柔性磁致伸縮FeGa薄膜中磁光克爾效應(yīng)的應(yīng)力調(diào)控

代國紅， 許藝鏵， 沈 云， 韓道福， 鄧曉華，c

（南昌大學(xué)a.理學(xué)院；b.高等研究院；c.空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南昌330031）

0 引 言

磁光克爾效應(yīng)（Magneto-optical Kerr Effect，MOKE）是指線偏振光（由左旋和右旋圓偏振光組成）入射到處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)表面時(shí)，由于左旋和右旋圓偏振光在材料中傳播速率不同而產(chǎn)生相位差，導(dǎo)致其反射光的偏振面相對于入射光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光的現(xiàn)象?？梢岳肕OKE來無損探測磁性薄膜材料的磁化過程以及磁疇結(jié)構(gòu)。Michael發(fā)現(xiàn)線偏振光的偏振面在透射處于磁場中的介質(zhì)后會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)［1］。John研究偏振光在經(jīng)拋光后的電磁鐵磁極反射時(shí)發(fā)現(xiàn)反射光也存在類似現(xiàn)象［2］，即為磁光克爾效應(yīng)。MOKE在探測磁性物質(zhì)時(shí)具有極高的靈敏度，所以大量地應(yīng)用到表面磁學(xué)的研究中。此外，磁光效應(yīng)在稀磁半導(dǎo)體、磁光開光、磁光存儲(chǔ)、光子器件等領(lǐng)域內(nèi)均得到了廣泛的應(yīng)用［3-5］。目前，具有大磁光效應(yīng)的晶體廣泛應(yīng)用于光隔離器（法拉第旋轉(zhuǎn)器、光環(huán)行器）、模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)和光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中［6］。同時(shí)，注意到利用MOKE在對應(yīng)力的測量上有著重要的應(yīng)用前景：綜合考慮磁疇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、磁光克爾成像和磁光薄膜成像技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了磁無損應(yīng)力檢測［7］。研究表明，采用磁控濺射方法將磁致伸縮FeGa薄膜制備在柔性襯底聚對苯二甲酸乙二酯（PET）上，柔性FeGa具有良好的磁致伸縮性和機(jī)械延展性［8］，可以對其施加拉或壓應(yīng)力，從而改變FeGa磁性薄膜的磁性［9］。磁滯回線是表征鐵磁性材料磁學(xué)性能的重要曲線［10-11］，是工程領(lǐng)域制造和選擇磁性材料的重要參考依據(jù)［12-13］。本文通過材料的形變來描述材料受到的應(yīng)力，由拉伸裝置產(chǎn)生應(yīng)力，通過MOKE繪出材料的磁滯回線并分析隨著材料受到應(yīng)力的變化其矯頑力發(fā)生的變化，并計(jì)算出不同應(yīng)力條件下材料的剩磁比，實(shí)現(xiàn)由應(yīng)力對材料的MOKE的調(diào)控。

1 磁光克爾效應(yīng)原理

表面磁性以及由數(shù)個(gè)原子層所構(gòu)成的超薄膜和多層膜磁性，是當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)極其重要的研究熱點(diǎn)。表面MOKE譜作為一種非常重要的超薄膜磁性原位測量的實(shí)驗(yàn)手段廣泛用于磁有序、磁各向異性以及層間耦合等問題的研究。MOKE可根據(jù)磁化強(qiáng)度M與介質(zhì)表面方向的不同分為極向克爾效應(yīng)、橫向克爾效應(yīng)和縱向克爾效應(yīng)［14］，如圖1所示。

圖1 MOKE的3種克爾效應(yīng)

由于縱向磁光克爾效應(yīng)較為明顯［15］，選用縱向克爾效應(yīng)來探測磁性薄膜的磁性變化情況。對于薄膜樣品而言，由于形狀各向異性的緣故，飽和磁化強(qiáng)度一般平行于薄膜表面方向。首先使用激光發(fā)射器產(chǎn)生一束激光，經(jīng)偏振片后可得到一束偏振光，偏振光經(jīng)磁性薄膜反射后，其偏振方向會(huì)有一個(gè)較小的旋轉(zhuǎn)，其角度大小即為克爾轉(zhuǎn)角θk，θk由檢偏器檢測。通過應(yīng)力拉伸裝置對磁性薄膜施加應(yīng)力使其發(fā)生形變，通過MOKE可繪出薄膜的磁滯回線。實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示。

圖2 磁光克爾效應(yīng)原理圖

由激光器產(chǎn)生一束激光，經(jīng)起偏器后得到一束偏振光，設(shè)其為p偏振光，當(dāng)光線被樣品反射時(shí)，反射光的電場矢量中存在一個(gè)很小的垂直于Ep的Es，其中Ep和Es滿足Ep?Es。在一階近似條件下有：

通過檢偏器的光強(qiáng)為

將式（1）代入式（2）中，計(jì)算可得：

當(dāng)δ趨向于0時(shí)，可近似為小量近似（省略二階及以上的小量）后得：

移項(xiàng)得到樣品達(dá)磁飽和狀態(tài)下克爾旋轉(zhuǎn)角

式中：δ為起偏器與檢偏器間的夾角；εk為克爾橢偏率［16］。由式（7）可知，θk由δ和I、I0計(jì)算得到，這3個(gè)量均可以通過儀器測量，因此θk可以直接通過儀器測量得到。由于θk和克爾橢偏率εk都是磁化強(qiáng)度M的函數(shù)，且θk近似正比于M，所以可通過對光強(qiáng)的測量得到磁化強(qiáng)度得相對值，通過改變外加磁場，即得到磁滯回線。實(shí)際測量時(shí)，測量磁滯回線中正向飽和時(shí)得克爾旋轉(zhuǎn)角θ+k和反向飽和時(shí)得克爾旋轉(zhuǎn)角θ-k，那么θk為

通過對MOKE理論分析，發(fā)現(xiàn)縱向磁光克爾效應(yīng)信號的強(qiáng)度與磁性薄膜的磁化狀態(tài)密切相關(guān)，而應(yīng)力可以有效地調(diào)控柔性磁致伸縮FeGa薄膜中的磁化強(qiáng)度分布狀態(tài)，因此，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控磁光克爾效應(yīng)。

2 應(yīng)力拉伸裝置

為了研究應(yīng)力對磁光克爾信號的調(diào)控規(guī)律，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)力拉伸裝置，如圖3所示?？紤]到應(yīng)力拉伸裝置需要在磁場環(huán)境下工作，因此，整個(gè)拉伸裝置采用黃銅材質(zhì)構(gòu)成，確保裝置不影響磁場分布，該裝置在磁光克爾效應(yīng)儀測試的過程中施加應(yīng)力場，研究應(yīng)力場、磁場共同作用時(shí)薄膜磁性的變化。如圖3所示，該裝置利用測微頭旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的位移來改變薄膜兩固定端的間距，從而在薄膜中產(chǎn)生張應(yīng)變，對薄膜施加拉伸應(yīng)變的位移精度可達(dá)0.01 mm。除了可以研究拉伸應(yīng)力作用下磁性薄膜的磁性調(diào)控規(guī)律外（見圖4），該裝置還可以用來研究應(yīng)力場作用下的其他物理現(xiàn)象，如電輸運(yùn)行為、光伏效應(yīng)等。

圖3 應(yīng)力拉伸實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖4 拉伸裝置在磁光克爾測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

分別沿柔性FeGa薄膜的難磁化軸和易磁化軸對其施加應(yīng)力，在不同的應(yīng)力作用下測量得材料的磁滯回線。在沿易磁化軸分別施加應(yīng)力，使其產(chǎn)生0%、0.22%、0.56%、0.67%、0.78%的應(yīng)變后，分別測得磁滯回線如圖5（a）所示。沿難磁化軸對薄膜施加應(yīng)力，使樣品薄膜產(chǎn)生0%、0.24%、0.37%、0.49%的應(yīng)變后，測的其磁滯回線如圖5（b）所示。由圖5可以看出，拉伸應(yīng)力對磁滯回線的矩形比Mr/Ms有明顯的調(diào)控作用，飽和磁化強(qiáng)度在應(yīng)力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，磁矩與入射激光的偏振面之間的夾角發(fā)生變化，由式（8）知，應(yīng)力對反射光的強(qiáng)度產(chǎn)生調(diào)控作用。分別對沿難磁化軸和易磁化軸這兩種拉伸情況下，應(yīng)力對磁滯回線的矩形比進(jìn)行調(diào)控，通過下式

圖5 垂直拉伸薄膜在不同形變程度下磁滯回線圖

計(jì)算樣品薄膜的磁滯回線矩形比Rs。處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過程計(jì)算Mr時(shí)，取磁滯回線與y軸上下兩交點(diǎn)的y坐標(biāo)值的絕對值的平均增值作為該磁滯回線Mr的大小。如圖6（a）所示，當(dāng)拉伸應(yīng)力垂直于難磁化方向，張應(yīng)變從0增加到0.22%時(shí)，Rs從0.17增加為0.81，而當(dāng)張應(yīng)變從0.22%繼續(xù)增大到0.78%時(shí)，Rs從0.81下降為0.59；而當(dāng)拉伸應(yīng)力垂直易磁化方向，張應(yīng)變從0增加到0.24%時(shí)，Rs從0.92降為0.28，當(dāng)張應(yīng)變從0.24%繼續(xù)增大到0.49%時(shí)，Rs從0.28上升為0.34，見圖6（b）。磁光克爾效應(yīng)儀測量到的信息來源于介質(zhì)上的光斑照射的區(qū)域，由于激光光束的束斑可聚焦到1 mm以下，這意味著采集到的信號主要來源局域磁性介質(zhì)。因此，為了得到應(yīng)力對磁光克爾效應(yīng)的調(diào)控規(guī)律，應(yīng)該對薄膜樣品進(jìn)行圖案化微納加工處理，從而得到單疇磁性單元，便于研究應(yīng)力調(diào)控磁光克爾效應(yīng)。

圖6 磁滯回線的矩形比隨拉伸應(yīng)變程度變化的關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

通過對磁光克爾效應(yīng)進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)縱向磁光克爾效應(yīng)信號的強(qiáng)度與磁性薄膜的磁化狀態(tài)密切相關(guān)，而應(yīng)力可以有效地調(diào)控柔性磁致伸縮FeGa薄膜中的磁化強(qiáng)度分布狀態(tài)，因此，柔性磁致伸縮圖案化薄膜是實(shí)現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控磁光克爾效應(yīng)的理想體系。利用自主設(shè)計(jì)的應(yīng)力拉伸裝置，測試了不同應(yīng)力狀態(tài)下柔性磁致伸縮FeGa薄膜的磁光克爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)eGa薄膜中的應(yīng)力狀態(tài)可以有效地調(diào)控薄膜中的磁光克爾效應(yīng)，從而為實(shí)現(xiàn)應(yīng)力調(diào)節(jié)的光路開關(guān)器件打下基礎(chǔ)。同時(shí)也為后續(xù)針對不同應(yīng)力作用條件下與磁光克爾效應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系建立提供幫助。