基于金属/磁性氧化物薄膜的表面等离子磁光增强机理及传感器件研究

MOSPR devices are novel micro and nanophotonic devices which has the potential to be used for future chemical/biomedical sensing, and nonreciprocal photonic applications. Nowadays, MOSPR sensing devices are mostly based on magnetic metals. The high optical loss of magnetic metal films limits further improvement of device sensitivities, meanwhile the mechanisms of SPR enhanced MO effects still awaits clarification. In this project, we propose to used low loss magnetic oxides to construct metal/magentic oxide thin film structures. The mechanism of SPR enhanced magneto-optical properties in magnetic oxides will be systematically studied. Novel high sensitivity DMOSPR index sensors will be simulated and fabricated. To clarify the mechanism of SPR enhanced magneto-optical properties in magnetic oxides, we propose to combine density functional theory calculation and finite element simulation methods to build theoretical models both from solid state physics and from electromagnetics points of view. We also propose to simulate and fabricate DMOSPR index sensor structures and to realize low LOD of index sensing.This project will help clarify the mechanism of SPR enhanced magneto-optical properties in oxides, and also develop a new class of high sensitivity DMOSPR index sensors based on metal and mangeto-optical oxide thin films.

磁光表面等离子体共振(MOSPR)器件是能应用于未来化学生物传感和非互易光学领域的新型微纳光学器件。目前用于MOSPR传感器件的磁性金属薄膜，由于其较高的光学损耗，制约了传感器灵敏度的进一步提高，而SPR增强磁光效应的机制也尚待澄清。本项目以低损耗磁性氧化物构建金属/磁性氧化物材料表面等离子共振结构，系统研究SPR对磁性氧化物磁光效应增强机理，提出新型电介质磁光材料表面等离子共振(DMOSPR)传感器件。拟采用第一性原理计算和电磁波有限元仿真相结合的方法, 澄清SPR与磁性氧化物材料相互作用的物理过程，建立SPR增强磁光效应的理论模型；并仿真DMOSPR器件结构,采用PLD等物理气相沉积方法制备DMOSPR传感器,实现高灵敏度折射率传感。本项目的开展将为澄清SPR对磁性氧化物材料磁光增强作用机制，发新型高灵敏度DMOSPR传感器件奠定理论和实验基础。

磁光表面等离激元(MOSPR)器件是有望应用于下一代高灵敏度非标记化学生物传感器件的一类微纳光学器件。相比于传统表面等离激元(SPR)器件，MOSPR器件通过测量磁光克尔光谱，具有更窄的谱线宽度和相近的灵敏度，因此具有更高的器件优值和更低的检测极限(LOD)。然而，目前大多数MOSPR器件均采用光学损耗较高的磁性金属薄膜材料，制约了器件优值和LOD；另一方面，表面等离激元对磁光效应的增强作用机制不清晰，金属和磁性材料界面电子和磁性结构不清楚是制约器件发展的重要基础问题。. 针对上述问题，本研究提出了一种基于低光学损耗介质磁性氧化物薄膜的磁光表面等离激元器件，结合第一性原理计算、有限元仿真和实验制备，研制了一类新型高灵敏度MOSPR器件。本项目首先分析了贵金属和磁性氧化物材料界面的电子和磁性结构，设计了基于贵金属和磁性氧化物薄膜材料的磁光表面等离激元器件；然后在石英，硅等基片上制备了钇铁石榴石(YIG)磁性氧化物薄膜材料，并调控了材料的磁光性能，光学损耗和磁各向异性；进而设计和制备了数种基于YIG薄膜和Au，TiN薄膜的磁光表面等离激元传感器，测试了表面等离激元增强磁光效应，获得了高优值MOSPR器件，并通过微流体芯片实现了非标记化学生物传感；最后理论分析并实验验证了两种新的磁光现象，磁光古斯汉欣位移和磁光自旋霍尔效应，为发展新的器件传感机制提出了新的理论和实验依据。通过上述研究，我们发现贵金属Pt与YIG界面存在磁近邻效应的物理机制，是四面体铁离子与Pt的交换相互作用，解释了这一热点学术争论问题。我们通过调控氧空位浓度，获得了硅基集成的强磁光效应Ce:YIG材料，并实现了垂直各向异性磁光材料制备。我们构建了高优值MOSPR传感器件，在相同测试条件下，器件折射率检测极限为SPR器件的1/16，LOD达到4.13x10-6 RIU，为文献报道的最低值之一。我们测试了Fe,和Ce:YIG薄膜的磁光古斯汉欣位移和磁光自旋霍尔效应，理论计算了表面等离激元对上述效应的增强作用。. 项目研究期间，发表SCI学术论文31篇，申请专利14项，做国际国内学术会议报告23次，其中邀请报告11次，担任MRS Bulletin期刊和Optical Materials Express期刊客座编辑各一次，发表1篇邀请综述。培养博士生1名，硕士生1名。