磁光克爾效應(yīng)研究

1、 磁光克爾效應(yīng)研究摘要:當(dāng)光電子技術(shù)日益在新興高科技領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí)，以磁光效應(yīng)原理為背景的磁光器件顯示了其獨(dú)特的性能和廣闊的應(yīng)用前景，引起了人們的濃厚興趣。表面磁光克爾效應(yīng)，作為測(cè)量材料磁光特性特別是薄膜材料的物性的一種有效方法，已被廣泛應(yīng)用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜的相變行為等問題的研究。本文簡(jiǎn)單介紹了什么是磁光克爾效應(yīng)、磁光克爾效應(yīng)的發(fā)展、以及表面磁光克爾效應(yīng)作為一種測(cè)量方法的原理、實(shí)驗(yàn)裝置和發(fā)展。關(guān)鍵詞:磁光克爾效應(yīng);磁光特性;表面磁光克爾效應(yīng)1.引言1845年，michael faraday發(fā)現(xiàn)當(dāng)給玻璃樣品加一磁場(chǎng)時(shí)，透射光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，首次發(fā)

2、現(xiàn)磁光效應(yīng)。隨后他在處于外加磁場(chǎng)中的金屬表面做反射實(shí)驗(yàn)，但由于他所謂的表面不夠平整，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能使人信服。1877年john kerr在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時(shí)，發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(yīng)(magneto-optic kerr effect)。1985年moog和bader兩位學(xué)者對(duì)鐵超薄膜磊晶成長(zhǎng)在金單晶(100)面上的磁光克爾效應(yīng)做了大量實(shí)驗(yàn)，成功得到一原子層厚度磁性物質(zhì)的磁滯回線，并提出smoke作為表面磁光克爾效應(yīng) (surface magneto-optic kerr effect)的縮寫，用以表示應(yīng)用磁光克爾效應(yīng)在表面磁學(xué)上的研究。由于此方法磁性測(cè)量靈敏度達(dá)一原子層厚度

3、，且此裝置可配置于超高真空系統(tǒng)上面工作，所以成為表面磁學(xué)的重要研究方法。2.磁光克爾效應(yīng)圖1 克爾效應(yīng)示意圖一束線偏振光從具有磁矩的介質(zhì)表面反射時(shí)，反射光將是一束橢圓偏振光，而且偏振方向?qū)l(fā)生產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。相對(duì)于入射的線偏振光（以橢圓的長(zhǎng)軸為標(biāo)志）的偏振面方向有一定的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度為克爾轉(zhuǎn)角，短軸與長(zhǎng)軸的比為橢偏率，如圖1所示。復(fù)磁光克爾角定義為：，其大小正比于樣品的磁化強(qiáng)度。表1給出了常見的磁性物質(zhì)在室溫下的磁光克爾轉(zhuǎn)角的數(shù)值。克爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因如下：當(dāng)磁性物質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下磁化或鐵磁性物質(zhì)自發(fā)磁化，就讓物質(zhì)本身的折射率造成磁雙折射（magnetic birefringence） 的現(xiàn)象，即

4、其右旋折射率和左旋折射率不相同。一束線偏振光可以分解成兩個(gè)振幅相同的左旋光與右旋光，而左旋光與右旋光在磁性材料中有不同的吸收和反射系數(shù)，不同的傳播速度使得兩種光產(chǎn)生相位差，同時(shí)也能造成振幅上的不同。這樣，兩個(gè)振幅不同、且具有相位差的左旋光與右旋光在反射后就會(huì)疊加成一束橢圓偏振光。表1 常見磁性物質(zhì)在室溫下的磁光克爾轉(zhuǎn)角一般情況下，克爾磁光效應(yīng)分極向克爾磁光效應(yīng)、縱向克爾磁光效應(yīng)與橫向克爾磁光效應(yīng)（按磁化強(qiáng)度同入射面的相對(duì)取向不同劃分），如圖2所示。極向克爾磁光效應(yīng)是指磁化強(qiáng)度矢量m與介質(zhì)界面垂直時(shí)的科爾效應(yīng)。這是三種克爾效應(yīng)中，克爾轉(zhuǎn)角最大、最明顯的?？v向克爾磁光效應(yīng)指的是磁化強(qiáng)度矢量m既平行

5、于光的入射面，也平行于介質(zhì)表面時(shí)的科爾效應(yīng)。橫向克爾磁光效應(yīng)是指磁化方向平行于材料表面但垂直于反射平面的克爾效應(yīng)。橫向克爾磁光效應(yīng)中事實(shí)上僅僅是反射率有微小的變化，沒有偏振面的旋轉(zhuǎn)。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于：即使入射光是非極化光源經(jīng)由磁性介質(zhì)反射后，其反射光的振幅也是磁光強(qiáng)度矢量的線性函數(shù)。圖2 極向、縱向和橫向克爾效應(yīng)示意圖3.磁光克爾測(cè)量技術(shù)3.1工作原理當(dāng)一束線偏振光入射到不透明的樣品表面時(shí)，如果樣品室各向異性的，反射光將變成橢圓偏振光，并且偏振方向與入射光的偏振方向相比會(huì)發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)。如果此時(shí)樣品還處于鐵磁狀態(tài)，鐵磁性還會(huì)導(dǎo)致反射光偏振面相對(duì)于入射光的偏振面額外轉(zhuǎn)過一個(gè)小的角度，此角即為

6、磁光克爾旋轉(zhuǎn)角，如圖3所示即橢圓長(zhǎng)軸和參考軸之間的夾角。一般而言，由于樣品對(duì)p偏振光和s偏振光的的吸收率不同，即使樣品處于非磁狀態(tài)，反射光的橢偏率也要發(fā)生變化，而樣品的鐵磁性會(huì)導(dǎo)致橢偏率有一個(gè)附加的變化，這個(gè)變化稱為克爾橢偏率，即橢圓長(zhǎng)短軸之比。圖3 表面磁光克爾效應(yīng)原理圖 3.2磁光調(diào)制法早期測(cè)量中應(yīng)用較多的是磁光調(diào)制法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。在頻率為的外加交變磁場(chǎng)或電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下入射電場(chǎng)的偏振面發(fā)生微小的調(diào)制變化。最終分析從檢偏器出來并被檢測(cè)的光電信號(hào)中的交流成分可得到要測(cè)量的克爾角。測(cè)量裝置中采用調(diào)制鎖相技術(shù)，因此可獲得較高的性噪比。但是要通過調(diào)節(jié)檢偏器的方位角使信號(hào)幅度最大來確定克爾旋轉(zhuǎn)角

7、，帶來一定的測(cè)量誤差和不便。高次頻信號(hào)的存在使波形偏離正弦或余弦變化規(guī)律，給波形的判斷帶來困難。同時(shí)調(diào)制器的品質(zhì)因數(shù)和使用條件不同也會(huì)影響數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。這種方法多用于單波長(zhǎng)和單參數(shù)克爾角的測(cè)量。1. 激光器；2.光闌；3.起偏器；4. 調(diào)制元件；5.調(diào)制信號(hào)源；6. 調(diào)制線圈；7.樣品；8.磁場(chǎng)；9. 檢偏器；10.測(cè)角儀；11. 光電探測(cè)器和信號(hào)放大器；12. .示波器；圖4磁光調(diào)制測(cè)量裝置示意圖3.3旋轉(zhuǎn)檢偏器的位相偏移測(cè)定法旋轉(zhuǎn)檢偏器的方法是通過測(cè)量檢偏器的方位角在不同位置時(shí)光信號(hào)強(qiáng)度的變化來求得磁光克爾轉(zhuǎn)角和橢偏率嗎，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。此方法實(shí)驗(yàn)圖像清楚，所用光學(xué)元件少，避免了某些場(chǎng)

8、合使用特種光學(xué)元件所引起的間接測(cè)量誤差，光譜測(cè)量的范圍較寬，系統(tǒng)可以自行定標(biāo)，是一種磁光效應(yīng)的絕對(duì)測(cè)量方法，特別適用于材料磁光效應(yīng)光譜特性的研究。整個(gè)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，使測(cè)量過程更加簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的密度和質(zhì)量也得到相應(yīng)的提高。此裝置對(duì)一般的磁光樣品，絕對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確率可達(dá)到。1. 石英光纖；2. 準(zhǔn)直鏡；3. 光闌；4. 起偏器；5、6. 反光鏡；7. 樣品；8. 熔石英1/4波長(zhǎng)器9. 步進(jìn)電機(jī)；10.檢偏器；11.防震光學(xué)平臺(tái)圖5旋轉(zhuǎn)檢偏器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3.4消光法1996年，朱偉榮對(duì)bader和chappert等人的方案做了修改，提出了一種新的smoke系統(tǒng)，圖6為系統(tǒng)的光路示意圖。在

9、偏振鏡后面加一分光鏡，將光束一分為二，參考光束直接直接送入探測(cè)器1，信號(hào)光束經(jīng)過樣品和偏振鏡2后送入探測(cè)器2。通過測(cè)量信號(hào)光束和參開光束的比值來消除激光器光強(qiáng)和偏振面不穩(wěn)定造成的影響。系統(tǒng)的靈敏度可達(dá)。 圖6 smoke系統(tǒng)光路圖4.磁光克爾效應(yīng)的應(yīng)用4.1在現(xiàn)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)中的應(yīng)用目前無論是在工業(yè)上科技、資訊的高度發(fā)展對(duì)儲(chǔ)存元件記錄密度的需求越來越高，滿足此種要求的辦法是利用克爾效應(yīng)研發(fā)制造磁光記錄光碟和硬盤。通過一束激光聚焦在特定的磁光記錄介質(zhì)薄膜上就能夠?qū)崿F(xiàn)磁光記錄。寫入信息時(shí)，記錄介質(zhì)位于特定的外加磁場(chǎng)中，因?yàn)榇殴饨橘|(zhì)有良好的垂直于膜面的各向異性，當(dāng)具備一定條件時(shí)，這種介質(zhì)中的磁疇的磁

10、化方向就能與外加磁場(chǎng)方向相反或一致。由此，利用這種介質(zhì)局部磁化方向的正、反即可代表“0”和“1”兩類信息。磁光記錄信息的讀取就是利用磁光克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。拿某個(gè)寫入信息后的介質(zhì)（磁光介質(zhì)）來說，介質(zhì)（磁光介質(zhì)）中的磁疇的磁化方向有正反兩種類型。一束激光照射在介質(zhì)（磁光介質(zhì)）表面的某一位置時(shí)，假如該處對(duì)應(yīng)的磁疇為反向磁化，則反射光的克爾轉(zhuǎn)角為；反之該處對(duì)應(yīng)的磁疇為正向磁化，則反射光的克爾旋轉(zhuǎn)角為。如果在通過介質(zhì)（磁光介質(zhì)）表面反射的反射光路上放一探測(cè)器，就能夠容易地檢測(cè)出反射處是反向磁化還是正向磁化，即讀出了“0”和“1”。4.2研究材料表面的磁學(xué)特性及其用途表面磁性和由數(shù)個(gè)原子層所構(gòu)成的超薄膜以

11、及多層膜磁性，就是目前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)非常重要的熱點(diǎn)研究課題。表面磁光克爾效應(yīng)（smoke）更成為表面科學(xué)中磁性測(cè)量的主要工具，業(yè)已被大量、廣泛地應(yīng)用在磁有序、磁各向異性以及層間耦合等問題的研究方面。smoke通過測(cè)量樣品的克爾轉(zhuǎn)角和克爾橢偏率隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系，最終給出樣品的磁滯回線。從磁滯回線上可以定性和定量的分析矯頑力、剩余磁化強(qiáng)度、最大磁化率、磁滯損耗等。和其他的磁性測(cè)量手段相比較，smoke具有測(cè)量靈敏度極高 （國(guó)際上現(xiàn)在通用的smoke測(cè)量裝置它的探測(cè)靈敏度可達(dá)亞單原子層的磁性，即相當(dāng)于能夠測(cè)量到小于千分之一度的克爾旋轉(zhuǎn)角）、非接觸式測(cè)量、局域磁性測(cè)量以及易于和其它設(shè)備（尤其是

12、真空系統(tǒng)）兼容等優(yōu)點(diǎn)。目前，應(yīng)用元件尺寸快速向輕薄短小發(fā)展，元件中界面特性與高品質(zhì)界面的制作是非常重要的，通過磁光克爾效應(yīng)對(duì)磁性超薄膜的研究不但帶動(dòng)相關(guān)科學(xué)知識(shí)的突破，對(duì)于微小元器件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供重要參考資料，更能有效地提升電子工業(yè)尺寸納米化的進(jìn)程。4.3用于觀察鐵磁材料中的磁疇磁光克爾效應(yīng)的另外一個(gè)重要應(yīng)用就是觀察鐵磁材料中難以捉摸的磁疇。由于不同磁疇區(qū)的磁化強(qiáng)度的取向不同，使入射偏振光產(chǎn)生方向、大小不同的偏振面旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過檢偏器后就出現(xiàn)了與磁疇相應(yīng)的明暗不同的區(qū)域。利用現(xiàn)代技術(shù)，不但可進(jìn)行靜態(tài)觀察，還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。這些都導(dǎo)致一些重要發(fā)現(xiàn)和關(guān)于磁疇、磁學(xué)參數(shù)的有效測(cè)量。4.4在自旋電子學(xué)中

13、的應(yīng)用磁光克爾效應(yīng)對(duì)固體的自旋相關(guān)的電子能帶結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感，因此，磁光克爾效應(yīng)是一種獨(dú)特的研究磁性材料中電子行為的實(shí)驗(yàn)方法。結(jié)語從發(fā)現(xiàn)磁光克爾效應(yīng)到現(xiàn)在，磁光克爾法作為一種測(cè)量材料磁性特別是超薄膜磁性材料物性的有效方法，已成為表面刺血研究的重要手段，被廣泛應(yīng)用于磁有序、磁各向異性、磁疇結(jié)構(gòu)、多層膜層間耦合和磁性超薄膜像變行為等問題的研究。為獲得理想的和可供實(shí)用的高性能磁光器件，對(duì)磁光材料做細(xì)致深入的光譜學(xué)特性的測(cè)量研究和分析具有基礎(chǔ)和應(yīng)用上的雙重意義，無疑磁光克爾效應(yīng)是首選地測(cè)量手段。如何改進(jìn)當(dāng)前的測(cè)量方法，開發(fā)新的磁光克爾效應(yīng)測(cè)量方法，以簡(jiǎn)便快捷的進(jìn)行樣品磁光特性的測(cè)量，并提高測(cè)量的精度，是此

14、領(lǐng)域當(dāng)前和以后的主要研究方向。參考文獻(xiàn)：1 m.d.schultz,t.xue,m.h.kryder.direct observation of magnetization dynamics in spinning magneto-optic discs j. j.appl.phys,1993,73(10): 5776-5781.2 d.l.qian,l.y.chen,w.m.zheng.a method to measure completely the magneto-optical kerr j.acta optic sinica,1999,19(4):24-313 劉湘林,劉公強(qiáng).慈光材料和磁光器件j.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,1900,221-227.4 朱偉榮，董國(guó)勝，陳艷等.一種測(cè)量薄膜磁性的表面磁光克爾效應(yīng)裝置j.真空科學(xué)與技術(shù),1997,17 (4): 243-246.5 劉平安，陳希江，丁菲一種新型表面磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)j .遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，37 (1): 24-29.6 z.q.qiu,s.d.bader, rev.sci.instrum., 2000, 71: 1243.7 r.mattheis,g.quednau, j. magn.m