柔性磁致伸縮FeGa薄膜中磁光克爾效應的應力調控

代國紅， 許藝鏵， 沈 云， 韓道福， 鄧曉華，c

（南昌大學a.理學院；b.高等研究院；c.空間科學與技術研究院，南昌330031）

0 引 言

磁光克爾效應（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的物質表面時，由于左旋和右旋圓偏振光在材料中傳播速率不同而產生相位差，導致其反射光的偏振面相對于入射光的偏振面發生了旋轉，轉變為橢圓偏振光的現象?？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構。Michael發現線偏振光的偏振面在透射處于磁場中的介質后會發生旋轉［1］。John研究偏振光在經拋光后的電磁鐵磁極反射時發現反射光也存在類似現象［2］，即為磁光克爾效應。MOKE在探測磁性物質時具有極高的靈敏度，所以大量地應用到表面磁學的研究中。此外，磁光效應在稀磁半導體、磁光開光、磁光存儲、光子器件等領域內均得到了廣泛的應用［3-5］。目前，具有大磁光效應的晶體廣泛應用于光隔離器（法拉第旋轉器、光環行器）、模式轉換波導和光數據存儲中［6］。同時，注意到利用MOKE在對應力的測量上有著重要的應用前景：綜合考慮磁疇的運動規律、磁光克爾成像和磁光薄膜成像技術，成功實現了磁無損應力檢測［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械延展性［8］，可以對其施加拉或壓應力，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性能的重要曲線［10-11］，是工程領域制造和選擇磁性材料的重要參考依據［12-13］。本文通過材料的形變來描述材料受到的應力，由拉伸裝置產生應力，通過MOKE繪出材料的磁滯回線并分析隨著材料受到應力的變化其矯頑力發生的變化，并計算出不同應力條件下材料的剩磁比，實現由應力對材料的MOKE的調控。

1 磁光克爾效應原理

表面磁性以及由數個原子層所構成的超薄膜和多層膜磁性，是當今凝聚態物理領域中的一個極其重要的研究熱點。表面MOKE譜作為一種非常重要的超薄膜磁性原位測量的實驗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可根據磁化強度M與介質表面方向的不同分為極向克爾效應、橫向克爾效應和縱向克爾效應［14］，如圖1所示。

圖1 MOKE的3種克爾效應

由于縱向磁光克爾效應較為明顯［15］，選用縱向克爾效應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，飽和磁化強度一般平行于薄膜表面方向。首先使用激光發射器產生一束激光，經偏振片后可得到一束偏振光，偏振光經磁性薄膜反射后，其偏振方向會有一個較小的旋轉，其角度大小即為克爾轉角θk，θk由檢偏器檢測。通過應力拉伸裝置對磁性薄膜施加應力使其發生形變，通過MOKE可繪出薄膜的磁滯回線。實驗裝置原理如圖2所示。

圖2 磁光克爾效應原理圖

由激光器產生一束激光，經起偏器后得到一束偏振光，設其為p偏振光，當光線被樣品反射時，反射光的電場矢量中存在一個很小的垂直于Ep的Es，其中Ep和Es滿足Ep?Es。在一階近似條件下有：

通過檢偏器的光強為

將式（1）代入式（2）中，計算可得：

當δ趨向于0時，可近似為小量近似（省略二階及以上的小量）后得：

移項得到樣品達磁飽和狀態下克爾旋轉角

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計算得到，這3個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都是磁化強度M的函數，且θk近似正比于M，所以可通過對光強的測量得到磁化強度得相對值，通過改變外加磁場，即得到磁滯回線。實際測量時，測量磁滯回線中正向飽和時得克爾旋轉角θ+k和反向飽和時得克爾旋轉角θ-k，那么θk為

通過對MOKE理論分析，發現縱向磁光克爾效應信號的強度與磁性薄膜的磁化狀態密切相關，而應力可以有效地調控柔性磁致伸縮FeGa薄膜中的磁化強度分布狀態，因此，可以實現應力調控磁光克爾效應。

2 應力拉伸裝置

為了研究應力對磁光克爾信號的調控規律，設計了一款應力拉伸裝置，如圖3所示。考慮到應力拉伸裝置需要在磁場環境下工作，因此，整個拉伸裝置采用黃銅材質構成，確保裝置不影響磁場分布，該裝置在磁光克爾效應儀測試的過程中施加應力場，研究應力場、磁場共同作用時薄膜磁性的變化。如圖3所示，該裝置利用測微頭旋轉所產生的位移來改變薄膜兩固定端的間距，從而在薄膜中產生張應變，對薄膜施加拉伸應變的位移精度可達0.01 mm。除了可以研究拉伸應力作用下磁性薄膜的磁性調控規律外（見圖4），該裝置還可以用來研究應力場作用下的其他物理現象，如電輸運行為、光伏效應等。

圖3 應力拉伸實驗裝置實物圖

圖4 拉伸裝置在磁光克爾測試系統中的應用

3 實驗結果和討論

分別沿柔性FeGa薄膜的難磁化軸和易磁化軸對其施加應力，在不同的應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力，使其產生0%、0.22%、0.56%、0.67%、0.78%的應變后，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力，使樣品薄膜產生0%、0.24%、0.37%、0.49%的應變后，測的其磁滯回線如圖5（b）所示。由圖5可以看出，拉伸應力對磁滯回線的矩形比Mr/Ms有明顯的調控作用，飽和磁化強度在應力的作用下發生轉動，磁矩與入射激光的偏振面之間的夾角發生變化，由式（8）知，應力對反射光的強度產生調控作用。分別對沿難磁化軸和易磁化軸這兩種拉伸情況下，應力對磁滯回線的矩形比進行調控，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

計算樣品薄膜的磁滯回線矩形比Rs。處理實驗數據過程計算Mr時，取磁滯回線與y軸上下兩交點的y坐標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，當拉伸應力垂直于難磁化方向，張應變從0增加到0.22%時，Rs從0.17增加為0.81，而當張應變從0.22%繼續增大到0.78%時，Rs從0.81下降為0.59；而當拉伸應力垂直易磁化方向，張應變從0增加到0.24%時，Rs從0.92降為0.28，當張應變從0.24%繼續增大到0.49%時，Rs從0.28上升為0.34，見圖6（b）。磁光克爾效應儀測量到的信息來源于介質上的光斑照射的區域，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。因此，為了得到應力對磁光克爾效應的調控規律，應該對薄膜樣品進行圖案化微納加工處理，從而得到單疇磁性單元，便于研究應力調控磁光克爾效應。

圖6 磁滯回線的矩形比隨拉伸應變程度變化的關系曲線

4 結 語

通過對磁光克爾效應進行理論分析，發現縱向磁光克爾效應信號的強度與磁性薄膜的磁化狀態密切相關，而應力可以有效地調控柔性磁致伸縮FeGa薄膜中的磁化強度分布狀態，因此，柔性磁致伸縮圖案化薄膜是實現應力調控磁光克爾效應的理想體系。利用自主設計的應力拉伸裝置，測試了不同應力狀態下柔性磁致伸縮FeGa薄膜的磁光克爾效應。實驗結果表明，FeGa薄膜中的應力狀態可以有效地調控薄膜中的磁光克爾效應，從而為實現應力調節的光路開關器件打下基礎。同時也為后續針對不同應力作用條件下與磁光克爾效應強度的關系建立提供幫助。