的磁光效应和强的透光率。以上研究成果对发展大面积磁纳米结构的构筑技术以及新型磁光纳米结构功能材料和高灵敏传感器都具有重要意义。