一种人工反铁磁颗粒的制备工艺

本发明属于自旋电子学和生物，具体涉及一种人工反铁磁颗粒的制备工艺。

背景技术：

1、中尺度磁性颗粒(从几纳米到几微米)是临床诊断和治疗中最常用的材料之一。由于其独特的物理性质以及在细胞和分子水平上与生物实体相互作用的能力，它们已被积极研究用于生物分子的标记和操纵，药物的传递和释放，细胞的操纵和机械破坏，磁共振成像以及热疗。这些应用领域需要理想的单分散实体的水悬浮液，在饱和时具有高磁矩，零剩磁，低磁场磁化率，能够快速翻转到磁饱和，并能够改变尺寸大小和总磁矩。饱和时的高磁矩(ms= msv，其中ms为饱和磁化强度，v为粒子体积)是外部磁场有效操纵磁性粒子所必需的。为了防止颗粒团聚，需要零剩磁和低场磁化率，更有效地进入饱和状态，需要迅速翻转到磁饱和，外磁场下有效的传导力矩，需要高的磁各向异性。

2、当铁磁颗粒的尺寸减小到临界半径(取决于磁性材料的性质)时，磁单畴态(即处于均匀磁化状态的粒子)在能量上更有利。进一步减小尺寸可能导致超顺磁状态，磁颗粒表现出热不稳定性，其特点是磁化强度在反平行磁易轴方向波动，这与能量势垒δea有关。超顺磁颗粒在生物医学上的潜在应用而引起了广泛的关注，但生产大量具有可控和均匀大小、形状的磁性颗粒仍然是一个挑战。此外，由于颗粒尺寸小，颗粒的ms值较小，需要高磁场才能操纵颗粒。通过增加颗粒尺寸大小来增强磁矩可能会导致颗粒退出超顺磁状态并最终聚集，就像铁磁性粒子相互作用的系统一样。

3、人工反铁磁(saf)薄膜，磁性层/非磁性层/磁性层，由两个铁磁层组成，由非磁性过渡金属(即ru, cr, ir)的薄间隔层隔开。通过选择合适的间隔层厚度，两个铁磁层之间为反铁磁层间交换耦合，从而产生人工反铁磁(图1)。人工反铁磁(saf)薄膜，满足生物医学应用的多项关键标准，具有显著的磁性控制和可调性。具有垂直磁各向异性(pma)的人工反铁磁pt/co/ru/co/pt单元，具有大磁各向异性 (～ 0.5 mj·m-3)以及零剩磁和磁矩ms可调性，是化学方法制备的磁颗粒中无法实现的独特组合。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中阐述的颗粒在饱和时具有高磁矩，零剩磁，低磁场磁化率，能够快速翻转到磁饱和，并能够改变尺寸大小和总磁矩的问题。本发明提供了一种制备具有垂直磁各向异性、零剩磁和磁矩可调节的人工反铁磁颗粒，该颗粒可均匀稳定的分散在溶液里。

2、为此，本发明采用如下技术方案：

3、一种人工反铁磁颗粒的制备工艺，包括以下步骤：

4、1）蒸发ge到衬底上形成牺牲层；

5、2）在牺牲层上溅射具有垂直磁各向异性的人工反铁磁saf多层膜；

6、3）在人工反铁磁saf多层膜上溅射al覆盖层；

7、4）在al覆盖层表面进行自旋涂覆ps珠粒；

8、5）采用氧等离子灰化法对ps珠粒进行部分收缩，减小ps珠粒尺寸并防止珠粒变形，使相邻ps珠粒不粘连并形成间距；

9、6）刻蚀处理：由上向下垂直刻蚀，刻蚀穿透ps珠粒间距处的al覆盖层、人工反铁磁saf多层膜和牺牲层，ps珠粒用作刻蚀过程的光刻掩模版，刻蚀后形成密布的圆盘阵列，一个ps珠粒下方形成一个圆盘；

10、7）通过超声去除ps珠粒，保留ps珠粒下方的圆盘阵列；

11、8）将步骤7）得到的圆盘阵列在光刻胶显影液中浸泡，腐蚀掉al覆盖层，保留基底和saf圆盘阵列；

12、9）将步骤8）得到的基底和saf圆盘阵列样品浸入h2o2水溶液中，腐蚀掉ge牺牲层，使saf圆盘阵列从基底上脱离；然后将其浸入水中稀释除去h2o2，通过超声将saf圆盘阵列剥离到溶液中，分别独立的saf圆盘颗粒即为所需的人工反铁磁颗粒。

13、进一步地，所述人工反铁磁saf多层膜的结构由下向上分别为：缓冲层/种子层/下磁性层/非磁性层/上磁性层/保护层。

14、进一步地，所述人工反铁磁saf多层膜的结构由下向上分别为：{ta/ pt/ [pt/co]4/ ru/ [co/pt]4/pt}5。

15、进一步地，所述缓冲层厚度为2～8nm。

16、进一步地，所述种子层厚度为3～10nm。

17、进一步地，所述下磁性层和上磁性层，pt厚度为2～4nm，co厚度为0.6～1nm。

18、进一步地，下磁性层和上磁性层，周期为4。

19、进一步地，所述非磁性层，ru厚度为0.6～1.4nm。

20、进一步地，所述保护层厚度为3～5nm。

21、进一步地，所述人工反铁磁薄膜的总周期为5。

22、本发明的有益效果在于：

23、1.人工反铁磁(saf)薄膜制备的磁性颗粒，粒子间偶极相互作用不会产生磁性颗粒团聚的现象，人工反铁磁薄膜的低磁场磁化率，确保了外来小磁场不会诱导磁矩而引起磁性颗粒的团聚，所以人工反铁磁颗粒能够均匀稳定的分散在溶液里；

24、2.相比平面易磁化的粒子，具有垂直磁各向异性的人工反铁磁(saf)颗粒，由于具有大磁各向异性，能够在外磁场的作用下更有效地传导力矩，所以，人工反铁磁颗粒在外磁场作用下，具有更高的操控性；

25、3.用聚苯乙烯微球作为直接光刻掩膜，能够使颗粒达到纳米级。自旋涂覆ps珠粒，可以提高颗粒的产量。

技术特征：

1.一种人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述人工反铁磁saf多层膜的结构由下向上分别为：缓冲层/种子层/下磁性层/非磁性层/上磁性层/保护层。

3.根据权利要求2所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述人工反铁磁saf多层膜的结构由下向上分别为：{ta/ pt/ [pt/co]4 / ru/ [co/pt]4 /pt}5。

4.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述缓冲层厚度为2～8nm。

5.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述种子层厚度为3～10nm。

6.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述下磁性层和上磁性层，pt厚度为2～4nm，co厚度为0.6～1nm。

7.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述下磁性层和上磁性层，周期为4。

8.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述非磁性层，ru厚度为0.6～1.4nm。

9.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述保护层厚度为3～5nm。

10.根据权利要求3所述的人工反铁磁颗粒的制备工艺，其特征在于，所述人工反铁磁薄膜的总周期为5。

技术总结
本发明公开了一种人工反铁磁颗粒的制备工艺，属于自旋电子学和生物技术领域，目的在于制备零剩磁，低场磁化率，饱和时具有高磁矩，能够快速翻转到磁饱和，并能够改变尺寸大小和总磁矩的磁颗粒，该磁性颗粒具有较高的操控性，能够均匀稳定的分散在溶液里。人工反铁磁颗粒制备：首先将人工反铁磁薄膜沉积到覆盖有牺牲层的硅片上。然后结合光刻技术和离子蚀刻工艺制备磁性阵列。最后，在合适的溶剂中溶解牺牲层，将磁性阵列剥离到溶液中，获得稳定的磁性颗粒。

技术研发人员：何开宙,王向谦,强进,谢明玲,员朝鑫,高晓平,宋玉哲
受保护的技术使用者：甘肃省科学院传感技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17