Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Данный проект направлен на разработку методики измерения двух компонентов внешнего магнитного поля при помощи двумерного магнитоплазмонного кристалла, для одновременного детектирования резонансно усиленных за счет возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов магнитооптического эффекта Керра в геометрии скрещенных оптических пучков. В ходе выполнения первого этапа проекта путем проведения аналитических расчетов были определены диапазоны геометрических параметров двумерных дифракционных решеток представляющих собой массив квадратных колонн и которые будут использованы в качестве основы для создания магнитоплазмонных кристаллов. Путем моделирования спектральных зависимостей коэффициента отражения магнитоплазмонных кристаллов с оптимальными параметрами методом конечных разностей во временной области (FDTD) в программном пакете Ansys Lumerical FDTD были определены оптимальные величины периода и высоты отдельных колонн, формирующих двумерную дифракционную решетку. С помощью электронно-лучевой литографии и магнетронного распыления были созданы две серии МПлК. Первая серия состояла из трех магнитоплазмонных кристаллов, которые были изготовлены путем покрытия подложек, созданных при экспонировании электронрезиста с фиксированным током пучка 14 нА и дозами экспонированных 400, 500 и 600 мкКл/см2 слоями серебра, пермаллоя и нитрида кремния с толщинами в 50, 150 и 20 нм. Морфология поверхности созданных образцов была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа, было показано, что параметры образцов соответствуют заявленным. Магнитные свойства образцов из первой серии были исследованы методом магнитно-силовой микроскопии, что выявило, что магнитная микроструктура соседних колонн связана: часть соседних колонн намагничены в плоскости структуры, что говорит о наличии дипольного или обменного взаимодействия между ними. Спектральные зависимости коэффициента отражения, экваториального и меридионального магнитооптических эффектов Керра были измерены в диапазоне длин волн от 500 до 850 нм при 70° падения p-поляризованного света методом частотно-угловой спектроскопии коэффициента отражения. По результатам исследования оптических и магнитооптических свойств выявлены монотонные зависимости величин, характеризующих дифракционную добротность и максимальную модуляцию магнитооптического отклика переменным магнитным полем в узкой спектральной области. Для определения оптимальных параметров магнитоплазмонных кристаллов была создана и исследована вторая серия образцов. Протокол изготовления второй серии образцов не отличался от предыдущей, но был расширен диапазон доз экспонирования при создании двумерных дифракционных решеток. Экспонирование подложек было проведено в диапазоне доз от 200 до 600 мкКл/см2 с шагом 50 мкКл/см2. Изготовленные дифракционные решетки были покрыты слоями серебра, пермаллоя и нитрида кремния с толщинами в 50, 150 и 20 нм, соответственно. На основании характеризации второй серии образцов методами сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии было показано, что магнитоплазмонные кристаллы второй серии можно разделить на две категории: (i) для доз экспонирования в диапазоне от 200 до 350 мкКл/см2 колонны почти соединены, а промежутки между отдельными элементами настолько малы, что неразличимы и (ii) для доз экспонирования от 350 до 600 мкКл/см2 с более выраженными размерами зазоров. Локальные магнитные свойства изготовленных образцов были исследованы методом Керр-магнитометрии. Показано, что при дозах экспонирования до 350 мкКл/см2 образцы преимущественно перемагничиваются поворотом магнитных моментов. С увеличением дозы с от 400 до 600 мкКл/см2 динамика перемагничивания определяется обменным и магнитостатическим взаимодействием между магнитными фазами в образце, появляется ступенька в зависимости магнитного момента от поля, перемагничивание характеризуется двумя полями переключения. Спектральные зависимости коэффициента отражения, и экваториального эффектов Керра были исследованы методами частотно-угловой спектроскопии коэффициента отражения. По проведенным исследованиям определены формы зависимостей дифракционной добротности и величины максимальной модуляции магнитооптического отклика переменным магнитным полем в узкой спектральной области от дозы экспонирования МПлК. Был определен узкий диапазон доз, в котором достигаются оптимальные оптические и магнитооптические свойства. Были исследованы полевые зависимости магнитооптических эффектов в ортогональных направлениях МПлК. Продемонстрировано, что полученные формы полевых зависимостей магнитооптического отклика в геометрии экваториального эффекта Керра можно использовать как калибровочные кривые для измерения величины и направления внешнего магнитного поля, приложенного в плоскости двумерного магнитоплазмонного кристалла В программном пакете COMSOL Multiphysics было проведено моделирование магнитных полей рассеяния, создаваемых пьезоэлектрическим эластомером с наночастицами железа и плоской планарной катушкой. Продемонстрировано, что данные объекты могут выступить источниками неоднородного магнитного поля, а запаса по величине напряженности генерируемого данными объектами магнитного поля будет достаточно для его последующего детектирования и картирования датчиком магнитного поля.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Были изготовлены две серии двумерных магнитоплазмонных кристаллов, представляющие собой массивы колонн с квадратным или трапецеидальным сечением, со значениями вертикального и горизонтального периодов равными 600±10 нм, общим размером 500х500 мкм, покрытых слоями серебра с толщиной 50 нм, пермаллоя Ni_80Fe_20 толщиной 150 нм и нитрида кремния толщиной 20 нм. Характеризация структур методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии показала, что высота колонн и период всех изготовленных образцов сохранялся вне зависимости от выбранной на этапе изготовления дозы экспонирования электронорезиста. С помощью фокусированного ионного пучка и сканирующего электронного микроскопа были получены поперечные изображения, позволившие установить форму колонн и оценить равномерность распределения осажденных на их поверхность материалов. На основе полученных данных, была доработана модель расчета спектральных зависимостей коэффициента отражения и экваториального эффекта Керра в программном пакете ANSYS Lumerical. Также для двумерных магнитоплазмонных кристаллов была построена модель расчета полевых зависимостей магнитооптического отклика. Магнитные свойства изготовленных образцов были исследованы методом Керр-магнитометрии. Петли гистерезиса, измеренные вдоль векторов дифракционных решеток (0° и 90°) для всех образцов, отличаются несущественно, что подтверждает отсутствие значимых структурных отличий в форме и расстоянии между колоннами. В то же время измерения вдоль направления 45° для всех образцов имеют значительные различия в процессах перемагничивания МПлК относительно направления 0°, что обусловлено различиями расстояний между колоннами при уменьшении значения К. В зависимости от дозы экспонирования, с которой были изготовлены магнитоплазмонные кристаллы, менялись расстояния между соседними колоннами вдоль векторов дифракционных решеток и вдоль диагонального направления, что определяло величину коэрцитивной силы и полей переключения. Образование магнитных фаз в двумерном магнитоплазмонном кристалле обусловлено магнитостатическим взаимодействием между магнитным материалом, нанесенным на различные области профиля, что косвенно подтверждается результатами исследований, проведенных методами магнитно-силовой микроскопии. Коэффициент отражения и величина экваториального эффекта Керра магнитоплазмонных кристаллов были измерены методом частотно-угловой спектроскопии в диапазоне длин волн от 550 до 950 нм при фиксированном угле падения в 65 градусов для обеспечения возможности наблюдения одновременного возбуждения коллинеарных и неколлинеарных поверхностных плазмон-поляритонов. По итогам проведенных измерений был определен двумерный магнитоплазмонный кристалл с оптимальными свойствами для использования в качестве чувствительного элемента датчика магнитного поля. На основе оптимального образца была собрана установка для детектирования магнитных полей в геометрии скрещенных оптических пучков. С помощью данной установки были определены значения чувствительности, предела детектирования и величины необходимого модулирующего поля предложенного метода измерения магнитных полей. Чувствительность метода составила 0.67 мкВ/Э, а диапазон измеряемых магнитных полей составил 61 Э. Также было проведено картирование магнитных полей рассеяния от постоянного магнита. Верификация карт магнитных полей рассеяния путем сравнения с данными, полученными при помощи коммерческого датчика Холла. показала как качественное, так и количественное совпадение карт магнитных полей рассеяния, полученных разными методами. Таким образом было показано, что разработанный метод детектирования двух компонент магнитного поля на основе двумерного магнитоплазмонного кристалла может быть использован для картирования магнитных полей.