本文選題：磁光克爾效應(yīng) + 磁光橢偏技術(shù)��； 參考：《山東大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：近年來納米技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)革命主導(dǎo)技術(shù)已成為全世界的共識(shí)。進(jìn)入21世紀(jì),各國(guó)都把發(fā)展納米技術(shù)作為未來政治、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中最具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)之一近幾年,隨著電子器件的進(jìn)一步小型化與亞微米甚至納米技術(shù)的發(fā)展,一個(gè)跨越半導(dǎo)體和磁性材料的全新研究領(lǐng)域已成雛形,這個(gè)全新的領(lǐng)域稱之為自旋電子學(xué)。以自旋電子學(xué)為基礎(chǔ)的新型器件如高密度非易失性存儲(chǔ)器、磁傳感器、電隔離器等已經(jīng)開始應(yīng)用,正在研制的自旋晶體管和自旋量子計(jì)算機(jī)等也將有廣闊的應(yīng)用前景。 未來自旋晶體管和自旋場(chǎng)效應(yīng)管的材料基礎(chǔ)是半導(dǎo)體-磁體混合系統(tǒng),由于失配率低易生長(zhǎng),能夠完成自旋極化電流從磁性薄膜到半導(dǎo)體的注入,砷化鎵外延納米鐵膜成為半導(dǎo)體-磁體混合系統(tǒng)的代表,受到廣泛的關(guān)注。當(dāng)鐵膜厚度減小,直至納米級(jí)厚的納米膜時(shí),其結(jié)構(gòu)和磁性將發(fā)生較大變化,表面層可強(qiáng)烈影響其磁性。迄今為止,對(duì)納米鐵膜磁各向異性的尺寸效應(yīng),尤其是非磁性表面層對(duì)其磁特性影響及其來源還遠(yuǎn)未搞清楚,國(guó)內(nèi)外只有很少的研究聚焦在材料表面層對(duì)鐵薄膜磁光及磁學(xué)性能的影響上。本來在鐵薄膜上外延表面層只是為防止鐵膜的氧化,保護(hù)鐵磁薄膜的磁學(xué)特性。然而意大利的Madami研究小組在研究Cu覆蓋的納米鐵膜磁學(xué)性質(zhì)時(shí),發(fā)現(xiàn)表面層Cu膜對(duì)納米鐵膜磁單軸各向異性較強(qiáng)烈的抑制作用,即使這種表面層只有0.2nm厚；另外,美國(guó)的Falco研究小組,多年從事納米磁性薄膜的研究工作,他們也發(fā)現(xiàn)Al表面層抑制了納米鐵膜的磁各向異性,使鐵膜的有效磁化強(qiáng)度變�。灰陨犀F(xiàn)象說明表面層已影響了磁性鐵膜—半導(dǎo)體混合系統(tǒng)的磁學(xué)性質(zhì),也必將影響自旋極化電流的輸運(yùn),是不能忽視的問題。這一問題的解決對(duì)于材料的生長(zhǎng)和以后自旋晶體管的實(shí)現(xiàn)有重要意義。 除了表面層之外,襯底材料也對(duì)鐵薄膜的磁光性質(zhì)有著很大的影響。在材料生長(zhǎng)中,為了實(shí)現(xiàn)晶格匹配需要使用不同的襯底。當(dāng)襯底材料為光學(xué)各向異性時(shí),光在其表面的反射會(huì)變的十分復(fù)雜。當(dāng)光束透過磁性層進(jìn)入各向異性襯底時(shí),由于材料光學(xué)各向異性的影響,會(huì)產(chǎn)生。光與e光兩種透射光。這使得光在材料中傳播的時(shí)候產(chǎn)生多束反射光,而且反射光的偏振態(tài)較為復(fù)雜。這導(dǎo)致了難以在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到偏振態(tài)的變化,而且理論上也沒有對(duì)此種類型材料的分析方法。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)各向異性襯底材料對(duì)鐵薄膜磁光及磁學(xué)性能的影響研究很少。而通過研究磁性薄膜-各向異性襯底界面的磁光性質(zhì),則可以揭示襯底各向異性對(duì)材料磁光特性的作用機(jī)理,豐富表面磁光技術(shù)的應(yīng)用范圍,并為自旋電子器件的制作與性能優(yōu)化提供指導(dǎo)作用。 隨著電子器件的進(jìn)一步小型化,IT行業(yè)有了很大的發(fā)展。但是目前無法解決電子芯片越變?cè)叫淼臒崂鋮s問題,這一現(xiàn)狀制約了IT行業(yè)的發(fā)展。而拓?fù)浣^緣體材料在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用則有望解決這一問題。拓?fù)浣^緣體有很多獨(dú)特的性質(zhì),它不同于傳統(tǒng)意義上的絕緣體和金屬,其體材料是有能隙的絕緣體,而其表面是無能隙的金屬態(tài)。拓?fù)浣^緣體材料(Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3)有體材料絕緣特性以及表面的金屬特性,這些性質(zhì)是由于材料內(nèi)部奇數(shù)個(gè)的狄拉克錐決定的。當(dāng)一束光入射到磁性材料表面時(shí),會(huì)產(chǎn)生透射光與反射光。在外界磁場(chǎng)的作用下,反射光產(chǎn)生的偏振態(tài)變化被稱為磁光克爾效應(yīng),透射光引起的偏振態(tài)變化稱為法拉第效應(yīng)�？藸栃�(yīng)與法拉第效應(yīng)打破了材料內(nèi)部的時(shí)間反演對(duì)稱。當(dāng)時(shí)間反演對(duì)稱被打破后,在拓?fù)浣^緣體的狄拉克點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)帶隙,在材料表面會(huì)展現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁電效應(yīng)。而不同材料厚度、入射角、以及磁耦合強(qiáng)度等都會(huì)對(duì)拓?fù)浣^緣體材料的宏觀磁光特性產(chǎn)生影響。因此研究拓?fù)浣^緣體材料的宏觀磁光性質(zhì)可以為工業(yè)應(yīng)用中選擇合適的材料生長(zhǎng)厚度、磁耦合強(qiáng)度等參量提供參考作用。 隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展,亞微米甚至納米尺度薄膜的制備技術(shù)越來越成熟,納米尺度的磁性薄膜材料應(yīng)用也越來越廣泛。在對(duì)納米磁性材料研究時(shí),除了對(duì)材料本身性質(zhì)的表征外,對(duì)其表征技術(shù)與表征設(shè)備的研究也非常重要。磁光橢偏技術(shù)結(jié)合磁光克爾效應(yīng)與橢偏技術(shù),它實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)儀器中對(duì)磁性材料磁光性質(zhì)與光學(xué)性質(zhì)的同時(shí)測(cè)量,可以同時(shí)測(cè)得磁光耦合系數(shù)與復(fù)折射率并給出材料的磁化方向。在使用磁光橢偏儀對(duì)納米薄膜進(jìn)行測(cè)試時(shí),由于材料太薄導(dǎo)致了反射光偏振態(tài)的變化很小,其攜帶的磁致反射信號(hào)也就很小。這導(dǎo)致了信號(hào)信噪比較低,在實(shí)驗(yàn)中難以測(cè)得穩(wěn)定的磁致信號(hào)。因此納米薄膜的磁光橢偏技術(shù)面臨著微弱信號(hào)檢測(cè)以及提高信噪比兩大問題。這些問題的解決可以提高磁光橢偏儀的測(cè)試能力,并進(jìn)一步完善納米薄膜的表征手段。 如上文所述,磁性材料-半導(dǎo)體混合系統(tǒng)與拓?fù)浣^緣體材料在未來電子器件領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,而對(duì)磁性薄膜材料的表征技術(shù)的研究則會(huì)推動(dòng)自旋電子器件等產(chǎn)品的發(fā)展。本文以嵌埋于半導(dǎo)體襯底和非磁性金屬膜之間的納米鐵膜、拓?fù)浣^緣體以及磁光橢偏技術(shù)為主要研究對(duì)象。研究了表面層、襯底材料以及入射角對(duì)磁性材料磁學(xué)性質(zhì)的影響,通過對(duì)Al/Fe/GaAs納米薄膜材料進(jìn)行測(cè)試,討論了表面層厚度以及材料對(duì)磁性薄膜磁學(xué)性質(zhì)的影響。研究了拓?fù)浣^緣體材料的宏觀磁光性質(zhì),通過對(duì)拓?fù)浣^緣體材料Bi2Te3與Bi2Se3進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算,分析了材料厚度、入射角以及磁耦合強(qiáng)度等對(duì)其磁光性質(zhì)的影響。研制了一臺(tái)磁光橢偏儀,實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米尺度薄膜材料的磁光性質(zhì)測(cè)量。研究了入射角精度對(duì)磁光耦合系數(shù)測(cè)試精度的影響。通過對(duì)Ta/Fe/GaAs薄膜材料進(jìn)行測(cè)試,研究了薄膜厚度對(duì)磁光耦合系數(shù)的影響。本文的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 第一、研究了三層膜結(jié)構(gòu)納米薄膜材料的磁光理論,并給出了該結(jié)構(gòu)材料反射矩陣與縱向磁光偏轉(zhuǎn)角的求解方法。利用該理論進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算,得到磁光偏轉(zhuǎn)角與入射角以及覆蓋層材料的關(guān)系,并通過數(shù)據(jù)擬合求得了該材料的磁光耦合系數(shù)。在完成理論模擬之后,使用磁光克爾效應(yīng)儀對(duì)分子束外延法制備的覆蓋層厚度不同的Al/Fe/GaAs納米薄膜材料進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得該系列材料的磁光偏轉(zhuǎn)角,即可得到磁光偏轉(zhuǎn)角隨表面層材料厚度變化的關(guān)系,結(jié)果顯示表面層Al膜對(duì)納米鐵膜磁光效應(yīng)較強(qiáng)烈的抑制作用,而且Al膜厚度越大抑制越強(qiáng)烈。該結(jié)論為在材料生長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試中獲得最大磁光偏轉(zhuǎn)角提供了理論與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。 第二、研究了磁性材料/光學(xué)各向異性襯底結(jié)構(gòu)材料的磁光理論,并使用該理論模擬了襯底介電張量的三個(gè)參數(shù)在決定磁光偏轉(zhuǎn)角與入射角的關(guān)系時(shí)的重要作用。給出了磁光偏轉(zhuǎn)角隨介電張量三個(gè)參數(shù)εx εv εz的變化規(guī)律,這為材料生長(zhǎng)制備時(shí)選擇合適的襯底材料提供了參考依據(jù)。在此之后,將TiO2等光學(xué)各向異性晶體作為襯底,分別將其視為各向同性與各向異性材料進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算。數(shù)據(jù)模擬結(jié)果顯示三個(gè)介電常數(shù)相差越大,其對(duì)磁光偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算影響就越大。以上結(jié)論表面襯底晶體的各向異性對(duì)薄膜磁光特性有的巨大影響。 第三、研究了新型材料拓?fù)浣^緣體的宏觀磁光性質(zhì),通過對(duì)三維拓?fù)浣^緣體材料Bi2Te3與Bi2Se3進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)法拉第偏轉(zhuǎn)角隨頻率變化曲線的峰值位置會(huì)受到磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度的影響。對(duì)于克爾偏轉(zhuǎn)角而言,它會(huì)受到材料厚度、磁耦合強(qiáng)度以及入射角的影響。除此之外,除去已被發(fā)現(xiàn)的低頻區(qū)的-π/2的巨克爾偏轉(zhuǎn)角之外,在非低頻區(qū)域還有一個(gè)-π/2的巨克爾偏轉(zhuǎn)角。對(duì)于Bi2Se3在非低頻區(qū)域的克爾角顯示出明顯的紅移現(xiàn)象。對(duì)比Bi2Te3與Bi2Se3兩種材料的法拉第角與克爾角可以發(fā)現(xiàn),二者的法拉第角基本相同,但Bi2Se3在非低頻區(qū)域的巨克爾角的光譜范圍則明顯比Bi2Te3寬。 第四、研制了一臺(tái)磁光橢偏儀,解決了該儀器最關(guān)鍵的降低光源噪聲與實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)的問題。通過將多層膜材料反射矩陣引入到磁光橢偏技術(shù)中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)納米磁性薄膜的磁光橢偏測(cè)試。利用該儀器對(duì)磁控濺射方法制備的Ta/Fe/GaAs三層膜材料進(jìn)行了測(cè)試,研究發(fā)現(xiàn)磁光耦合系數(shù)具有厚度獨(dú)立性,不會(huì)隨著磁性材料的厚度變化而變化。 第五、研究了入射角精度對(duì)磁光耦合系數(shù)精度的影響,通過將有不同誤差值的入射角數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算,發(fā)現(xiàn)入射角度微弱的變化會(huì)對(duì)磁光耦合系數(shù)造成較大的影響。磁光橢偏儀對(duì)入射角的精度要求非常高。當(dāng)入射角度的誤差達(dá)到1度時(shí),磁光耦合系數(shù)的變化將達(dá)到9%。因此將改造的分光光度計(jì)引入該儀器,用以提供高精度的入射角度。 本文對(duì)納米尺度薄膜的磁光特性進(jìn)行了研究,其創(chuàng)新性如下： 1.研制了一臺(tái)磁光橢偏儀,該儀器包括光源系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過鎖相放大器處理信號(hào)可以有效的降低外界噪聲對(duì)信號(hào)的影響并實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。通過電腦編程編寫控制軟件,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)積分時(shí)間與采集次數(shù)等參數(shù)的控制。通過軟件可以控制數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理,降低數(shù)據(jù)噪聲。使用該儀器對(duì)三層膜納米磁性材料進(jìn)行測(cè)試,研究了磁光耦合系數(shù)的厚度依賴性。結(jié)果顯示磁光耦合系數(shù)與材料的厚度無關(guān),為一個(gè)不會(huì)厚度變化的常數(shù)。 2.研究了各向異性襯底對(duì)磁性薄膜的磁光性質(zhì)的影響,給出了其磁光偏轉(zhuǎn)角的理論求解方法,并使用此方法研究了襯底介電張量的三個(gè)參數(shù)在決定磁光偏轉(zhuǎn)角與入射角的關(guān)系時(shí)的重要作用。結(jié)果顯示襯底材料的ε,與εz在克爾角與入射角的關(guān)系中發(fā)揮著重要作用。研究了磁光偏轉(zhuǎn)角隨介電張量三個(gè)參數(shù)εx εy εz：的變化規(guī)律。結(jié)果顯示當(dāng)入射角確定后,三個(gè)介電參數(shù)εxεy在εz克爾角的確定中發(fā)揮著巨大的作用。εy決定了p態(tài)克爾偏轉(zhuǎn)角隨入射角變化曲線的峰值位置,通過改變?chǔ)舩 εz則可以對(duì)其進(jìn)行更準(zhǔn)確的微調(diào)。 3.研究了三層膜納米材料的磁光效應(yīng),給出了不同覆蓋層材料、覆蓋層厚度以及入射角等對(duì)鐵磁性薄膜的磁光特性的影響。研究結(jié)果表明表面層對(duì)磁鐵—半導(dǎo)體混合系統(tǒng)的磁學(xué)性質(zhì)有很大的影響,這為材料生長(zhǎng)與性質(zhì)分析提供了理論參考作用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O484.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1768576