（凝聚态物理专业论文）磁性金属超薄膜的结构和磁性研究.pdf

摘要 i 如d 7 3 嵩聪l 金星整藻堪毽灶是目前凝聚态物理研究领域中的热点问题之一。 ( 这方面的研究有助于深入了解金属磁性的本质，同时为磁电子学的 发展提供理论根据。鉴于此本文选择( 了几个有意蝴课题o t 行- t 研究，得到一些有意义的结剩：7 ) 利用铁磁反铁磁之间的磁交换偏置效应，对在g a a s ( 0 0 1 ) 表面 上外延生长的面心立方( f c c ) 结构m n 的磁性进行了测定。厂结果 表明，它是n 6 e 1 温度在5 1o k 以上的反铁磁材料。) t 2 ) 对有争议的c o 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延结构和磁性进行了仔细研 究，得到了一个清晰的物理图像。fc o 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延生长 可分为三个阶段：第一阶段形成的是体心立方( b c c ) 结构c o 的外 延生长；然后是b c c 结构与六角密堆积( h c p ) 结构c o 共存的中问 过程；第三阶段形成的的h c p 双畴结构。对于第一阶段b c c 结构 的c o 膜，具有四度对称的各向异性，易轴处于 方向。对于 后两个阶段的c o 膜，其磁各向异性强烈地依赖于生长温度。当温 度较高( 15 0 0 c ) 时磁各向异性保持为原来的面内四度对称各向 异性，易轴沿着 方向；而低温( a bs t r a c t u l t r a t h i n m a g n e t i s m i so n eo ft h em o s ta c t i v er e s e a r c ha l e ai n c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c si ti sh e l p f u ln o to n l yt ou n d e r s t a n dt h en a t u r e o ft h ei t i n e r a n tm a g n e t i s m ，b u ta l s ot o d e v e l o pt h es p i n t r o n i c s i nt h e f u t u r e i nt h i st h e s i s ，1w i l ls h o wo u rr e c e n tw o r ko ns e v e r a lt o p i c si n u l t r a t h i nm a g n e t i s m 1 ) u s i n g t h e e x c h a n g e b i a se f f e c ti na f e r r o m a g n e t a n t i f e r r o m a g n e t s y s t e m ，w e h a v ed e t e r m i n e dt h e m a g n e t i c s t r u c t u r eo ff c cm n e p i t a x i a l l yg r o w no ng a a s ( 0 01 ) t ob ea n t i f e r r o m a n e t i cw i t ht h en d e l t e m p e r a t u r ea b o v e 51o k 2 ) e p i t a x i a lg r o w t h o fc oo ng a a s ( 0 01 ) a n di t s i n p l a n em a g n e t i c a n i s o t r o p ya r es t u d i e d i n t h ei n i t i a la n df i n a l s t a g e s o fg r o w t h c o e x i s t si n s i n g l e c r y s t a l l i n eb o d y c e n t e r e d c u b i c ( b e e ) a n dh e x a g o n a l c l o s e d p a c k e d ( h c p ) p h a s e s ，r e s p e c t i v e l y , w h i l ei nt h em i d d l es t a g et h e c o e x i s t e n c eo ft h eb c ca n dh c ps t r u c t u r e si so b s e r v e d u s i n gt h e m a g n e t o - o p t i c a l k e r r e f f e c t ( m o k e ) m e a s u r e m e n t ，t h ei n p l a n e m a g n e t i ca n i s o t r o p y o ft h eb c c p h a s e i sd e t e r m i n e da saf o u r f o l d s y m m e t r y w i t h e a s y a x e s a l o n g t h e d i r e c t i o n s s t r o n g l y d e p e n d i n g o nt h e g r o w t ht e m p e r a t u r e ，t h e t w o d o m a i n h c pp h a s e s h o w se i t h e rau n i a x i a ls y m m e t r ya l o n gt h e d i r e c t i o n so ra f o u r f o l ds y m m e t r yw i t he a s ya x e sa l o n gt h e d i r e c t i o n sw eh a v e c l a r i f i e dt h ec o n t r o v e r s ya b o u tt h ee p i t a x i a lg r o w t ho fc oo ng a a s ( 0 01 ) a n de s t a b l i s h e dac l e a r p i c t u r e f o rt h e g r o w t h a n dt h e i n p l a n e a n i s o t r o p yo f c of i l m 3 ) t h eh y s t e r e s i so faf e r r o m a g n e t i c n o n m a g n e t i c f e r r o m a g n e t i c ( f m n m f m ) s y s t e m h a sb e e ns t u d i e dw i t h a n t i f e r r o m a g n e t i c c o u p l i n g a n a n o m a l o u s m a g n e t i ch y s t e r e s i sp h e n o m e n o n w i t h n e g a t i v e r e m a n e n c ea n dc o e r c i v i t yi s p r e d i c t e d w h e nt h e c o u p l i n g s t r e n g t ha n dt h et h i c k n e s so fm a g n e t i cl a y e r sa r ec h o s e na p p r o p r i a t e l y s u c hk i n do fa n o m a l o u sm a g n e t i ch y s t e r e s i sc u r v e sw a jo b s e r v e di n c o m n c o g a a s ( 0 01 、s y s t e mi ne x p e r i m e n t s u c hr e s u l t si s h e l p f u l t ou n d e r s t a n dt h en a t u r eo ft h e n e g a t i v e r e m a n e n c e h y s t e r i s i s p h e n o m e n o n 3 4 ) t h e i n t e r l a y e rc o u p l i n gi n6 一m en i c u 6 m en i c u ( 0 0 d e p e n d sn o t o n l yo nt h e 也i c k n e s so f t h ei n t e r m e d i a t ec u l a y e ra n dt h es m o o t h n e s s o ft h ea d j a c e n tc “n ia n dn i c ui n t e r f a c eb u ta l s o s t r o n g l y o nt h e p r o p e r t i e so ft h en is u r f a c e a r o u g hs u r f a c es i g n i f i c a n t l yr e d u c e s t h ec o u p l i n gs t r e n g t ho ft h es h o r tp e r i o do s c i l l a t i o nr e l a t i v et ot h el o n g p e r i o dc o n t r i b u t i o n h 。a d s o r p t i o n e n h a n c e st h es h o r t p e r i o d c o n t r i b u t i o n c o n s i d e r a b l y at h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nw a sa p p l i e dt o e x p l a i n t h eo b s e r v e dr e s u l t s 5 ) u l t r a t h i nc uc o v e r e dn if i l m sa r ei n v e s t i g a t e db vm s h g q u a n t u m s i z ee f f e c t si nt h ec uc o v e rl a y e ro fac l l n i b i l a y e ri n f l u e n c et h e m s h g a l t h o u g h i t sw e a k e rt h a ni nt h ec a s eo ff e c ua n dc o c u b i l a y e r s t h e m s h gf r o m e x c h a n g ec o u p l e dn i c u n i c u ( 0 0 1 、 t r i l a y e r si nb o t hf e r r o m a g n e t i ca n da n t i f e r r o m a g n e t i cc o u p l i n gr e g i o n s i s a n a l y z e di n am o d e lo fl o c a l i z e dn o n l i n e a r p o l a r i z a b i l i t y a tt h e i n t e r f a c e s w 色s h o wf o rt h ef i r s tt i m et h a ta n t i f e r r o m a g n e t i cc o u p l i n gi s o b s e r v a b l ew i t hm s h gd u et ot h ep r e s e n c eo fq u a n t u mw e l ls t a t e si n t h ec ul a y e r q u a n t u mw j l ls t a t e si nc ui n t e r l a y e ra l s oe x t e n do v e rt h e e n t i r el a y e rs t a c k 4 一，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 博士期间论文发表情况： l i np l a n em a g n e t i ca n i s o t r o p yo fb c cc oo n6 a a s ( 0 0 1 ) y ! z ：! u ，h f d i n g ，c j i n g ，d w u ，gll i u ，v g a r d e n ，g s d o n ga n dx r j i mk s u n s z h u ，鼢y s r e v b5 9 1 9 3 5 0 9 9 8 ) 2i n f l u e n c eo fs u r f a c er o u g h n e s sa n dh 2 a d s o r p t i o no nt h ei n t e r l a y e re o u p l i n gi n n i c u n it r i l a y e r so nc u ( 0 0 1 ) y z ，r v o ll m e r ，h r e g e n s b ur g e r 、a n dj k lr s c h n e r p h y s r e v b6 2 ，5 8 10 ( 2 0 0 0 ) 3 m a g n e t iz a t i o ni n d u c e ds e c o n dh ar m o n icg e n e r a t i o nf r o mt h em c ui n t e r f a c e i n m u l t i l a y e r so nc u ( 0 0 1 ) ! ：z ：! ! ，r y o l l m e r ，h r e g e n s b u r g e r ，x ，fj i n ，a n dj k ir s c h n e r p h y s r e v b ，a c c e p t e d 4 e p i t a x i a lg r o w t ho fb o d y c e n t e r e d c u b i cc o m n l ，o ng a a s ( 0 0 1 ) g s d o n g ，y ：z ：丛，c j i n ，y c h e na n dx f j i n ( j o u r n a lo fc r y s t a lg r o w t h )1 8 7 ，4 4 4 ( i 9 9 8 ) 5 e p it a x ya n dm a g n e t i s mo fc oo ng a a s ( 0 0 1 ) y ：z ：珥h f d i n g , c j i n g ，d w u ，gll i u g s d o n ga n dx f j i n ：k s u n s z h u ， ，= b l a g n m a g n m a t o t ，一1 9 8 1 9 9 ，2 9 7 ( 1 9 9 9 ) 6 e p i t a x ya n dm a g n e t i s mo ff e l m na l l o y s o i l g a a s ( 0 0 1 ) c j i n g ，y ：z ：! h ，zx y a n g ，g s d o n g ，x f j i n ，m a g n b l a g u m a t e r ，一1 9 8 1 9 9 ，2 7 0 ( 1 9 9 9 ) 7 s t r u c t u r ea n dm a g n e t i s mo fc 0 1 一m n a l l o y s d w u ，g ll i o ，c j i n g ，y ：z ：鼬，g sd o n g x f j i n j h p p l p h ys a c c e p t e d 8h b n o r m a l h ys t e r e s is 1 c o pw i t hn e g a t i v e c o e c i v i t y y ：! ：! g ，g s d o n g a n dx fj i n t 0b es u b m i t t e d 9w e a kf its to i 6 e rt i a n s i t l o i la n dt e m p i e xf j x e dp c i n tf o rp o t t ss p i n s ! ：! ：啦，d l o is o n ，a n dx f j in s u b m it t e d 5 l0t h ee x p e r i m o n t a ld e t e r m i n a t i o i lo fa n t i f o r r o m a g n e t is mo ff c cm n 矗g a h s ( 0 0 1 ) y ：z ，d w u ，gs d o n g ，a n dx f j i n t ob es u b m i t t e d 11 c o 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面的分子束外延及其结构研究 昱义政，丁海峰，敬超，吴镝，刘国磊，董国胜，金晓峰 物理学报第4 7 卷第3 期第4 6 1 页( 1 9 9 8 ) 1 2 f e 。m 1 1 。台金在g a h s ( 0 0 1 ) 表面外延的结构和磁性 敬超，昙s 政，董国胜，金晓峰； 物理捌，4 8 ( 2 ) ，2 8 9 ( 1 9 9 9 ) 1 3 f e 。m n ，合金电子结构及其磁性的理论研究 敬超，昱义政，杨宗献，董国胜，金晓峰，祝向荣，沈鸿烈 自然科学进展ml 1 、p 2 10 2 0 0 0 ) 1 4 c o ，m n 。合金电子结构及其磁性的理论计算 刘国磊，敬超，吴镝，昱义政，董国胜，金晓峰 物理粼，4 8 ( 1 2 ) ，p 2 3 6 9 ( 1 9 9 9 ) 1 5 c 0 1 0 0 x m n ，合金在g a a s ( 0 0 1 ) 表面的生长结构和磁性的实验研究 吴镝，刘国磊，昱望政，董国胜，金晓峰，沈孝良 物理捌，4 8 ( 1 2 ) ，p 2 3 2 0 ( 1 9 9 9 ) 6 第一章绪论 在过去的二十年中，磁性金属超薄膜的研究一直是磁学领域中的 热点问题，引起人们越来越广泛的兴趣) 。这个领域不断发展的 动力来源于以下三个方面的快速发展：首先，原先用于半导体研究 的超高真空技术和分子束外延技术也广泛应用于磁性金属单晶薄膜 的生长中，使得可以生长出理想的单晶金属薄膜。同时各种表面分 析技术也被广泛应用于分析磁性金属的表面，从而可以在原子水平 上认识磁性。其次，发展改进了一系列的高灵敏的和具有自旋分辨 能力的测试手段，如s m o k e ( 3 , 4 ) ，自旋分辨的光电子能谱( 5 1 ，自旋 分辨的电子显微镜( ，自旋极化的扫描隧道显微镜( 7 ，孙，以及同步辐 射在磁学中的应用( 9 等，这些技术的发展和成熟使得人们可以更好 地认识磁性。三、现在计算机技术的快速发展，使得有限厚度的金 属单晶薄膜或超晶格的电子结构的大型计算程序的直接计算，甚至 是第一性原理的计算能够实现。因此人们可以设计出一些体系，预 测他们的性质，并希望在实验上能够得到验证。 选择合适的晶格匹配的金属或半导体衬底，可以外延出高质量的 磁性金属单晶薄膜，如f e 、c o 、n i 在a g 、c u 、a u 等衬底上的外 延m 1 2 ) 。另外在晶格匹配的衬底上，还可以外延出一些亚稳相结构 出来，如f c cf e c u ( 0 0 1 ) 、f c c m n g a a s ( 0 0 1 ) 4 等，甚至可以 外延出原来自然界不存在的亚稳相结构出来，典型的例子是b c cc o 在g a a s ( 11 0 ) 表面的成功外延1 ”。 目前，有关磁性超薄膜的基础研究大多集中在金属衬底上。这主 要是因为金属衬底可以比较容易得到原子级平整度的有序表面，而 且它与外延物质的互扩散相对较少，比较容易得到理想的界面，简 化所研究的问题。现在由于薄膜厚度已经进入纳米范围，因此表面、 界面的原子作用就占了主要贡献，从而使得外延磁性层的各向异性 ( ”) ，磁矩( 1 6 等磁学性质与体材料有较大不同。另外，纳米尺度下， 量子效应也就会显示出来，会出现许多新现象。如8 5 年* - f i l 发现在 铁磁非磁铁磁三层膜中发现两层铁磁层间有反铁磁耦合引。后来 有人发现，随着中间非磁层厚度的不同，存在着铁磁耦合到反铁磁 耦合的周期性振荡引。人们利用非磁层中的量子阱态进行了解释 ( 1 ，也大致得到了实验验证0 ) 。现在，, - 4 1 1 甚至可以在一些金属 衬底上白组织生长出金属量子点和量子线，得到许多有意义的结果 【2 1 ) 应用研究一般集中于磁性金属在半导体衬底上的外延生长以及特 性研究。在金属衬底生长的磁性薄膜，无法进行磁输运和磁电阻的 测量，无应用前景。1 9 8 9 年，人们发现在f e c r 多层膜中存在巨磁 阻效应( g m r ) 姐引，随后不久，人们又发现了隧道结磁电阻效应( 2 3 , 2 4 3 ， 使得高精度磁读出头、高灵敏度传感器、以及不挥发磁性存储器等 成为可能。目前半导体工业已经很成熟，人们一直梦想着将磁性元 件与半导体工艺集成起来，形成“磁电子学”的新领域1 , 2 5 - 2 8 。因 此巨大的商业应用前景，使得金属在半导体衬底上的外延生长以及 特性测试成为磁性超薄膜领域中的一个重要的方向。 在博士研究阶段，我有意识的选择了几个有意义的课题进行了详 细的研究。( 1 ) 在g a a s ( 0 0 1 ) 上可以外延出常温下f c c 结构的m n 亚 稳相。理论计算表明，f c c 结构的m n 是反铁磁材料。但由于f c cm n 只能生长出几十埃，用中子衍射等方法很难证明它的反铁磁性。我 们利用铁磁反铁磁材料问的交换偏置，证明了f c cm n 具有反铁磁 性。( 2 ) 虽然在g a a s ( 1 1 0 ) 表面可以外出很好的b c c 结构的c o 膜， 但是，在g a a s ( 0 0 1 ) 表面的外延还比较复杂，前人的结果比较矛盾。 我们详细研究了c o 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延的结构和磁性，澄清了前 人对这一问题认识的矛盾，对c o 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面的外延给出了一 个清晰的物理图象。( 3 、虽然两层铁磁层通过一个非磁层的层间耦合 振荡是目前磁性超薄膜的研究热点之一，但是目前层间耦合的研究 主要集中在研究它的强度和振荡周期，有关的磁滞问题研究的还较 少。这里我们设计了一个简单的模型，首先通过模型计算预言了在 一定的条件下，可以出现负矫顽力的磁滞回线，并且实验上在 c o m n c o 三层膜中得到了验证，确实得到了所预言的具有负矫顽力 的磁滞回线。f 4 ) 在对铁磁非磁铁磁三层膜的层间耦合振荡机理研 究中，a - 4 i g 发现层间耦合的周期是由非磁层费米面上的电子渡矢所 决定的，同时耦合强度还会受到铁磁非磁界面的粗糙度、铁磁层厚 度以及表面覆盖层等的影响。我们发现，在n i c u n i c u ( 0 0 1 ) 体系中， 层间耦合还受到n i 表面粗糙度和h 的影响，并且我们利用p b r u n o 自由电子模型进行了模拟，解释了这个现象。( 5 ) 我们利用磁诱 导二次谐波产生( m s h g ) 测量了c u n i c u ( 0 0 1 ) 双层膜和 n i c u n i c u ( 0 0 1 ) 三层膜中的量子阱态。首次观察到了三层膜中的反 铁磁耦合情况下的m s h g 磁滞回线，同时观察到量子阱态并不完全 局限在c u 层中，而是扩展到整个样品结构中。 本论文各章节安排如下：第一章序论部分磁性金属超薄膜研究的 理论研究意义和应用价值，以及我所选课题的意义。第二章对论文 研究中所使用的生长系统和测试工具进行简单的介绍，特别是对论 文工作期间所搭建的磁性金属薄膜分子束外延和原位磁性测量超高 真空系统作稍详细的介绍。第三章中我们将用铁磁反铁磁间的交换 偏置验证了f c cm n 的反铁磁性。第四章是关于c o 在g a a s ( 0 0 1 1 表 第一章绪论 面外延的结构和磁性研究。第五章中我们介绍了负矫顽力磁滞回线 的理论模拟计算和实验研究。第六章我们将介绍n i c u n i c u ( 0 0 1 ) 4 4 k 系中表面粗糙度和h ：吸附对层间耦合的影响，并用自由电子理论模 型进行了模拟。第七章是利用m s h g 来研究n i c u n i c u ( 0 0 1 ) 。d ? 量 子阱态的变化的_ y - 作。最后，第八章中将对所研究的课题作系统的 总结。 参考文献： 【1 】g a p r i n z ，i n ( 1 t r a t h i nm a g n e t i cs t r u c t u m i , e d i t e db yb h e i l i t i c h ，j ac b 1 a n d ( s p r i n g e r ，b e r l i n ，19 9 4 ) ，p p 卜4 4 【2 】g a p r i n z ，j j k r e b s ，a p p l 瑚y j l e t t 3 9 ，3 9 7 ( 19 8 1 ) 3 】g a p r i n z ，e k is k e ra n dk ，b j a t h a w a y ，a p p l m ，s ，5 7 ，3 0 2 4 ，( 19 8 5 ) 【4 】s b a d e r ，e r m o o g ，a n dp g r u n b e r g ，胁鲫胁即m at e r 5 3 ，l 2 9 5 ，( 19 8 5 ) 【5 】e k ia k e re t a 1 ，p h y sr e v 且3 1 ，3 2 9 ( 1 9 85 ) 【6 1j u n g u r is ，d t p i e r c e ，a g a l e j s ，r j c e l oc t a ，爿咿，y e v l e t t 4 9 ，7 2 ( 19 8 2 ) 【7 】70 p i e t z s c h ，a k u b e t z k a ，m b o d e ，r w i e s e n d a n g e r ，脚s 8 e v l e t t 8 4 ，5 2 1 2 ( 2 0 0 0 ) 【8 】s h o i n z e ，m b o d e ，ak u b e t z k a ，o p ie t z s c h ，x h i e ，s b l u g e l ，r w i e s e n d a n g e r ， s c i e n c e ，2 8 8 ，180 5 ( 20 0 0 ) 、9 、1 b k o r tr i g h t ? e ta 1 j j 池g n m a g n 10 】bt j o n k e r ，k h w a l k e r ，e k is k e r ，g 5 7 ，14 2 ( 19 8 6 ) s c h w a r z a c h e r ，e ta 1 ， c l i u a n ds d b a d e r ， h m a g n a n ，d c h a n d e sr is ，b 6 7 8 5 9 ( 19 9 1 ) 胁t t e r 2 0 7 7 ( 20 0 0 ) a n dr e f e r e n c ej n a p r i n z ，a n dc c a r b o n e 、孙y s r e v l e t t s o l i ds t a t ec o i l y l l u n 7 1 ， 如c s c i t e c h n o la8 v i l le t t e 0h e c k m a n n ，j 5 6 3 ( 19 8 9 ) 2 7 2 7 ( 19 9 0 ) l e c a n t e ，确y s r e v l e t t 14 】x j i n ，m z h a n g ，g sd o n g ，mx u ，y c h e n ，x w a n g ，x dz h u ，xls h e n ， 4 p p l p h y s l e t t 6 5 ，3 0 7 8 ( 19 9 4 ) x j i n ，y c h e r t ，g s d o n g ，m z h a n g ，m x u x g z h u ，x u nw a n g ，e d l u ，h bp a n ，p s x u ，x y z h a n g ，c yf a n ，m ，j r e v 且5 1 ，9 70 2 ( 19 9 5 ) x j i n ，y o n gc h e n ，x w l i n ，d s d o n g ，y a hc h e n ，mx u ，w rz h u ，x u nw a n ，x l s h e n g ，l l i ，a p p l p h y s l e t t7 0 ，2 4 5 5 ( 19 9 7 ) 15 gap r in z ，肋，s r e r l e t t ，5 4 ，10 5 1 ( 19 8 5 ) 16 q y j i n ，h r e g e n s b u r g e r ，r ，v o l l m e ra n dj k irs c h n e r ，p 妙s r e v l e t f ，8 0 40 5 6 ( 19 9 8 ) 第一章绪论 【17 】p g r o n b e r g ，r s c h r e i b e r ，y p a n g ，m b b r o d s k ya n dh s o w e r ，朋y s r e v l e t t ， 5 7 2 4 4 2 ( 19 8 6 ) 【18 】s s pp a r k i n ，n m o r e ，kpr o c h e ，砌朋r e v l e t t ，6 4 ，23 0 4 ( 19 90 ) 19 p b r u n o ，胁胎nb ，5 2 ，4 1 1 ( 19 9 5 ) 【20 】rkk a w a k a m i ，e r e t h e n b e r g ，eje s c o r c i a - h p ar i c o ，h jc h o i ，tr c u m m i e s ，jg t o b i n ，n v s m it h ，a n dz q q i o ，只咿j 1 i e n l e t t ，8 0 ，17 5 4( 19 9 8 ) 【2 1 】f r u c h a r t ，m k 1a u a ，j b a r t h e l ，j k ir s c h n er ，脚7 1 i e n l e t f 8 3 ，2 7 6 9 ( 19 9 9 ) 2 2 gb in a s c h ，p g r u n b e r g ，f s a u r e n b a c h ，a n dw z i n i l ，m p r e v l e t t 3 9 ，4 8 2 8 ( 19 8 9 ) 【23 】tm i y a z a k i ，n t e z u k a ，m a g n 胁鲫胁t t e r ，13 9 ，l 23 1 ( 19 9 5 ) 2 4 】j s m o o d e r a ，l r k i n d e r ，t m w o n g a n dr m e s r e r v e y ，p h y s r e v l e t t ， 7 4 ，3 2 7 3 ( 19 9 5 ) 2 5 】g h p r i f l z ，s c i e n c e , 2 5 0 ，10 9 2 ( 19 9 0 ) 【2 6 】g a p r in z ，p h y s i c st o d a y ，h p r i l ( 19 9 5 ) 2 7 g a p r i i i z ，s c f e n c e , 2 8 2 ，16 6 0 ，( 19 9 8 ) 【2 8 蔡建旺，el ：，物理学进展17 ，1 19 ( 19 9 7 ) 第二章实验系统介绍 2 1 小型金属分子束外延系统 我们的小型分子束外延系统是本实验室自行设计，由沈阳科学仪 器厂加工制造的。它与实验室原来的一台e s c a l a b - 5 型多功能电子 能谱仪组成联机系统，其装置示意图如图2 1 所示“。生长室的本 底真空度优于3 x10 - 8 p a ，蒸发过程中优于3 1 0 1 p a 。系统上最多 可以放置5 个热蒸发源，蒸发源为实验室自制，其中束源炉为高纯 a 1 ，0 ，坩锅。生长过程中束源炉使用液氮冷却。生长过程中的生长速 率用晶体振荡器来监控。系统中还配有反射式高能电子衍射 ( r e f l e c t e dh i g he n e r g ye 1 e c t t o nd i f f r a c t i o n ，简称r h e e d ) ， 用来原位实时监控薄膜的生长结构。同时生长室内还安装了劈形样 品生长装置。 2 2 原位s m o k e 测量的分子束外延系统 这是论文研究期间搭建的一台大型超高真空系统，示意图如图2 2 所示。本系统也是我们实验室自行设计，并且由德国v s i 公司加工 制造的。系统的本底真空度优于1 1o - 8 p a ，生长过程真空度优于1 x10 1 p a 。整个系统分为三个部分：上面一部分包括了低能电子衍射 ( l e e d ) 、俄歇电子能谱( a e s ) 和四极质谱仪，可以用来分析样品 的表面结构、化学状态和一些电学性质；中间层为生长层，可以同 时放置三个蒸发源，可以共蒸发进行合金薄膜的生长，蒸发源用循 环水冷却。系统中配有r h e e d 来实时原位监控外延层的结构，r h e e d 图样用c c d 或数码照相机记录，这一层还包括一个晶体振荡器来监 控生长速率，另外还有一个挡板用来进行劈形样品的生长；下层为 原位s m o k e 测量装置，其中放入了一个电磁铁，最大磁场为1 50 0 0 e 。 电磁铁上缠绕线圈的绝缘层用特殊材料制造，在室温下工作基未不 影响真空度，因此可以在8 0 0 0 e 的磁场下连续工作不影响真空。这 个s m o k e 装置既可以测量纵向k e r r 效应，也可以测量极向k e r r 效 应。样品架利用电子束轰击加热，可以加热至14 0 0 0 c 以上。另外样 品架也可以用液氮冷却至一12 0 0 c 左右。样品架具有面内旋转功能， 能够旋转的最大角度为+ 4 5 0 。因此整套系统可以原位生长，测量其 结构，并且同时在不取出真空的情况下原位测定它的成分、磁性等， 避免了大气或表面覆盖层的薄膜性质的影响，从而使得所研究的问 题变得更清楚。 苎三主塞竺墨垫坌塑 f 图2 1 小型金属分子束外延和e s c a l a b 一5 多功能电子能 谱仪的联机系统。 1 4 f?lf一l，ul( t，一 -fo=】1fu 2ilq8f等盒严k 一i 0(j=口iju譬砷芑、l， 螓蠕域女长巾冬譬咐暮丑)io茎迥峨qn田 岛目；山目。_ 叼 4 昌声山 嗣。召爵口ii(i暑 _蜀u矗口o-_u_嗣 ，一 实际上，这台带有原位s m o k e 测量的分子束外延系统是目前国内第 一台也是唯一一台能够原位测量磁性金属磁性的分子束外延系统。 2 3 表面磁光克尔效应( s u r f a c em a g n e t o - o p t i ck e r r e f f e c t ，简称s m o k e ) 原位测量系统 磁光效应最早是由f a r a d a y ( 2 和k e r r 4 发现的。他们分别研 究了磁化介质对透射光和反射光的偏振特性的影响，前者被称为 f a r a d a y 效应，后者称为k e rr 效应。k e r r 发现，线偏振光入射至磁 性介质表面，反射出的光中的偏振方向和椭偏率会随着发生改变。 19 8 5 年，k e r r 效应首次被用来研究磁性金属超薄膜的磁性，e m o o g 和s d b a d e r 等人首次利用这一方法在超高真空系统中测量了在 a u ( 0 0 1 ) 表面外延的单层f e 薄膜的磁滞回线，们。s m o k e 具有很高的 探测灵敏度，系统的结构较简单，可以很容易地与超高真空系统结 合在一起。另外它与传统的磁性测量手段相比，还具有很好的空间 分辨本领。因此它成为表面磁性研究领域中一个重要的手段，在磁 性超薄膜中的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜中的相 变行为等研究中都有重要的应用) 。 磁光效应的微观量子理论以光电场与电子自旋在磁性介质中通过 自旋轨道耦合相互作用为基础，宏观理论则是由磁性介质中介电 张量的反对称性所导致的左旋光和右旋光在磁性介质中折射率的不 同推出来的。z a k 利用宏观理论推出的k e r r 角公式一1 与实验 定量上符合的很好。 图2 3 直流法s m o k e 测量装置图 目前国际上常用的原位s m o k e 系统的装置大多如图2 3 所示5 。7 ， 激光通过一个起偏器，经样品反射后通过一个1 4 波片，再经过检 偏器后入射到探测器上，因此测量的直流信号就代表了k e r r 信号的 大小。在超高真空中，激光在入射到样品之前，和经样品反射之后 都要经过一个视窗。由于视窗中存在应力作用，使得视窗不是各向 同性，线偏振光通过视窗后会变为椭圆偏振，测量时就会产生大的 本底，从而降低探测灵敏度。1 4 波片的作用就是将椭圆偏振光转 化为线偏振光，降低本底，提高探测灵敏度，因此这里测量的只是 k e r r 椭偏率。图2 3 中的装置也可以得到很高的探测灵敏度，但是 这个装置对光路的稳定性要求较高，否则由于光路的抖动会引进大 的噪音。 本系统上所采用的是交流方法测量k e r r 旋转角。具体的装置图 如图2 4 所示川。入射光路部分与图2 3 是一样的，但是激光经过 样品反射后，首先经过一个光弹调制器，然后再经过检偏器到达探 测器，检偏器的偏振方向与光弹调制器的主轴方向成4 5 0 。光弹调制 就是利用双折射原理，使得通过的光的横向电场矢量相对于纵向矢 量有一个相位移动巾，其详细原理参见h i n d s 公司的产品介绍。 图2 4 交流法s n o k i ! 测量装置图 4 9 - 钡4 器 下面来说明用图2 4 所示装置测量k e r r 角的原理。探测器中测 量所得的信号的计算公式为： z 2l ( 1 0 ) 击( ( ：骥删卜 其中眨批0 ，击( 1 1 1 分别为样品的反射矩阵、光弹传 输矩阵和检偏器的传输矩阵。忽略r 。的高级小量，可得 i z 每( 1 k 1 2 一k e 1 一e k e 9 ) ( 2 ) 实验中由值是受到光弹的