纳米尺度磁性薄膜材料的磁光特性研究

【摘要】近年来纳米技术作为产业革命主导技术已成为全世界的共识。进入21世纪,各国都把发展纳米技术作为未来政治、经济领域中最具有挑战性的关键技术之一近几年,随着电子器件的进一步小型化与亚微米甚至纳米技术的发展,一个跨越半导体和磁性材料的全新研究领域已成雏形,这个全新的领域称之为自旋电子学。以自旋电子学为基础的新型器件如高密度非易失性存储器、磁传感器、电隔离器等已经开始应用,正在研制的自旋晶体管和自旋量子计算机等也将有广阔的应用前景。未来自旋晶体管和自旋场效应管的材料基础是半导体-磁体混合系统,由于失配率低易生长,能够完成自旋极化电流从磁性薄膜到半导体的注入,砷化镓外延纳米铁膜成为半导体-磁体混合系统的代表,受到广泛的关注。当铁膜厚度减小,直至纳米级厚的纳米膜时,其结构和磁性将发生较大变化,表面层可强烈影响其磁性。迄今为止,对纳米铁膜磁各向异性的尺寸效应,尤其是非磁性表面层对其磁特性影响及其来源还远未搞清楚,国内外只有很少的研究聚焦在材料表面层对铁薄膜磁光及磁学性能的影响上。本来在铁薄膜上外延表面层只是为防止铁膜的氧化,保护铁磁薄膜的磁学特性。然而意大利的Madami研究小组在研究Cu覆盖的纳米铁膜磁学性质时,发现表面层Cu膜对纳米铁膜磁单轴各向异性较强烈的抑制作用,即使这种表面层只有0.2nm厚；另外,美国的Falco研究小组,多年从事纳米磁性薄膜的研究工作,他们也发现Al表面层抑制了纳米铁膜的磁各向异性,使铁膜的有效磁化强度变小；以上现象说明表面层已影响了磁性铁膜—半导体混合系统的磁学性质,也必将影响自旋极化电流的输运,是不能忽视的问题。这一问题的解决对于材料的生长和以后自旋晶体管的实现有重要意义。除了表面层之外,衬底材料也对铁薄膜的磁光性质有着很大的影响。在材料生长中,为了实现晶格匹配需要使用不同的衬底。当衬底材料为光学各向异性时,光在其表面的反射会变的十分复杂。当光束透过磁性层进入各向异性衬底时,由于材料光学各向异性的影响,会产生。光与e光两种透射光。这使得光在材料中传播的时候产生多束反射光,而且反射光的偏振态较为复杂。这导致了难以在实验中测量到偏振态的变化,而且理论上也没有对此种类型材料的分析方法。目前国内外对各向异性衬底材料对铁薄膜磁光及磁学性能的影响研究很少。而通过研究磁性薄膜-各向异性衬底界面的磁光性质,则可以揭示衬底各向异性对材料磁光特性的作用机理,丰富表面磁光技术的应用范围,并为自旋电子器件的制作与性能优化提供指导作用。随着电子器件的进一步小型化,IT行业有了很大的发展。但是目前无法解决电子芯片越变越小带来的热冷却问题,这一现状制约了IT行业的发展。而拓扑绝缘体材料在信息产业领域的应用则有望解决这一问题。拓扑绝缘体有很多独特的性质,它不同于传统意义上的绝缘体和金属,其体材料是有能隙的绝缘体,而其表面是无能隙的金属态。拓扑绝缘体材料(Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3)有体材料绝缘特性以及表面的金属特性,这些性质是由于材料内部奇数个的狄拉克锥决定的。当一束光入射到磁性材料表面时,会产生透射光与反射光。在外界磁场的作用下,反射光产生的偏振态变化被称为磁光克尔效应,透射光引起的偏振态变化称为法拉第效应。克尔效应与法拉第效应打破了材料内部的时间反演对称。当时间反演对称被打破后,在拓扑绝缘体的狄拉克点处会出现带隙,在材料表面会展现出强烈的磁电效应。而不同材料厚度、入射角、以及磁耦合强度等都会对拓扑绝缘体材料的宏观磁光特性产生影响。因此研究拓扑绝缘体材料的宏观磁光性质可以为工业应用中选择合适的材料生长厚度、磁耦合强度等参量提供参考作用。随着薄膜制备技术的发展,亚微米甚至纳米尺度薄膜的制备技术越来越成熟,纳米尺度的磁性薄膜材料应用也越来越广泛。在对纳米磁性材料研究时,除了对材料本身性质的表征外,对其表征技术与表征设备的研究也非常重要。磁光椭偏技术结合磁光克尔效应与椭偏技术,它实现了在一台仪器中对磁性材料磁光性质与光学性质的同时测量,可以同时测得磁光耦合系数与复折射率并给出材料的磁化方向。在使用磁光椭偏仪对纳米薄膜进行测试时,由于材料太薄导致了反射光偏振态的变化很小,其携带的磁致反射信号也就很小。这导致了信号信噪比较低,在实验中难以测得稳定的磁致信号。因此纳米薄膜的磁光椭偏技术面临着微弱信号检测以及提高信噪比两大问题。这些问题的解决可以提高磁光椭偏仪的测试能力,并进一步完善纳米薄膜的表征手段。如上文所述,磁性材料-半导体混合系统与拓扑绝缘体材料在未来电子器件领域有着重要的应用,而对磁性薄膜材料的表征技术的研究则会推动自旋电子器件等产品的发展。本文以嵌埋于半导体衬底和非磁性金属膜之间的纳米铁膜、拓扑绝缘体以及磁光椭偏技术为主要研究对象。研究了表面层、衬底材料以及入射角对磁性材料磁学性质的影响,通过对Al/Fe/GaAs纳米薄膜材料进行测试,讨论了表面层厚度以及材料对磁性薄膜磁学性质的影响。研究了拓扑绝缘体材料的宏观磁光性质,通过对拓扑绝缘体材料Bi2Te3与Bi2Se3进行数据模拟计算,分析了材料厚度、入射角以及磁耦合强度等对其磁光性质的影响。研制了一台磁光椭偏仪,实现了对纳米尺度薄膜材料的磁光性质测量。研究了入射角精度对磁光耦合系数测试精度的影响。通过对Ta/Fe/GaAs薄膜材料进行测试,研究了薄膜厚度对磁光耦合系数的影响。本文的主要内容有以下几个方面：第一、研究了三层膜结构纳米薄膜材料的磁光理论,并给出了该结构材料反射矩阵与纵向磁光偏转角的求解方法。利用该理论进行数据模拟计算,得到磁光偏转角与入射角以及覆盖层材料的关系,并通过数据拟合求得了该材料的磁光耦合系数。在完成理论模拟之后,使用磁光克尔效应仪对分子束外延法制备的覆盖层厚度不同的Al/Fe/GaAs纳米薄膜材料进行测试,测得该系列材料的磁光偏转角,即可得到磁光偏转角随表面层材料厚度变化的关系,结果显示表面层Al膜对纳米铁膜磁光效应较强烈的抑制作用,而且Al膜厚度越大抑制越强烈。该结论为在材料生长与实验测试中获得最大磁光偏转角提供了理论与实验指导。第二、研究了磁性材料/光学各向异性衬底结构材料的磁光理论,并使用该理论模拟了衬底介电张量的三个参数在决定磁光偏转角与入射角的关系时的重要作用。给出了磁光偏转角随介电张量三个参数εxεvεz的变化规律,这为材料生长制备时选择合适的衬底材料提供了参考依据。在此之后,将TiO2等光学各向异性晶体作为衬底,分别将其视为各向同性与各向异性材料进行数据模拟计算。数据模拟结果显示三个介电常数相差越大,其对磁光偏转角的计算影响就越大。以上结论表面衬底晶体的各向异性对薄膜磁光特性有的巨大影响。第三、研究了新型材料拓扑绝缘体的宏观磁光性质,通过对三维拓扑绝缘体材料Bi2Te3与Bi2Se3进行数据模拟计算,发现法拉第偏转角随频率变化曲线的峰值位置会受到磁场耦合强度的影响。对于克尔偏转角而言,它会受到材料厚度、磁耦合强度以及入射角的影响。除此之外,除去已被发现的低频区的-π/2的巨克尔偏转角之外,在非低频区域还有一个-π/2的巨克尔偏转角。对于Bi2Se3在非低频区域的克尔角显示出明显的红移现象。对比Bi2Te3与Bi2Se3两种材料的法拉第角与克尔角可以发现,二者的法拉第角基本相同,但Bi2Se3在非低频区域的巨克尔角的光谱范围则明显比Bi2Te3宽。第四、研制了一台磁光椭偏仪,解决了该仪器最关键的降低光源噪声与实现微弱信号检测的问题。通过将多层膜材料反射矩阵引入到磁光椭偏技术中,实现了对多层膜结构纳米磁性薄膜的磁光椭偏测试。利用该仪器对磁控溅射方法制备的Ta/Fe/GaAs三层膜材料进行了测试,研究发现磁光耦合系数具有厚度独立性,不会随着磁性材料的厚度变化而变化。第五、研究了入射角精度对磁光耦合系数精度的影响,通过将有不同误差值的入射角数据带入公式计算,发现入射角度微弱的变化会对磁光耦合系数造成较大的影响。磁光椭偏仪对入射角的精度要求非常高。当入射角度的误差达到1度时,磁光耦合系数的变化将达到9%。因此将改造的分光光度计引入该仪器,用以提供高精度的入射角度。本文对纳米尺度薄膜的磁光特性进行了研究,其创新性如下：1.研制了一台磁光椭偏仪,该仪器包括光源系统、光路系统、磁场系统、探测系统、控制与数据处理系统。通过锁相放大器处理信号可以有效的降低外界噪声对信号的影响并实现对微弱信号的检测。通过电脑编程编写控制软件,可以实现对积分时间与采集次数等参数的控制。通过软件可以控制数据采集与数据处理,降低数据噪声。使用该仪器对三层膜纳米磁性材料进行测试,研究了磁光耦合系数的厚度依赖性。结果显示磁光耦合系数与材料的厚度无关,为一个不会厚度变化的常数。2.研究了各向异性衬底对磁性薄膜的磁光性质的影响,给出了其磁光偏转角的理论求解方法,并使用此方法研究了衬底介电张量的三个参数在决定磁光偏转角与入射角的关系时的重要作用。结果显示衬底材料的ε,与εz在克尔角与入射角的关系中发挥着重要作用。研究了磁光偏转角随介电张量三个参数εxεyεz：的变化规律。结果显示当入射角确定后,三个介电参数εxεy在εz克尔角的确定中发挥着巨大的作用。εy决定了p态克尔偏转角随入射角变化曲线的峰值位置,通过改变εxεz则可以对其进行更准确的微调。3.研究了三层膜纳米材料的磁光效应,给出了不同覆盖层材料、覆盖层厚度以及入射角等对铁磁性薄膜的磁光特性的影响。研究结果表明表面层对磁铁—半导体混合系统的磁学性质有很大的影响,这为材料生长与性质分析提供了理论参考作用。
【作者】王晓；
【导师】连洁；
【作者基本信息】山东大学，光学工程，2014，博士
【关键词】磁光克尔效应；磁光椭偏技术；磁性纳米多层薄膜；拓扑绝缘体；

【参考文献】
[1]毕秋实.大型旋回破碎机腔形优化设计及离散元仿真验证[D].吉林大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[2]孙坤.妹岛和世建筑设计的解读及启示[D].东北师范大学,设计艺术学,2012,硕士.
[3]陈颂超,冯来磊,李硕,纪文君,史舟.基于局部加权回归的土壤全氮含量可见-近红外光谱反演[J].土壤学报,2015,02:312-320.
[4]刘兴,李越湘,彭绍琴,赖华.染料敏化可见光催化制氢研究进展[J].物理化学学报,2015,04:612-626.
[5]龚斌.基于超节点与B+树的动态分层P2P系统研究[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[6]刘利茹.土改小说再解读[D].河北师范大学,中国现当代文学,2012,硕士.
[7]夏元清,贾英民.一类含未建模动态和时滞系统的鲁棒二次镇定[J].控制与决策,2001,05:602-604+620.
[8]林经伟.构建外汇管理信息化平台为体制改革保驾护航[J].金融电子化,2005,02:16-20.
[9]宋文尚.四种冠修复材料与牙釉质磨耗磨损性能的对比研究[D].河北医科大学,口腔基础医学,2014,硕士.
[10]邓北星,SALozhkin.基于Neuman故障源的实故障源模型[J].控制与决策,2000,06:716-718.
[11]沈红梅.语文教学与思维训练[D].上海师范大学,学科教学论,2004,硕士.
[12]谢天琪.辽宁阜新“战国红”玛瑙致色机理及结构成因研究[D].中国地质大学（北京）,矿物学岩石学矿床学,2014,硕士.
[13]李韬.社会建设中的基本理论与问题研究[D].南京师范大学,社会学,2012,硕士.
[14]陈小惠.中国出口贸易技术水平及其决定因素[D].华中科技大学,国际贸易学,2012,硕士.
[15]张小倩.南沙参多糖的提取、降解优化及其单糖组成分析[D].河北大学,药物分析学,2014,硕士.
[16]王薇.化纤车间自动化包装物流系统建模与仿真分析[D].机械科学研究总院,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[17]李卫忠,SalehA.Al-Maghlouth,AdnanHashem,唐文榜,王达远.基于模型的复杂地表区静校正方法[J].石油地球物理勘探,2010,06:797-801+936+783.
[18]王振玉.初级对外汉语课堂教师提问的分析[D].山东师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[19]金兰.商务网站广告发布模块的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2013,硕士.
[20]程志友,梁栋,王年,韦穗.一种快速暂态电能质量扰动定位方法[J].电力系统自动化,2007,12:73-76.
[21]董冉功.科学思维中的隐喻研究[D].东华大学,科学技术哲学,2004,硕士.
[22]徐佳壹.我国上市公司销管费率的信息含量研究[D].吉林财经大学,会计学,2014,硕士.
[23]唐瑗彬.对外汉语高级写作教材的对比研究[D].广西师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[24]赵琪.稀土掺杂铈酸盐系光致发光材料的制备与性能研究[D].陕西科技大学,应用化学,2013,硕士.
[25]任美芳.益肾通络方对膜性肾病大鼠的肾保护作用以及对肾组织Nephrin mRNA、Podocin mRNA表达的影响[D].河北医科大学,中医内科学,2013,硕士.
[26]彩霞.高密度电子封装可靠性研究[D].中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）,2002.
[27]王家海.从头算法研究C_2（～1∑_g～+，～3∏_u）与H_2O，H_2S的反应机理[D].中国科学院研究生院（大连化学物理研究所）,物理化学,2003,硕士.
[28]倪婷.基本农田划定决策模型研究[D].南京师范大学,地图学与地理信息系统,2012,硕士.
[29]孙艳艳.浅谈音乐表演者应具备的几个心理素养[D].南京艺术学院,2004,硕士.
[30]金龙.BC医药有限公司销售人员绩效考核研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[31]王纯子.界面附近金属纳米颗粒的表面等离子体特征及其应用[D].厦门大学,微电子学与固体电子学,2014,硕士.
[32]盈利.创意产业集群网络结构研究[D].北京交通大学,2008.
[33]董芳菲.通用报表处理工具的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[34]陈炜.低比转数离心泵内流模拟和结构优化[D].浙江大学,2007.
[35]于银山.低信噪比环境下超高频RFID系统建模与抗干扰研究[D].南京航空航天大学,物理电子学,2012,硕士.
[36]万俊,邢焕革,张晓晖.基于熵理论的多属性群决策专家权重的调整算法[J].控制与决策,2010,06:907-910.
[37]王从辉.区域性装修行业信息平台的设计与实现[D].安徽大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[38]王宗柱.基于SWOT分析的云南省农村资金互助社发展问题及模式研究[D].云南财经大学,金融（专业学位）,2014,硕士.
[39]郝亮.人机工程在IT产品造型设计中的应用研究[D].中北大学,控制工程,2013,硕士.
[40]刘宾.支持文本属性和数值属性的关系Top-N查询处理[D].河北大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[41]范春影.微萃取技术在药物分配系数及微量金属离子分析中的应用[D].郑州大学,无机化学,2013,硕士.
[42]钟炜.流域梯级水电站联合优化调度辅助决策系统研究[D].天津大学,2007.
[43]常春雷.留言分发系统平台及其语博设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[44]王咏源.基于客户价值创造的客户关系研究[D].天津大学,企业管理,2004,硕士.
[45]李超.Ga_2O_3复合体系的结构和光学特性的理论与实验研究[D].鲁东大学,原子与分子物理,2013,硕士.
[46]胡韬.脲醛树脂胶黏剂的改性研究[D].东北大学,应用化学,2010,硕士.
[47]刘颖.论无痕语文教学之“痕”[D].湖南师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[48]郑碧君.独立学院英语专业学生自主学习能力的培养[D].华中师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[49]赛江涛.乡村旅游中的文化素材及其表达[D].北京林业大学,2005.
[50]宋长红.U(2)×U(2)线性σ模型的动力学产生[D].辽宁师范大学,理论物理,2012,硕士.