表面磁光Kerr效應(yīng)裝置搭建

1、表面磁光Kerr效應(yīng)裝置搭建王禎鈺 田傳山 殷立峰 魏大海 王煜復(fù)旦大學(xué)物理系摘要：本文簡要介紹了磁光Kerr效應(yīng)的原理及分類，較為詳細(xì)地介紹了表面磁光Kerr效應(yīng)（SMOKE）測量系統(tǒng)的搭建，并對所搭建的系統(tǒng)進(jìn)行了測試。關(guān)鍵詞：表面磁光Kerr效應(yīng)（SMOKE） 磁滯回線一 引言磁光效應(yīng)有兩種：Faraday效應(yīng)和Kerr效應(yīng)1。1845年，Michael Faraday首先發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的磁化狀態(tài)會(huì)影響透射光的偏振狀態(tài)，這就是Faraday效應(yīng)。1877年，John Kerr發(fā)現(xiàn)鐵磁體對反射光的偏振狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生影響，這就是Kerr效應(yīng)。Kerr效應(yīng)在表面中的應(yīng)用，即為表面磁光Kerr效應(yīng)（Sur

2、face Magneto-Optic Kerr Effect，簡稱SMOKE），它作為一種探測薄膜的磁性的技術(shù)始于1985年。單考慮磁性的貢獻(xiàn)。當(dāng)一束偏振光打到樣品表面時(shí)，鐵磁性會(huì)導(dǎo)致反射光偏振面轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度，這個(gè)小角度叫做Kerr旋轉(zhuǎn)角k。同時(shí)，鐵磁性會(huì)導(dǎo)致橢偏率也有一個(gè)小變化，這個(gè)變化叫做Kerr橢偏率k。由于Kerr旋轉(zhuǎn)角k和Kerr橢偏率k都是磁化強(qiáng)度M的函數(shù)，因此，可以通過測量k或k的變化，而反映M的變化。用SMOKE來進(jìn)行磁性測量，有下述五個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：（1） 靈敏度高。SMOKE可以測得亞單層的磁性。（2） 原位（in situ）測量。通過和超高真空（UHV）設(shè)備相連接，利用SM

3、OKE對樣品進(jìn)行原位測量，可以得到所要研究的樣品的性質(zhì)，免去對樣品加保護(hù)層時(shí)可能引入的各種影響。（3） 局域測量。通過聚焦，可以使光斑直徑在1毫米至幾百微米，從而測量樣品上不同點(diǎn)的信號。因此，可以通過生長鍥形樣品（wedge），從而研究樣品性質(zhì)隨厚度的變化，或是樣品性質(zhì)隨組分的變化，給出相變點(diǎn)的位置2，大大加快測量速度，減少系統(tǒng)誤差。（4） 裝置簡單，容易搭建。（5） 無損測量。由于測量用的是光探針，因此不會(huì)對樣品造成任何破壞。此外，SMOKE既能測薄膜樣品的面內(nèi)信號，又能測垂直信號，實(shí)驗(yàn)中只要改變磁場方向即可。SMOKE最大的不足之處在于不能給出絕對磁矩?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，SMOKE是現(xiàn)代一種常

4、用的重要的表面磁性研究手段。它在磁有序、磁各向異性及磁性超薄膜相變行為等研究中有著廣泛而重要的應(yīng)用。近來，由于自旋霍爾效應(yīng)（spin Hall effect）3的備受關(guān)注和磁光記憶材料的不斷研究開發(fā)，不論在科研還是在實(shí)用中，SMOKE都扮演著越來越重要的角色。二 原理及分類2.1 原理從宏觀上講，磁光效應(yīng)來源于介電常數(shù)張量中非對角元的不對稱性4。入射到磁性材料上的線偏振光可以看成左旋偏振光和右旋偏振光的疊加，由于介電常數(shù)張量中非對角元的不對稱，造成了左旋偏振光和右旋偏振光在樣品中的傳播速度不一樣，從而左旋偏振光和右旋偏振光有一個(gè)相位差，于是，反射光的偏振面就發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。同理，介電常數(shù)張量中非對

5、角元的不對稱使得樣品對左旋偏振光和右旋偏振光的吸收率也不一樣，這就導(dǎo)致了反射光橢偏率的變化。從微觀上講，經(jīng)典的看法是磁光效應(yīng)是由Lorentz力引起的。電子在左旋偏振光或右旋偏振光作用下作圓周運(yùn)動(dòng)。在磁場作用下，電子受到一個(gè)Lorentz力F=-ev×B。假設(shè)磁場是沿著光傳播的方向加的，那么如果電子作左旋運(yùn)動(dòng)，則受到的力是指向圓心的，于是運(yùn)動(dòng)半徑會(huì)減小，導(dǎo)致電偶極矩減??；反之，如果電子作右旋運(yùn)動(dòng)，則受到的力是背向圓心的，于是運(yùn)動(dòng)半徑會(huì)增大，導(dǎo)致電偶極矩增大。由此可見，電子對于左旋偏振光和右旋偏振光的響應(yīng)是不同的，從反作用的角度考慮，這就造成了磁光效應(yīng)。從量子力學(xué)的角度來看，磁光效應(yīng)是

6、自旋軌道耦合的結(jié)果。在電子的坐標(biāo)系中看，根據(jù)Lorentz變換，原來的光的電矢量就有了磁場的效應(yīng)，與電子的角動(dòng)量發(fā)生作用，從而影響了電子的運(yùn)動(dòng)，即自旋軌道耦合項(xiàng)(V×P)·s導(dǎo)致了磁光效應(yīng)。Kittle5證明了自旋軌道耦合引起的波函數(shù)的變化給出磁光效應(yīng)，Argyres6用微擾論給出過磁光效應(yīng)的詳細(xì)推導(dǎo)。2.2 分類按照磁化強(qiáng)度M方向與入射面的方向的不同，磁光Kerr效應(yīng)可以分為三類（如圖一）：極向Kerr效應(yīng)（polar）、縱向Kerr效應(yīng)（longitudinal）與橫向Kerr效應(yīng)（transverse）。Transverse(c)Longitudinal(b)Pola

7、r(a)MMM圖一： 三種磁光構(gòu)型（1） 極向Kerr效應(yīng)：M垂直于樣品表面并且平行于入射面。信號強(qiáng)度隨入射角的減小而增大，在0度入射時(shí)達(dá)到最大（因?yàn)榇藭r(shí)，Lorentz力公式F=evBsin中，與入射角互余）。（2） 縱向Kerr效應(yīng)：M在樣品膜面內(nèi)并且平行于入射面?？v向Kerr效應(yīng)的強(qiáng)度隨入射角的增大而增大，在0度時(shí)為0（因?yàn)榇藭r(shí)，Lorentz力公式F=evBsin中，等于入射角）。通常情況下，縱向Kerr信號比極向Kerr信號小一個(gè)數(shù)量級，因此，縱向Kerr效應(yīng)的探測遠(yuǎn)較極向Kerr效應(yīng)的探測困難。但對于很多薄膜、超薄膜樣品由于退磁場的影響，易軸往往平行于膜面，故而，縱向Kerr效應(yīng)的

8、探測是極為重要的。（3） 橫向Kerr效應(yīng)：M在樣品膜面內(nèi)，并且垂直于入射面。由于此時(shí)M沒有垂直于電子圓周運(yùn)動(dòng)方向的分量，因此通常反射光的偏振狀態(tài)不發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，橫向Kerr效應(yīng)只有在p光入射時(shí)，在磁場反向時(shí)，才有一個(gè)很小的反射率的變化。三 測量系統(tǒng)3.1 測量原理通常情況下，非磁性樣品對p光和s光的吸收率不一樣會(huì)導(dǎo)致反射光的橢偏率的變化，而沒有磁各向異性的樣品也可能因有其他的各向異性而使反射光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)（由于p光和s光的傳播速度不同），因此，如果采用橢圓偏振光或是一般的線偏振光來探測是十分困難的。所以，一般采用p光或是s光進(jìn)行探測。下面以p光為例。如圖二，入射光p光由起偏器調(diào)節(jié)

9、，反射光由檢偏器檢偏。起偏器與檢偏器透振方向設(shè)成88°89°，即近似消光位置（偏過一個(gè)小角度約為1°2°）。s componentKerr rotationkIncident light:linear polarizedferromagnetic sample圖二： p光通過樣品后產(chǎn)生的Kerr轉(zhuǎn)角示意圖p componentp component起偏器與檢偏器不設(shè)成完全消光而設(shè)成近似消光位置是因?yàn)椋海?） 探測的是光強(qiáng)，如設(shè)成完全消光位置，則測得的正比與磁化強(qiáng)度M的平方，而設(shè)成近似消光位置，則測得的與M成正比。（2） 為了區(qū)分正負(fù)Kerr旋轉(zhuǎn)角（如圖三

10、）。圖三： 正負(fù)Kerr旋轉(zhuǎn)角的區(qū)分示意圖起偏器方向檢偏器方向起偏器方向檢偏器方向k>0k>0k<0k<0如果樣品處于非磁性狀態(tài)，則反射光狀態(tài)不發(fā)生改變。如果樣品是處于鐵磁狀態(tài)，則反射光中含有一個(gè)很小的電場分量Es垂直于Ep:=k+ik。此時(shí)，通過檢偏器的光強(qiáng)為：I=Epsin+Escos2=Ep2sin+(k+ik)cos2Ep2+(k+ik)2Ep2(2+2k)=I0(1+2)，由此可得，飽和狀態(tài)下，Kerr旋轉(zhuǎn)角為：k=，其中，I0=Ep22為M=0時(shí)的光強(qiáng)，I（+Ms）、I（Ms）分別為正負(fù)飽和狀態(tài)下的光強(qiáng)。由于k近似正比于M，所以可以通過光強(qiáng)的測量，得到磁化強(qiáng)

11、度的相對值。于是，通過改變外加磁場，即可得到磁滯回線。3.2 光路搭建如圖四，激光依次通過光闌(a)、聚焦透鏡(a)和偏振棱鏡(a)打到樣品上，樣品置于電磁鐵磁場均勻的位置，反射光依次通過光闌(b)、偏振棱鏡(b)和聚焦透鏡(b)打到光電探頭上。我們用的是He-Ne線偏激光器，波長6328，功率10mW，功率穩(wěn)定度0.1%。這里功率穩(wěn)定度非常重要，因?yàn)樗綔y的信號非常之小，如果功率穩(wěn)定度差了，信號就會(huì)淹沒在本底的漲落中了。激光器通過一個(gè)光學(xué)調(diào)節(jié)架固定在一個(gè)調(diào)整臺(tái)上，使其具有升降、俯仰、調(diào)整臺(tái)臺(tái)面面內(nèi)旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度。一對偏振器均是Glen Thompson 棱鏡，消光比，主透射比（對6328，的

12、波長）90%，通光孔徑8mm。這里消光比非常重要。通光孔徑越小，光路越難調(diào)，但通光孔徑稍大一點(diǎn)，價(jià)格會(huì)高出好多，綜合考慮這兩方面因素，選擇了8mm。偏振鏡的調(diào)節(jié)架有2個(gè)平移、1個(gè)升降、1個(gè)繞軸自轉(zhuǎn)和俯仰，共5維可調(diào)。67892431(a)5(b)1 激光器 2 光闌(a) 3聚焦透鏡(a) 4偏振棱鏡(a) 5 電磁鐵和樣品 6 光闌(b) 7偏振棱鏡(b) 8 聚焦透鏡(b) 9 光電探頭 10 光電探頭內(nèi)放大器電源圖四： 光路圖 （a）簡圖 （b）實(shí)物照片一對聚焦透鏡的作用一方面是使光斑盡可能小，利于局域測量，另一方面是拉長光路，使偏振鏡等盡可能遠(yuǎn)離磁場，盡量避免Faraday效應(yīng)。其調(diào)節(jié)

13、架有升降自由度即可。光電探頭上有窄帶通濾光片，帶通10，濾掉其它的干擾電磁波。所有光學(xué)元件均置于隔低頻的光學(xué)平臺(tái)上，光路準(zhǔn)直，過各元件中心。3.3 電路搭建如圖五，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)有一路模擬輸出通過D/A轉(zhuǎn)換控制磁場電源，由于我們的磁鐵電源只能提供正向電流，故計(jì)算機(jī)還有一路數(shù)字輸出通過D/A轉(zhuǎn)換控制磁場換向開關(guān)來實(shí)現(xiàn)磁場的換向。光電探頭采集到的信號通過A/D轉(zhuǎn)換，輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換探測器磁場電源 換向開關(guān)圖五： 計(jì)算機(jī)控制方案3.3.1 磁場換向開關(guān)電路(a)繼電器組1繼電器組2磁場電源+磁場線圈圖六： 磁場換向開關(guān)電路 （a）繼電器組控制磁場換向電路 （

14、b）D/A控制繼電器組電路(b)R1繼電器組1繼電器組2R4R3R2+12VVin如圖六，磁場換向開關(guān)電路，其中三極管為3DK4A，電阻R1=2000，R2=10k，R3=R4=10。當(dāng)控制信號Vin為高電平時(shí)，繼電器1合上，2斷開；而當(dāng)Vin為低電平時(shí)，繼電器2合上，1斷開。從而通過控制Vin為高低電平，就可以達(dá)到控制磁場電源為正向和反向的目的。3.3.2 光電探頭內(nèi)放大器電路光電探頭為一個(gè)光電二極管加上放大電路置于鋁盒內(nèi)構(gòu)成。光電二極管前有窄帶通濾光片，采集到的信號經(jīng)電路放大后由BNC信號線輸出。放大電路如圖七，為一個(gè)負(fù)反饋，可以通過調(diào)節(jié)連接的電阻的大小來調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)。圖七： 放大器電路

15、圖3.3.3 信號采集由于放大器電源的地、BNC信號輸出的地與光電探頭的外殼（鋁盒）相連，并接光學(xué)平臺(tái)，故信號用的是系統(tǒng)地，與數(shù)據(jù)采集卡共地，經(jīng)驗(yàn)表明，信號采集采用差分模式（DIFF）或單端非參考地模式（NRSE）（如圖八）比較好7。圖八： 信號采集模式 （a）DIFF （b）NRSE3.4 控制軟件用Labview編寫的整個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和控制程序，界面如圖九。1 From To：設(shè)置磁場掃描范圍 2 Step：設(shè)置磁場改變步長 3 Delay：設(shè)置每點(diǎn)測量時(shí)間 4 Batch：設(shè)置掃場次數(shù) 5 Test：系統(tǒng)測試圖九： 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和控制界面四 系統(tǒng)測試及改進(jìn)4.1 系統(tǒng)測試結(jié)果我們用的

16、樣品是在GaAs襯底上長的Fe（15），上面覆蓋有Au（30）,測得磁滯回線如圖十（磁場只掃了一次）。樣品矯頑力Hc=45 Gauss，信號約為39.30mV，噪音約為0.11mV，信噪比約為357。這說明我們搭的這套SOMKE系統(tǒng)能夠正常工作，并且能夠得到比較好的信噪比。由于并沒有用放大倍數(shù)最大的檔，因此，這并不是這套系統(tǒng)的極限水平。4.2 系統(tǒng)的改進(jìn)：1）信號輸入模式的改進(jìn)我們在數(shù)據(jù)采集時(shí)用的是NRSE的模式，如果采用DIFF模式，有可能信噪比會(huì)更好一些。2）搭光橋的方案可以在光路中用分光的方法搭一個(gè)光橋，濾掉高頻噪音，從而改善信噪比3。圖十： 測得的磁滯回線參考文獻(xiàn)：1 朱偉榮，復(fù)旦大學(xué)碩士生畢業(yè)論文，19962 Z. Tian, C.S. Tian, L.F. Yin, D. Wu, G.S. Dong, X.F. Jin, and Z.Q. Qiu, Phys. Rev. B 7