（凝聚态物理专业论文）nd掺杂dyig铁氧体粉末与薄膜的磁性与磁光性质研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文通过制各镍锌铁氧体薄膜，探索了溶胶凝胶工艺。主要研究了n d 掺杂d y 3 f e s 0 1 2 ( n d ：d y i g ) 铁氧体粉末和薄膜的磁性质和磁光性质。全文共分六 章，主要内容如下： 第一章介绍了石榴石型铁氧体材料的基本特性，回顾了磁光存储介质的基 本要求和研究现状。 第二章主要介绍了石榴石铁氧体薄膜的制备方法、结构和物性分析实验设 备及测试原理。 第三章详细讨论了n d 掺杂d y i o 铁氧体粉末制备工艺，并对不同退火温度 n d d y 2 f e s 0 1 2 结构的影响及不同n d 掺杂量对n d ：d y l g 结构进行了分析研究。实 验证实：n d ：d y l g 凝胶自燃粉末在6 0 0 。c 退火为非晶相；在7 0 0 。c 开始形成石榴 石相；在8 0 0 。c 完全形成石榴石相，粉末颜色为青黄色。随n d 替代量增加， n d ：d y l g 晶格常数增大，2 4 c 、1 6 a 和2 4 d 位所对应的金属离子与氧离子振动所 引起的特征吸收带向低频方向移动，a d 位间金属离子的超交换作用增强。 第四章主要研究了n d ：d y i g 铁氧体粉末的室温与低温磁性质。实验结果表 明：( 1 ) 随退火温度升高，其饱和磁化强度和矫顽力均增大。随n d 含量增加， 其饱和磁化强度增加。( 2 ) 其在低温条件下存在自旋玻璃行为。随n d 含量增加， n d ：d y i g 补偿点温度向低温移动，自旋冻结程度减弱。 第五章主要研究了n d ：d y i g 铁氧体薄膜的磁与磁光性质。结果表明：薄膜 具有较好的矩形度。随n d 含量的增加，薄膜克尔回线矩形度和矫顽力降低，而 且薄膜克尔回线随n d 替代量的0 2 5 倍交替出现正反向现象。d y 3 f e j o 门薄膜正 负最大克尔角分别为o 5 1 3 。( x = 4 2 7 5 n m ) 和一0 6 0 1 。( ) f 4 13 3 r i m ) ；n d o z s d y 22 5 f e s 0 1 2 薄膜在紫外波段具有较大负克尔角为一0 2 7 7 。( x = 2 9 8 8 n m ) 。后者有望用作更短波 长磁光存储材料，提高存储密度。 第六章介绍了用溶胶凝胶法制各镍锌铁氧体薄膜工艺，研究了薄膜厚度对 热磁曲线的影响，讨论了在低温条件下饱和磁化强度、矫顽力与温度的关系，以 及薄膜的自旋玻璃态行为。实验结果表明：当外加磁场为1 0 0 0 e 时，薄膜冻结温 摘要 上海大学硕士学位论文 度为一= 1 4 0 k 。随薄膜厚度增加，自旋冻结程度降低；薄膜饱和磁化强度和矫 顽力都随测量温度增加而降低。 关键词： 溶胶一凝胶法、掺杂石榴石型铁氧体、薄膜、磁性质、磁光性质 a b s t t a c t上海大学硕：b 学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o re x p l o r e st h es o l g e lt e c h n o l o g yw i t ht h ep r e p a r a t i o no f n i c k e l z i n cf e r r i t ef i l m s ，s t u d i e dm a i n l yt h em a g n e t i ca n dm a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e s o fn dd o p e dd y 3 f e s 0 1 2 ( n d ：d y l g ) f e r r i t ep o w d e r sa n df i l m s t h ep a p e rc o n s i s t so f s i xc h a p t e r sa n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf e l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，w ei n t r o d u c et h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t i e so fg a r n e tf e r r i t e m a t e r i a l s ，a n dr e v i e wt h ef u n d a m e n t a lr e q u i r e m e n t sa n dp r e s e n ts t a t eo f t h es t u d i e so f m a g n e t o o p t i c a ls t o r g em e d i a t o r s i nc h a p t e rt w o ，w ei n t r o d u c em a i n l yt h ep r e p a r a t i o n so fg a m e tf e r r i t ef i l m s ，t h e e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t sf o rt h es t r u c t u r ea n dp h y s i c a l p r o p e r t i e sa n a l y s i so ft h e s a m p l e sa n dt h ep i n c i p l e so f t h e i ro p e r a t i o n s i nc h a p t e rt h r e e ，w es t u d yi nd e t a i lo nt h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fn dd o p e d d y l gf e r r i t ep o w d e r s ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h es t r u c t u r e o fn d d y 2 f e s 0 1 2a n dd i f f e r e n tn dc o n t e n t so nn d ：d y l gs t r u c t u r e s ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ：t h ep o w d e r sb e c o m e sa m o r p h o u ss t a t ea t6 0 0 c ，i tb e g i nt o f o r m a tg a r n e tf e r r i t ep h a s ea t7 0 0 ca n dc h a n g ec o m p l e t e l yg a r n e tf e r r i t ep h a s ea t 8 0 0 。c w h a t sm o r e ，t h ep o w d e r sa p p e a ri ng r e e n y e l l o wc o l o r t h el a t t i c ec o n s t a n t s i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gn dc o n t e n t s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o nb a n d s c o r r e s p o n d i n gt ot h ev i b r a t i n gb e t w e e nm e t a li o n s i n 2 4 c 、16 aa n d2 4 ds i t e sa n d o x y g e ni o nw i l l s h i f tt ol o w e rf r e q u e n c y i ti m p l i e st h es u p e r - e x c h a n g ei n t e r a c t i o no f m e t a li o n si no ds i t es t r e n g t h e n i n g i nc h a p t e rf o u r , w es t u d ym a i n l yo nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fn d ：d y l gf e r r i t e p o w d e r sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n dl o wt e m p e r a t r u e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a t ：f i r s t l y ，i t ss a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o na n dc o e r c i v ef o r c ew i l li n c r e a s e w i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ；a n di t ss a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nw i l li n c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gn dc o n t e n t s e c o n d l y , n d ：d y i gf e r r i t ee x i s ts p i n - g l a s ss t a t ei nt h e l o wt e m p e r a t u r e t h ec o m p e n s a t i o np o i n tt e m p e r a t u r e so fn d ：d y l gf e r r i t es h i f tt o l o w e rt e m p e r a t u r e ，a n dt h ed e g r e eo fs p i nf r e e z i n gi sw e a k e n e dw i t ht h ei n c r e a s i n g 1 1 1 a b s t r a c t 上海大学碗二b 学位论文 n dc o n t e n t i nc h a p t e rf i v e ，w em a i n l ys t u d yt h em a g n e t i ca n dm a g n e t o - o p t i c a lp r o p e r t i e so f n d ：d y l gf e r r i t ef i l m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ：t h ef i l m sh a v e g o o ds q u a r e n e s sr a t i o t h ec o e r c i v ef o r c ea n dt h es q u a r e n e s sr a t i o no ft h ek e r r h y s t e r e s i sl o o p sd e c r e a s ew i t l li n c r e a s i n gn dc o n t e n t w h a t sm o r e t h ek e r r h y s t e r e s i sl o o p sa p p e a rp o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i r e c t i o na l t e r n a t e l y t h ed y s f e s 0 1 2 f i l mh a st h em a x i m a lp o s i t i v ek e r ra n g l e0 513 。a tl = 4 2 7 5 n ma n dt h en e g a t i v ek e r r a n g l e 一0 6 0 1 。a tl = 4 1 3 3 n m ，t h en d o z s d y 22 5 f e s o t 2f i l mh a st h em a x i m a ln e g a t i v e k e r ra n g l e - 0 ，2 7 7 。a ts h o r t e rw a v e l e n g t h 九= 2 9 8 8 n m w et h i n kt h a tt h el a t t e rw o u l d h a v ep r o s p e c ta p p l i c a t i o ni nm a g n e t o - o p t i c a ls t o r a g em a t e r i a l sa ts h o r t e rw a v e l e n g t h a n dw o u l de n h a n c et h es t o r a g ed e n s i t y i nc h a p t e rs i x ，w ei n t r o d u c et h ep r e p a r a t i o np r o c e s s i n go fn i c k e l z i n cf e r r i t e f i l m sb ys o l - g e lm e t h o d ，s t u d yt h ee f f e c t so ff i l mt h i c k n e s so nt h e r m o m a g n e t i cc u r v e s o ft h ef i l m s ，d i s c u s s et h er e l a t i o n sb e t w e e ns a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o na n dc o e r c i v e f o r c ea n dt e m p e r a t u r e ，d i s c u s st h eb e h a v i o u so ft h es p i n g l a s ss t a t eo ft h ef i l m s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r eo f t h ef i l mi sa b o u t r ，= 1 4 0 kw i t ht h ea p p l i e df i e l do f10 0 0 e t h ed e g r e eo fs p i nf r e e z i n gd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n gt h i c k n e s so ft h ef i l m s t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o na n dc o e r c i v ef o r c eo f t h ef i l m sb o t hd e c r e a s ew i t hm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g k e yw o r d s ：s o l g e lm e t h o d ，d o p e dg a r n e tf e r r i t e ，f i l m ，m a g n e t i cp r o p e r t i e s ， m a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e s i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堑超丝日期盘幺生：引 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留及送交论文复印，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 沦文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝堑签导师签 日期：进1 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 石榴石型铁氧体材料 1 1 1 石榴石铁氧体材料发展与应用 石榴石型铁氧体材料，分子式为月3 凡j d 协常叫做r i g ( 即r a r e e a r t hi r o n g a r n e t 的简称) ，其中，r 为钇( y ) 、钪( s o ) 以及稀土族元素离子( 如s m 、 e u 、g d 、t b 、d y 、h o 、e r 、t m 、y b 、l u 等) ，其离子半径在1 o o 1 1 3 a 范围 内，由于其晶体结构与天然石榴石r r m n j 姐2 ( s 0 4 j ，矿相同，故取 名石榴石型铁氧体，它是由法国波特勒( p a r t h e n e t ) 和美国的盖勒( g e l l e r ) 等 分别独立发现的。石榴石型铁氧体材料主要用于微波器件、磁光器件和磁泡存储 器件中。在微波技术方面，利用这种材料良好的高频性能及旋磁效应、非线形效 应等特性，己制成隔离器、环形器、相移器、倍频器、振荡器等多种器件，广泛 应用于微波通讯、微波导航及雷达系统中。在磁光技术中，主要作为光的存储器 件和感应器件。在磁泡存储技术方面，主要用作数字存储器。 1 1 2 石榴石型铁氧体晶体结构及离子取代规律 ( 1 ) 石榴石型铁氧体晶体结构 石榴石铁氧体属于立方晶系，具有体心立方晶格，其点阵常数a - 一1 2 5 a 。 每个单位晶胞有8 个凡f e j 0 2 分子。由于r 3 + 离子半径太大，不能占据氧离子 间的四面体或八面体间的空隙，而直接取代氧的位置又显得过小，事实上它是占 据较大的十二面体空隙。石榴石晶体结构是由氧离子堆积而成，金属离子位于其 间隙中。对于单位晶胞而言，间隙位置可分为以下三种： ( i ) 由4 个氧离子所包围的四面体位置( d 位) 有2 4 个( 也称2 4 d 位) ， 被f e 抖离子占据。 ( i i ) 由6 个氧离子所包围的八面体位置( 口位) 有1 6 个( 也称1 6 a 位) ， 被f e 3 + 离子占据。 ( i i i ) 由8 个氧离子所包围的十二面体位置( c 位) 有2 4 个( 也称2 4 c 位) ， 被y 3 + 或r 3 + 离子占据。 第一章 绪论 对分子式为r 3 凡j d 门的石榴石铁氧体，其结构式常表示为： r 3 ) f e 2 ( f e 3 ) o j 2 公式中， ) ， 】，( ) 分别表示2 4 c ，1 6 a ，2 4 d 位置。 图1 1 和图1 2 分别为石榴石铁氧体的氧离子空隙结构和石榴石晶体结构和石榴 石结构中三种多面体结构。 仓令蛰 殴面体d 使 八葡体n 证十二隧f # c 值 0 ，氧雁于 图】1 石榴石结构中的三种间隙位置 图1 2 石榴石晶体结构和石榴石结构中三种多面体结构 ( 2 ) 石榴石型铁氧体的离子取代规律 在工程技术上，通常采用离子取代来改变材料的某些特性，以满足各种应用 上的需要。由于阳离子半径不同，使它们在石榴石晶格中所占据的位置有选择性， 一般按阳离子半径从大到小的顺序排列，择优占掘相应的多面体中心。 四面体晶位最小，一般只能填充体积较小的、球对称的闭合电子壳层结构的 非磁性离子。八面体晶位比四面体晶位大，可容纳某些较小的稀土离子，许多能 第一章 绪论 在四面体替换f e 3 + 的离子也能在八面体替换。十二面体是三种阳离子位中的最大 者，因此很多离子，包括全部稀土离子和碱土金属离子，都可以占据它。总的来 说，离子取代除应满足摩尔比条件外，还由占位倾向性，金属离子半径，化学键 及晶体场等因素所决定。 表1 - 1 、1 - 2 和1 - 3 分别为可以替代d 位、a 位和c 位的阳离子 】 表1 - 1 可替换y i g 中d 位铁离子的阳离子( 注：h s 指高自旋) 离子离子半径r i m离子离子半径n m a 1 3 +o 0 3 9c 0 2 + g e 4 +0 0 4 0c 0 3 + g a 3 _0 + 0 4 7s n 4 + f e 3 4 f h s 、 0 0 4 9f d + t i 4 + 表1 - 2 可替换y 1 g 中口位铁离子的阳离子( l s 指低自旋，h s 指高自旋) 离子 离子半径n m离子离子半径r i m a 1 3 +0 ，0 5 3 0m 毋+ 0 0 7 2 0 g e 4 +0 0 5 4 0z p + 0 0 7 2 f e 3 + f l s l0 0 5 5s c 3 + 0 0 7 3 0 t i 4 + 0 0 6 0 5c 0 2 + m s l 0 0 7 3 5 c 0 3 + f h s lo 0 6 lf e 2 + f h s 、 0 0 7 7 0 s b 5 +0 0 6 1i n 3 + 0 0 7 9 0 f e 2 1 l s ) o 0 6 1 m n 2 + f 】1 s 10 0 8 2 0 r h 4 +0 0 6 1 5l u 3 + 0 0 8 4 8 g d +0 0 6 2y b 3 + 0 0 8 5 8 r u 4 +0 0 6 2 0t m 3 + 0 0 8 6 9 t a 5 + 0 0 6 4e r 3 +0 0 8 8 1 f e 3 1 h s l 0 0 6 4 5y 3 + 0 0 8 9 2 c 0 2 + ( l s )0 0 6 5h 0 3 十0 0 8 9 4 m n 3 + 0 0 6 5 d y 3 + 0 0 9 0 8 n i 2 + 0 0 7 0t b 3 +0 0 9 2 3 h f 4 + 0 0 7 1g d 3 +0 0 9 3 8 表i 3 可替换y i g 中c 位钇离子的阳离子 离子离子半径n m 离子离子半径n m m n 2 + 0 0 9 3s m 3 +0 1 0 9 l u 3 +0 0 9 7b i 3 +o 1 1 1 y b ” 0 0 9 8c a 2 +o 1 1 2 第一章 绪论 t m 3 +0 0 9 9c e 3 + o 1 1 4 e r 3 +0 1 0 0p r 3 +o 1 1 4 y 3 +0 1 0 1 5n a +o 1 1 6 h 0 3 _o ，1 0 2l a 3 +o 1 1 8 d v 3 +0 1 0 3s r 2 +o 1 2 5 g d 3 +o 1 0 6p b 2 +o 1 2 9 g d 2 +0 1 0 7 f e 2 + e u 3 +o ，1 0 7 1 2 石榴石型铁氧体磁性能 1 2 1 石榴石型铁氧体分子磁矩 石榴石铁氧体的磁性来源于磁性离子间的超交换作用，其大小取决于两个磁 性离子与氧离子间的距离及其相互间的夹角大小。在石榴石结构中存在着c 、a 、 d 三种间隙位置，因此有六种类型的超交换相互作用，即o - a 、d - d 、c - c 、a d 、 弘c 及小c 。最强超交换作用存在于口一d 之间，次最强为正c 之间，而其它类型的 超交换相互作用，不是离子问的距离过大，就是其夹角太小。研究表明，石榴石 铁氧体中磁性离子的排列方向主要是根据这最强的超交换作用，所以它的磁性能 不但与结晶结构有关，而且与磁性离子在结晶结构中的分布情况有关【2 ，3 。 r 。 t 舢 c 位 9 1 l 髓 蹦 抽 d 证 t ：e 一 拈勘 三：三帮岳r 啄于a d 矩 ：；兰； 榴鲤：量子鳓簿 三三 尊予雩 鲁h 蜃；媾躺 曛 瞳 r 。融”f 矿 曙-3 ) d 髓 一 c l ： 奉 盟 刚 图】- 3 钇铁石榴石 巧n j 0 和稀土类铁石榴石 r 3 f e 5 0 图1 3 是石榴石型铁氧体f e j 0 ，2 和r j 凡j d 口的磁结构示意图。左图是 y 3 f e 5 0 1 2 的磁结构示意图，因为四面体d 位和八面体口位的铁离子是通过氧离 子进行超交换作用，磁矩反平行耦合，y 3 + 是非磁性离子，所以y 3 f e j o j 2 的总磁 化强度就是四面体位和八面体位的铁离子超交换作用后的净磁化强度。当有磁性 稀土离子取代y ”进入石榴石型铁氧体后，次晶格c 位具有了磁矩，而且其方 向与次晶格d 位的磁矩方向相反，如图1 3 右图所示。则掺杂后的飓f e 5 0 ，? 4 “怔 第一章 绪论 的饱和磁化强度应为次晶格d 、疗位的铁离子耦台后的净磁化强度在与次晶格c 位的磁化强度耦合，得到总的磁化强度 4 。 对于r 3 f e s 0 1 2 来说，在o k 时的分子磁矩n 。为： = i r a 。一。一m ) t = 1 3 m 。- 5 1 , 。 ( 1 1 ) 对于其它多数稀土族金属离子的石榴石铁氧体而言，用上述公式计算r i g 分子磁矩时，需要知道肌。的值。我们已知，稀土金属离子的电子组态为4 f “， 5 5 2 、5 p 6 ，对磁性有贡献的4 f 壳层被外层的5 s 2 、5 矿电子所屏蔽，因此，晶体 场对4 厂层的影响较小，轨道角动量只能部分被猝灭，这样离子磁矩珊。实际上应 包含自旋磁矩及部分的轨道磁矩。 1 2 2 石榴石型铁氧体分子温度稳定性和补偿点 多数r 3 f e 5 0 1 2 具有补偿点晚，即在居里点以下某一温度眈时合成净磁矩为 零。原因是a d 磁性离子间的超交换作用强于c d 间的超交换作用，当温度上 升时，热骚动能量更易影响c d 间超交换作用。另外，由于r 3 + 次晶格内的超交 换作用非常小，所以r 3 + 次晶格的磁矩排列受温度的影响较f e 3 上为大。如下示意： &)【f e 2 】( f c 3 )o u ，tj ，上l 当t i n 。一m a i ，净磁矩方向与m c 相同。当温度上升时，c 位 金属离子磁矩取向更容易受到热骚动的影响，使 聊。r f 降的速度比h 。一m 。j 下降 的速度块的多。在某一温度时，j m 。i = l m 。- - m 小即出现了抵消点眈。当温度继 续上升时，则为陋 0 ，将会发生二阶相变。在这种情况下，磁化强度取向将会出 现三种情况： ( i ) 易磁化轴：磋0 ， 口= o ，丌 6 第一章 结论 ( i i ) 易磁化面： 2 k 。一k 髫，0 = 口2 ，3 口2 ( i i i ) 重取向区域：瑶0 ；k 磐+ 2 甄。0 ，s i n 2 0 = 一k 髫2 k 。 对以上三种情况，磁化强度存在三种相，它可以垂直于膜面，平行于膜 面，或者介于两者之间。因此，各向异性常数随温度的改变将导致易磁化方向以 速率一 0 ，可能是由于磁弹性能从小于 k 。：到大于瓦。所发生的突变所致 6 。 自旋重取向相变在磁性氧化物中( 如：正铁氧体) 是普遍存在的，但是在石 榴石铁氧体中存在这种相变的较少【7 】。在稀土铁石榴石( r e i g ) 和它们的混合 物( r e ：y i g ) 中，自发自旋重取向相变的存在可以使得我们深入研究源于r e ” 的磁交换各向异性。l a h o u b i 等人，在外加直流磁场最大为1 6 t 条件下，对 d y 3 f e 5 0 ，2 单晶的磁化强度分别沿 、 、 方向进行t n 量，证实 了在补偿温度( 疋一= ( 2 1 8 5 o 5 皿) 附近，发生了共线形磁结构一场诱导成角 磁结构的相变；另外，他们也给出作用于d y 3 + 离子的平均交换场和有效各向异 性场分别为( 1 2 ，9 0 2 ) t 和( 1 2 o 1 ) t 8 。对于t b o3 7 y 26 3 i g ( t b ：y i g ) 单晶在 4 0 k1 4 0 k 之间也存在 成角相，并且该成角相的存在与立方各向异性常 数k ，、k ：和k ，相关 9 】。y o u n g 等人也通过穆斯堡尔谱对具有单相石榴石结构 的t b 3 f e 5 0 1 2 粉末在补偿点( l o 。= ( 2 6 0 5 垮) 附近自旋旋转进行了研究 1 0 1 ， 认为在低温( t = 1 3 k ) 时，由于谱线分裂所得磁精细场与双伞型自旋结构 ( d o u b l et t m b r e l l as p i ns t r u c t u r e ) 1 1 所得磁精细场相一致，从而得出正是由于自旋 磁矩方向改变造成了热磁曲线异常的结论。 1 3 磁光效应及原理 束入射光进入具有固有磁矩的物质内部或在物质界面反射时，光波的传输 特性，如偏振面、相位、或者散射特性将发生变化，这种物理现象称为磁光效应 ( m a g n e t o o p t i c a le f f e c t ) 。磁光效应包括法拉第效应( 1 8 4 5 年) 、克尔效应( 1 8 7 6 年) 、磁线振双折射( 1 9 0 7 年) 、磁圆振二向色性、磁线振二向色性、塞曼效应 第一章 绪论 ( 1 8 9 1 年) 和磁激发光散射等，其中研究和应用最为广泛的主要有法拉第效应 和克尔效应。 1 3 1 磁光法拉第效应 法拉第效应，是一种当光线透过磁性物质时出现的双折射现象。当线偏振光 沿着磁化矢量( 或磁场) 方向前进时( 称为法拉第配置) ，由于左右圆偏振光的 折射率不同，而使得偏振面发生旋转。 1 3 2 磁光克尔效应 磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化的了的介质表面反射时，反射光将 是椭圆偏振光，而以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面 旋转了一定的角度。这个角度通常被称为磁光克尔转角，记作目。，如图1 - 5 所示 图1 - 5 磁光克尔效应示意图 介质屡 根据磁化强度矢量厨与光入射面和界面的不同相对取向，克尔效应可分为 三种类型( 如图1 6 ) ：( i ) 纵向克尔效应：庸既平行于介质表面，又平行于光 入射面时的克尔效应；( i i ) 极向克尔效应：磁化强度矢量廊与介质界面垂直时 的克尔效应；( i i i ) 横向克尔效应：磁化强度适量厨与介质表面平行，但垂直于 光的入射面时的克尔效应。 极向克尔效应是目前应用最为广泛的一种克尔效应。在磁光存储技术中主要 应用的是极向克尔效应。各种磁光介质的克尔转角相差很大，某种介质记录信息 后，读出信息时的信嗓比主要决定于其克尔转角的大小。因此，世界上不少物理工 第一章 绪论 作者正致力于寻找磁光性能好，磁光克尔转角相对较大的材料。 涉澎咨 克尔效应搬阿宽笨谴瞄【横i ；q 觅尔簸应 1 3 3 磁光效应原理 图1 - 6 磁光克尔效应三种示意图 通过量子力学理论可以解释亚铁磁性、铁磁性物质中的磁光效应。在铁磁性 物质中，交换作用和自旋一轨道相互作用使得电子能级简并度解除，因此电子受 到左右偏振光的激发时，将会跃迁到不同的能级上，从而产生磁光效应。电子激 发态的自旋轨道相互作用产生的能级分裂对磁光效应有着重要影响。自旋轨道 作用越大，磁光效应就越大。 从唯象性角度说，磁光效应是光从具有介电常数和磁导率u 的铁磁体透 过或反射后，光的偏振状态发生变化的现象。磁光效应的表达式为： o f = v b d【l 。4 ) 式中矿是费耳得常数，b 是磁场强度，d 是光通过介质的长度，它是表征物质的 磁光特性，它由物质和工作波长决定。光从铁磁体透过或从磁体表面反射后其偏 振状态发生变化，这是由于场e 和磁场h 与铁磁体的自发磁化强度m 之间 的相互作用使光的电磁波发生变化。因此，磁光效应必然与铁磁体的介电张量【】、 电导率张量 6 和磁导率张量 山紧密相关。但在光频下，由于只有质量很小的电 子受光波场作用运动，而与电子自旋有关的运动不受光波的影响，那么光频下铁 磁体磁导率“1 ，而一般铁磁体电阻率也很高，则铁磁体电导率占“0 。所以， 我们可以把磁光效应归因于介电张量【】来研究问题。在微观尺度上，磁光克尔效 应是由于辐射场与交换作用下导致固体磁化时的电子相互作用的结果 1 2 ；在宏 观尺度上，它在光频范围内可用介电张量来唯象描述 1 3 ，而介电张量的非对角 元与介质的饱和磁化强度成正l g 1 4 。 第一章绪论 1 4 磁光存储介质的基本要求和研究现状 目前作为磁光盘存储介质的主流是稀土一过渡族元素非晶态薄膜和有望作为 下代高记录密度使用的短波长存储材料石榴石氧化物薄膜、p t c o 多层膜 和p t c o 合金膜和m n b i 合金膜。 1 4 1 磁光存储材料的基本性能和主要参数 ( 一) 磁光存储材料的基本性能 理想的磁光存储材料( m a g n e t o o p t i c a ls t o r a g em a t e r i a l s ) 需具备下列基本性能 【1 5 ： ( 1 ) 磁光存储薄膜的磁化矢量垂直于膜面，因而其单轴各向异性( u r f i x i a l a n i s o t r o p y ) 常数世。必须大于薄膜的自身退磁场( 2 z m ? ) ，这是最基本的 要求。为满足这一点，材料的饱和磁化强度m ，应小，所以亚铁磁性材料 具有明显的优势。 ( 2 ) 为确保良好的记录开关特性，薄膜的磁滞回线必须为矩形，既剩磁比为1 。 ( 3 ) 材料的矫顽力h ，要足够大。因为稳定的记录位尺寸d 可以粗略用 d * 1 h 。表示。亚铁磁性材料补偿温度丁赢。在室温附近时，其日。很高。 ( 4 ) 磁光盘的载噪比直接与极向克尔旋转口，和低的动态噪声相关。要求材料 有大的0 ，成膜后膜面光滑平整，晶粒大小为纳米数量级，非晶膜最佳。 ( 5 ) 居里温度应适中，否则记录用半导体激光器的功率必须增大。 ( 6 ) 记录材料要有高的热导率，当记录介质受激光作用时，能快速升温和冷却； 热稳定性好。在记录擦除激光光束反复作用下，材料的结构不发生变化， 要求可擦写次数在1 0 0 万次以上。 ( 7 ) 抗氧化、耐腐蚀性能强。要求存储介质经长期存放后性能不变。 ( 8 ) 大面积成膜容易，能使用廉价的塑料衬底。 磁光存储材料的主要参数 磁光型存储介质在短波长激光记录下会形成小尺寸的磁帱，要求存储介质首 第一章绪论 先能形成稳定的垂直于膜面的磁帱，并且要具有较高的克尔( 或法拉第) 旋转角 ( 0 。或以) 。作为磁光存储介质的主要参数如下 1 6 ： ( 1 ) 磁各向异性参数e ，它表示垂直记录的可能性。其表示式为： k 。 4 删。 ( i - 5 ) 式中，m 。为饱和磁化强度。 ( 2 ) 磁畴大小 为了使记录的磁畴稳定，即减小磁畴壁的扩散，电录磁畴的稳定条件为： 晒赫 v 1 + ( 3 d 2 h ) 删。( 1 - s )d ( 2 d ) 】一 。 “ 式中，日。为矫顽力；d 为记录下的磁畴直径；h 为膜厚；，恒等于以盯。( 4 z r m ，) 为介质的特征长度。 当记录磁畴尺寸远大于记录介质的膜厚时，最小的磁畴直径可以表示为： d 2 面o 两r e ( 1 7 ) 式中，盯。为磁畴壁的能量密度。 所以，在短波长激光记录下要形成小的磁畴，必须要具有大的皿和k 。 ( 3 ) 信噪比和品质因子 、 在读出时，磁光薄膜信号的信噪比酬n 正比于反射率月、读出激光功率r 和 克尔旋转角0 。其关系为： s n = a 曦s i n l0 k 式中，彳为一常数。 当六 l e lr a g ia 6 4 1 0 1b f e c t j n l 仲1 1 l u s 疆埘r 1 1 5 0 2 5 0 402 8 3 0 j i c n c m 瓣m 2 5 0 3 0 01o3 6 1 4 1 0 b i d y l g ：舯q 热分蜒5 i l l - 6 叫l 2 5 02 j a 3 3 l i - | i r r i l ei e 巫“热丹醇3 1 1 t - 6 业 ) ：! 表1 4 典型磁光记录材料的特性【1 7 磁光记录材料应具有的特性最重要的一点就是记录介质层垂直磁化于膜面， 并能稳定地保持小磁畴结构。另外需再生灵敏度高、高信噪比、低噪声等，这就 必须选用磁克尔角大、反射率高的材料，且化学结构稳定、便于大面积成膜。迄 今为止，已研究过的各种不同的光磁记录材料的主要特性见表l - 4 1 1 7 。 1 4 2 磁光存储材料的研究现状 在磁光存储中，也受光的衍射效应限制，使记录点直径为 1 8 ： d = 1 2 2 州n s i n o( 1 - 1 0 ) 其中，五为记录激光波长，n s i n 8 为光学镜头的数值孔径。由上式可以看出，减 小记录激光的波长或增大光学镜头的数值孔径，都可以减小记录点的尺寸，从而 增加存储密度。传统的乃凡c 0 磁光存储薄膜在短波长时克尔效应下降，因此它 作为短波长磁光存储介质具有先天不足性，从长远来看，必须找到在短波长时有 较大克尔效应的新材料来作为存储介质。目前所研究的短波长磁光存储材料大体 上有以下几种： ( 一) 轻稀土一过渡族合金( l r e - - t m ) 现今稀土一过渡金属( r e t m ) 材料的磁光盘已投入市场。阻碍r e t m 非晶 态薄膜在存储密度上有更大的突破原因主要有：稀土元素的抗氧化性能差，对需 永久保持的文档资料是一个隐患，而且在短波长下克尔角变小，不适宜作短波长 记录材料 1 9 1 ，而短波长记录是进一步提高存储密度的主要途径。另外，r e - t m 靶材的制作和回收困难，不利于降低成本。 第一章 绪论 m n - b i 合金材料 m n b i 合金容易在6 3 0 k 时发生结构相变 2 0 及掺杂a l 的m n b i 合金，由于 a 1 的掺入，改善了m n b i 合金的晶粒和晶相，但写入功率太高。降低低温相的居 里温度和晶粒尺寸是使m n b i 薄膜实用化的关键。人们通过各种元素替代m n 原 子( 如a l 及h o 、t b 、p r 、c e 轻重稀土元素替代) 以寻求突破，但目前还没有 成功 2 1 ，2 2 。另外，由于m n 比较易氧化，b i 的熔点又低、流动性大，导致大面 积制备均匀m n b i 薄膜比较困难，这也导致其磁和磁光性能的下降。 p t c o 多层膜和合金膜 p u c o 多层膜和合金膜 2 3 ，2 4 1 具有较好的垂直各向异性，在短波长时有大的 克尔角，晶粒细小，但还仍然存在居里温度偏高，重复擦写次数不足等缺点。 铁氧体薄膜 包括尖晶石型铁氧体薄膜，磁铅石型铁氧体薄膜，石榴石型铁氧体薄膜。 ( 1 ) 对于尖晶石型铁氧体薄膜，有望用于磁光存储介质的是c d 凡l 仉。主 要是由于四面体位置上的c o ”的电子云呈各向异性，且对称性低，因而有大的 磁各向异性和磁滞伸缩，易获得磁化强度矢量垂直于膜面的薄膜；其次，钴铁氧 体具有优良的化学稳定性，大的磁光效应，所以其有可能应用于磁记录存储 2 5 】。 但由于钴铁氧体居里温度高，约5 2 0 ，实用化困难。人们通过掺杂m n 、a 1 、 z n 、r e ( r e = g d 、t b 、d y 、h o 、e r 、t m 、y b 、l u ) ，发现通过掺杂m n 可 使钴铁氧体薄膜居里温度降至1 0 0 2 0 0 。c ，但磁光克尔效应提高不多 2 6 】；掺杂 a j 会提高薄膜反射率和使吸收波长向蓝光移动，并且增加信躁比( s n r ) ，但居 里温度仍达不到实用化要求 2 7 ；掺杂r e ，发现c o - - y b 和c o - - l u 铁氧体在 3 5 0 4 2 0n r n 时，有较大的法拉第旋转角，有利于在短波存储 2 8 3 1 ；z n 取代 部分c o 制备薄膜随厚度增加，法拉第效应增强，但不受颗粒大小影响 3 2 】。钴 铁氧体由于居里温度高，作为磁光存储材料在激光写入数据时受到局限，仍然不 能达到实用化要求 3 3 。 ( 2 ) 对于磁铅石型铁氧体薄膜能够用于磁光存储材料的主要是m 型( 如 b a f e l 2 0 1 9 ) ，其特点是具有大的磁各向异性，自发磁化垂直于六角晶轴( c 轴) ， 第一章绪论 即垂直于膜面。b a f e ，2 0 ，9 居里温度约4 5 0 ，可以通过非磁性离子的代替( 如 a l ”、t i ”、替代f e ”) 来降低z 。这类铁氧体薄膜在可见光范围内吸收较大( f e 离子占的比例大) ，法拉第旋转较小( 约o 1 d e g , u m ) ，目前无望于磁光存储，但 它的特性适用于作垂直记录的存储介质 3 4 3 6 。 ( 3 ) 石榴石型铁氧体薄膜属体心立方晶系，用 r 3 ) f e 2 】( f e 3 ) 0 1 2 分子式表 示。石榴石氧化物作为磁光材料的应用起始于2 0 世纪6 0 年代初。1 9 5 6 年发现 钇铁石榴石( y s f e 5 0 r 2 ) 单晶能传递红光及近红外光，且有较大的法拉第旋转。 s w i t t e k o e k e t a l 于1 9 7 2 发现：少量的抗磁性b i 离子可以进入铁石榴石十二面体 晶位，并能在可见及近红外波段极大地增强其磁光效应。2 0 世纪8 0 年代初期石 榴石薄膜的磁光盘研究成了热门课