表面磁光科尔效应

表面磁光克尔效应(SMOKE)

一、磁光效应简介

1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，即当外加磁场在玻璃样品上时，透射光的偏极面发生旋转的效应（法拉第效应）；随后他在外加磁场之金属表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从拋光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光科尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader 两位学者研究了生长在Au单晶(100)面上的Fe单晶超薄膜的磁光克尔效应测量实验，成功地得到一个原子层厚度磁性物质的磁滞曲线，并且提出了以SMOKE 来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示磁光克尔效应在表面磁学上的研究。这是SMOKE首次被用于研究在Au（0 0 1）表面外延生长的Fe超薄膜的磁学性质。由于SMOKE所表现出的亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系统结合的特点，使它在近些年已经发展成为一种重要的和常规的研究薄膜磁学性质的技术。它被广泛应用于研究表面超薄膜的磁有序、磁性相变、磁各向异性，以及层间耦合等多种磁学现象。同时SMOKE在商业上还被应用于商用高密度的磁光存储技术。

SMOKE的优点：

和别的磁性测量手段相比，SMOKE具有四个优点：

1) SMOKE的灵敏度极高。国际上现在通用的SMOKE测量装置其探测灵敏度可以达到亚原子层的磁性，这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着

重要地位。

2) SMOKE测量是一种无损伤测量。探测用的“探针”是可见光束，因此不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利。

3) SMOKE 可以测量局域磁性。由于SMOKE测量到的信息来源于被测介质上的光斑照射点，这意味着SMOKE可以对样品上最小的光斑尺寸范围作局域磁性测量。这一点是其它磁性测量手段，诸如振动样品强度计、超导量子干涉磁强计、铁磁共振等无法比拟的。在磁性超薄膜的研究中，样品的制备是一个周期较长而代价昂贵的过程。人们曾经实现在同一块样品上根据生长时间不同制备出厚度不等的契型磁性薄膜，这样从一块样品上就能得到不同厚度样品的磁学信息，从而大大提高实验效率。无疑，SMOKE的局域测量特点使它成为研究这类不均匀样品的最好工具。

4) SMOKE系统的结构比较简单，易于实现样品原位制备和测量一体化。相对其它的磁性测量手段，SMOKE系统的结构比较简单，易于和别的实验设备诸如超高真空设备相连，这一点有助于提高它的功能并扩展其研究领域。

克尔效应（Kerr effect）的应用：

1.磁化行为测量（由纵向、横向和极向三种测量位形）

2.原位磁畴结构观测（用磁光克尔显微镜）

3.动态磁化过程

4.磁光存储器读头

5.磁光隔离器（反射型）

6.磁场强度测量

二、表面磁光克尔效应原理

一束线偏振光入射到磁化了的介质表面时,反射光一般是椭圆偏振光， 以椭圆的长轴来标记反射光的 “偏振面”， 这偏振面相对入射光的偏振面会旋转一定的角度， 这转角与介质的磁化有关,这就是磁光克尔(Kerr)效应,其中转角叫做克尔角。

磁光克尔(Kerr)效应可用电磁学知识定性地解释如下:

假设真空中的电子在电场作用下沿x 方向,在z 方向加一个磁场,在洛伦兹力的作用下,该电子将产生沿y 方向的运动.光线是一种频率很高的周期变化的电磁场.因此,对于固体材料来说,当一束沿x 方向偏振的光线入射到固体的表面,同时在z 方向加一个磁场,使固体受到磁化,那么原本在外电场作用下作周期运动的电子就会产生一个微小的沿y 方向运动的分量.这时,如果仔细测量反射光的偏振态,就会发现除了有原来很纯的x 方向的偏振外,还多了一个y 分量,即偏振方向有一个微小的旋转,旋转角(克尔角)可近似表示为y 和x 分量的比值.通常,只有易于磁化的材料,即含有稀土和过渡金属元素的材料才显现出较强的磁光效应.

在进行超薄膜磁性量测时，磁光克尔效应有三种常用测量位形：外加磁场沿样品表面且平行激光入射面称为纵向(longitudinal)磁光克尔效应；外加磁场（沿样品表面）垂直于入射面称为横向（transverse ）磁光克尔效应；外加磁场垂直样品表面（平行激光入射面）称为极向(polar)磁光克尔效应。如图一所示。

图一 Kerr 效应的三种情况

下面定量介绍磁光克尔效应信号的测量原理。在此将以一膜面在xy 平面上的磁性超晶格薄膜为例加以介绍。物质的介电性质可由一个3x3张量ε

~表示，薄膜介电张量ε~可写为 []ε~ =ε0⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---111x y x z

y z iQ iQ iQ iQ iQ iQ (1)，

其中ε0为介电常数，Q=(Q x , Q y , Q z )为磁光Voigt 向量，或称Voigt 向量，在一阶近似情况

下，Q 与铁磁性物质的磁化强度M 成正比，而非铁磁性物质的Q 为零。假设E p (i)为p 波入射

光，经由适当的变换，可以求得磁光效应中的重要参数r pp =E p (r)/E p (i)与r sp =E s (r)/E p (i)，定义复

数克尔旋转角为

ψp ≡ r s p /r p p = E s (r )/E p (r )

=(2)，其中n i、n f为折射率，θi、θf为起始介质的入射角与后来介质的折射角，由公式(2)可知ψp是由磁性层厚度d m与Voigt常数Q m相乘后叠加而来，而与其中的非磁性层无关，所以在磁性超薄膜研究中可以得到当磁性物质Q值不变的情况下，磁光克尔效应信号与磁性层厚度成正比。由于可见光在金属中的趋肤深度λ(skin depth)约为2、3百埃左右，对于厚度仅几个原子层的超薄膜而言，磁光克尔效应信号确与磁性层厚度成正比，但是当薄膜厚度超过此深度λ时，磁光克尔效应信号则需要考虑趋肤深度修正(~e-d/λ)。

由理论部份我们得知克尔旋转角θK及克尔椭圆率εK正比于样品的磁化强度，藉由测量克尔旋转角或克尔椭圆率与外加磁场间的函数关系，便可画出磁滞曲线（magnetic hysteresis loop）。实验上常会使用检偏器在一小偏转角情况下，测量反射光强度变化，以求得克尔旋转角与椭圆率。定义检偏器转至平行s波方向时的角度为0o，然后调整一小角度δ (δ≈0o)，由于克尔旋转角很小，因此反射光在s波方向的分量远小于在p波方向的分量，所以E S<

=(3)，

其中为光电探测器所测量到的未磁化样品的反射光强度，式(3)移项后可得

(4)。

由式(4)可知θK与反射光的强度变化∆I成正比，所以实验上是以反射光的强度变化来代表克尔旋转角的变化，并将∆I与外加磁场作图以求得磁滞曲线。当要测量克尔椭圆率εK时，只要在检偏器前方放置一个四分之一玻片(quarter-wave plate)，它可以产生π/2的相位差，所以检偏器看到I(θK+ iεK)= -εK+ iθK，而不是θK+ iεK，因此测量到的信号是克尔椭圆率。

两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区分正负克尔旋转角，若两个偏振方向设置在消光位置（如一），无论反射光偏振面是顺时针旋转还是逆时针旋转，反映在光强的变化上都是强度增大，这样无法区分偏振面的正负旋转方向也就无法判断样品的磁化方向。当两个偏振方向之间有一个小的角度Ø时（如二），通过检偏棱镜的光线有一个本底光强Io,反射光偏振面旋转方向和Ø同向时光强增大，反向时光强减小，这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来区分。