（材料物理与化学专业论文）硬x射线磁圆二色吸收谱实验方法的建立.pdf

攘要 本论文介绍了猩j e 京简黪辐射装置( b s r f ) 上罾内首次建立了硬射线波 段熬磁凝二魏( x m e d ) 蔽缎谱实验方法。在l w i 转淹象线舞弛磷s 实验涎上， 以x 射线吸收精细缡梅实验装置必熬础，捺建硬x 射线磁圊二色( x m c d ) 吸 浚谱囊验装嚣，及麓获得了x 凇蛰毅浚谱。零实验装置胃激进嚣与x 羹季绫疆枝 谱实验方法搽辩瘦瓣遴羹砉、 ，末态i a j 呻l ，为根据啊驴e r - e c k a r t 理论嘲，偶极 跃迁正比于3 j 符号同约化偶极跃迁矩阵元之积： 俨。矿嚣m c m ) 1 2 = 三剖印) i 2 m s ， 耕柚n i n 哪 强1 石x m c 珏嚣理熬示意图 】嚣 一一一一2 ”1 ：，。t m 。 2 _ j 这瀑越书表示光鹃偏振方向为z 方向，m = 一l 和，m - + 1 分裘代袋左，表西 偏振光。允许歇迂对威予非零的，v w 。根据3 j 符号的性质，这要求m j 鹊1 、 舭= o ，士1 。尽管引入外磁场后原来的简并解除，但这烂能级的间隔很小，光谱上 能够反妖的是能级分布的平均。3 j 符譬正院予m j 2 ，我们可戳辩其求热平均，邵 掰；) 即唑竽卜础+ 1 ) 十 m i ) 。q 警) t 蝴 ( 雩小，) = 高篙篙b m ，的 ( 引= 燕 ( 1 - ，n 与纠) = 器 ( 1 0 c ) 显然，对应于左、右旋圆偏振光的跃迁系数 署 并不栩等，这就是 x 射线的磁圆二色。 鬻。$ 一心p撕耷一 北京工业大学工学硕士学位论文 小结 在本章中我们介绍了) ( m c d 吸收谱历史发展及其最新的研究进展；介绍了同步 辐射、北京同步辐射装置和x 射线吸收精细结构( x a f s ) 实验方法，最后介绍了 x m c d 吸收谱的原理。删c d 吸收谱实验方法是结合同步辐射) ( a f s 实验方法，具有元 素分辨能力，同时具备表面敏感，因此) 【m c d 技术特别适合于多元素的磁性样品特 别是薄膜磁性样品，为研究磁性材料的微结构提供了有利的工具。 第2 章磷x 射线磁因二色吸收谱实验装置 2 。l 弓l 言 在北蒙阐步辐射装置( b s r f ) l w l b 光束线和x a f s 实验站上国随曾次建 立了壤x 射线注段翡x 瓤c d 实验方法。激擎螽鑫潮石 睾为稳经蜒送鹭，在透 射辩埃( l a ) 模式下，利用衍射双折射效威，将入射的帮色线偏振光转变为相 应麴左麓弱右嶷黧灏叛竞，溆羹磁纯襻隔对左旋秽砉藏满镶援巍蔽收鹣差异， 获褥了) ( ! 蛾c d 信母。在酸x 射线波段，凇d c d 吸收谱嶷验适含测试磁燃材料 中禽有的遗渡族金属和4 d 稀土族霜素，特别是3 d 过渡垒耩如( 擎e ) 的k 边、 毙避渡金筑懿警、戳窝矗娃) 戆瑰3 迭豹磷究。餮x 鬟线凇醛秘皲毅谬焚验方 法的建立，为研究磁性材料尤其怒磁性薄膜材料的电子结构和磁结构提供了实 验鏊鹚。 如匿2 - l 所示，x a f s 已经发展很多测量方淡，根据这些方法，我们设计 了帮门的实狳装鬣，完成) q 证c d 暇收谱实验方法。 甜x 瓣燧缀艘h 嚣黠x 耱蟪强a 荽蓦 ，蔗冲电二p 电学谢带然洲 激魁x 赶睫糍雠球s 透避x 瓣缝i 黼o # 鞘撩瓣x 盎暑s 兜辨x a 懿 嚣窀 熬，巍蠡辱 蠡魄簿孙胬 阁2 一lx a f s 测量方法 秘g l 酗y 勰t 嘏封精鑫s 牡致t 自昏畦瞒o f x a 粥 2 。1 1 透射法 x 射线吸收谱的主要疼验方法如图2 。l 所永，其中淹射法鼹应用最普遍的 穷法，逶建予藏搽溺元素在襻鑫孛含量巍黪薅躐( 重量露分瑰大予吾分之足) 。 实验装置如图2 - 2 所示，吸收系数公式参精式( 1 以) 【2 5 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 _ 2x a f s 实验装置示意图 f i 9 2 - 2 l a y o m o f e x p e r i m e n t a ls e t l l po f x a f s 2 1 2 荧光法 在x 射线与物质相互作用时，与散射现象相伴，还存在x 射线荧光和光电 子发射。例如，用光子能量大于c u 吸收边能量的入射x 射线入射c u 原予，可 以把c u 的k 层电子击出成为光电子。然后，在k 层留下一个电子空位。当l 层电子跃迁到这个k 层空位上，则部分能量转化为铜l ( o 的x 射线荧光发射。上 述过程几乎同时产生了x 荧光和光电子。 荧光x a f s 是一种常用的方法，它特别适用于低浓度样品，它探测的浓度极 限可比透射法低两个数量级，图2 3 为荧光x a f s 实验方法装置图。荧光产额 是不高的，之所以能提高灵敏度是因为荧光的波长是确定不变的，不因入射光 波长的改变而改变，故可使用滤色片、单色器或具有能量分辨的固体探测器来 降低本底，从而提高信噪比。 图2 - 3i 矿l e 电离室示意图 f i 9 2 - 3l 哪o u to f l ei 蚰i z a t i o nc h 锄1 b e r niii1亡iiu 曲s 第2 章硬x 射线磁圆二色吸收谱实验装置 2 1 3 全电子产额 全电子产额( t e y ) 探测的是样品与收集电子的阳极间的光电流这种电流信 号包括光电子、俄歇电子以及非弹性碰撞引起的二次电子的贡献由于电子在样 品中的逃逸距离很小，t e y 方法对薄膜和材料的表面结构十分灵敏口7 1 。 2 2 实验装置 c d 实验在1 w 1 b 光束线和x a f s 实验站上进行，储存环电流为5 0 一 1 0 0 a ，储存环能量为2 2 g 它v ，图2 4 为) q 以c d 实验装置示意图，以透射测量方 式为例，使用s i ( 1 1 1 ) 双晶单色器获得单色x 光，经过金冈4 石圆偏振器将水平线偏 振光转变为圆偏振光，沿光传播方向在磁化样品前后放置电离室，记录x 射线对 左右圆偏振光吸收谱( u + 和u 一) ，如公式2 1 ，经过归一化处理后相减获得x m c d 信号： x m c d = ，一厄 ( 2 1 ) 图2 - 4 x m c d 实验装置示意图 f i g2 - 4l a y o u to ie 坤e r i m e n t a ls e t u po ix m c d 2 3 实验装置的搭建 为了减少入射光的发散度，将1 w 1 b 光束线上起聚焦作用的超环面镜抬起， 使光线不通过超环面镜直接传输到实验站，获得2 3 m m 宽，5 0 - 6 0 咖长的条 形光斑，此光斑即为非聚焦模式下的同步辐射单色光斑，如此有利于获得偏振 度更高的圆偏振光。控制电动四刀狭缝，使其对称于条形光斑中心，获得 1 2 删n 2 的水平线偏振光。曝光对准后，将激光与x 射线校准和准直，沿激光 光路放置相位延迟器，延迟器是表面为( 1 0 0 ) 取向的高质量人造单晶金刚石片。 北京工业大学工学硕士学位论文 使激光打在人造金刚石片中心的晶体生长质量最好的位置上。圆偏振起偏系统 由金刚石单晶、高精度的测角仪以及装于2 e 臂上作为探测器的光电二极管等组 成，金刚石单晶片放在0 2 e 转台上。转台的轴线和单晶的( 1 1 1 ) 晶面衍射面与 水平呈4 5 度倾斜，使入射线偏振光的a ( 垂直) 分量和7 【( 水平) 组份振幅相 等；利用完美单晶衍射双折射效应，在偏离布拉格角o 时产生入射线偏振光a ( 垂直) 分量和兀( 水平) 组份相位相差9 0 。从而获得圆偏振光。 2 4 实验数据采集 x m c d 实验控制系统用1 a b v i e w 6 1 编写，包含在b 虹s 5 0 软件包内。 b x a f s 5 o 是1 w l b 光束线和x a f s 实验站现行实验控制系统程序，包括与订c d 实验配套的摇摆曲线测量和对神津( k o 碰) s c 2 0 0 二圆转角台的控制程序， s c 2 0 0 转台用于磁圆二色实验中金刚石片的姿态调整等功能口8 1 。 如图2 5 ，在进行硬x 射线磁圆二色透射吸收实验时，单色化的x 射线首先经 过人造金刚石偏振片和二维转台组成的硬x 射线圆偏振器获得圆偏振光，然后经 过前置气体电离室，前置电离室的气体被x 射线电离后，产生的电子和离子在电 场的作用下运动，被电离室极板收集后产生输入信号，送到吉时利( 砌3 t h l e y ) 4 2 8 弱电离前置放大器，放大后信号有电压和频率转换器转换为频率信号，在 经过9 7 4 定标器后作为i o 输入计算机，同样的经过磁场中的样品吸收衰减后的x 射 线被后电离室全部吸收，从而获得1 1 输入计算机。在吸收边前后8 0 “的能量范围 内，每间隔o 6 “采集i o ，i l ，总吸收系数肛( e ) 及能量e 的计算总吸收系数：p = h 1 ( 1 0 i 。) ，入射x 射线波长：九- 2 d s i n o ，入射线射线能量：e _ h c 0 ，即可得到阳) - e ， 也就是硬x 射线吸收谱。在每个数据采集点二维转角台控制人造金刚石姿态偏离 布拉格角土0 ，分别采集两套i o ，i l 。经过式2 1 的数据处理，即可获得硬x 射线 磁圆二色透射吸收谱。另外，获得硬x 射线磁圆二色透射吸收谱另外一种方法是 固定人造金刚石姿态偏离布拉格角0 ，通过转变电磁铁磁场方向，也可获得与改 变偏离布拉格角士0 同一磁性材料硬x 射线吸收谱，但要考虑剩磁对证c d 的影 响。 2 5 实验设备的研制 根据x m c d 吸收谱实验需要，设计了小型电磁铁、透射和荧光样品托以及全 电子产额样品托。 第2 章硬x 射线磁圆二色吸收谱实验装置 2 5 1 电磁铁的研制 图2 5x m c d 实验系统示意图 f i g2 5l a y o u te x p e r i m e n 协ls y s t e mo f c d 根据公式2 2 ，可以计算出理论磁感应强度，由于漏磁的存在，在样品摆放 位置的实际磁场会有所减少。 1 n n 1 w 2 若b g ( 2 - 2 ) n 为线圈匝数，i 为线圈中电流，单位为安培，b 为磁隙间磁感应强度，单位 为t e s l a ，g 为磁隙，单位为m m 。 设计、制作了u 型电磁铁，磁铁尺寸长宽高分别为2 7 0 1 3 0 1 7 2 m m 3 ，电磁铁 电源采用北京大华无线电仪器厂的d h l 7 2 0 稳压稳流电源，电源输出电流范围为 0 7 a ，电压输出可达3 2 伏。电磁铁磁隙为3 6 i m ，匝数为1 7 8 0 匝，在样品放置位 置最大可达到的磁场为o 2 7 t e s l a 。图2 6 为电磁铁铁芯与线圈装配图，图2 7 为电磁 铁及透射和荧光样品托实际放置图。此套磁铁可作透射和荧光模式下的x m c d 测量。图2 8 为样品摆放位置磁场随电源输出电流变化图，图2 。9 为磁隙附近磁场 随高斯计位置变化的三维立体图，此时输出电流为2 6 6 a ，输出电压为1 3 4 伏。x 轴为磁隙宽度3 6 i i l i n 均分为1 0 份，y 轴为单个磁极宽度2 0 玎 1 m 均分为1 0 份。 啦0 图2 - 6 电磁铁装配图 f i g2 6l a y a u to f e l e c 衄d cm a 舭e t 图2 - 7 电磁铁及样品托实际放置图 f 谵2 - 7p h o t oo f e l e c 仃o i l i cm a g n e ta n ds h e l f o f s 锄p l e 图2 8 电磁铁电磁场随电源输出电流变化图 f i g 2 - 8m a g 州i cf | e l do f e l e c 打o r n a g n e ta sa 觚t i o n o f t h ea 砌i e dc u n l 朗1 t 2 2 笫2 章硬x 射线磁阙二色吸收谱实验皱置 圈2 - 9 疆骧爨_ i 凌磁场夔蒜努i 诗建譬变诧瓣三维立抟踅 f i g2 - 93 一d i m e n s i o nl a y o l l to f m a 牡e t i c 韪e l do f e l e c 柱砌a g n e t 弱am n c t i o no f h e i g h to f g a l l s s m 曲嚣 2 5 。2 样品托的制作 设计制作了透射和荧光样品托以及全电子产额样潞托。如图2 1 0 ，图2 。1 l 鄹盈2 一1 2 所示。 上 塑2 一l o 遴射和荧光样品撼装配图 f 1 92 - 1 0l a y o u to 士s 跏辨l es h e i t 时仃锄s 麟s s i 0 1 la n dt l u o r e s c e n c e 2 6 圆偏振器原理筒性能测试 2 。6 。l 闷步辐射x 射线国编攘光 根据c d 的实验要求，需要圆偏振的入射x 射线。根据光的横波性， 在光波的电偶檄子及辐射模型中，偶极子震荡产生电磁波，因为电场波在包含 偶援子鹣乎嚣肉振羲，掰鼓麸每个偶梭子发爨戆竞豁是缡摄光阴。 北京工业大学工学硕士学位论文 圈2 一n 全电子产额样品携实物图 鞘g2 1lp 矗。韶to f s 糊p i es 獬f o f 幻掘le l e c t f o n 至cy 姑d 图2 1 2 全电子产颧样品托示意图 f i g2 1 2l a y o u to f s 柚p l e8 h e l f o f t o t a le l e c t r o n i cy i e l d 设以攀色平獯必波z 轴方内袭摇，每个馁极子发擞豹光都是骟摄毙，到魄 场波在某一点处为： 式中俨扛k z ； a z 、a y 分别为电矢潼在x 和y 轴上的振幅分量； 国为攘动角频率； 6 为振动初相位，它的振动面与x 轴的夹角为0 ，t a l l e = e 妒驴a y ，a 。 消去式( 2 - 3 ) 串的t ，整理得 ( 2 _ 3 ) 第2 章硬x 射线磁圆二色吸收谱实验装置 ( 黔阱一2 嚣c o s 汹椭 弘。， 式中6 = 6 v _ 6 ； 如式( 2 4 ) ，光矢量马、& 端点和方向都是在有规律的变化，以其末端运 动轨迹区分偏振种类；如果6 = o 或士2 兀的整数倍，这时e v = e ) 【a ，a x ，表示合 成电矢量沿着一条经过坐标原点而斜率为a 。a 。的线偏振光；6 = 士兀的奇数倍时， 这时e v = - e ；l a ，a 。，表示合成电矢量沿着一条经过坐标原点而斜率为a v a x 的 线偏振光；椭圆偏振光振动面的旋转方向取决于s i 柏的符号，通常规定，当对 着光的传播方向看去，振动面作顺时针旋转为右旋偏振光即s i n 6 0 ，反之， s i n 6 0 为左旋偏振光；如果a = a ：。且6 = 州2 或3 7 【，2 ，则该式表示圆偏振光，如 图2 1 3 ，为左旋圆偏振光。 图2 1 3 圆偏振光示意图 f i g2 1 3l a y o u to fc i r c u l a r l yp o l 撕z e d1 1 9 h t x 射线是电磁波，因此一样可有各种偏振，其偏振形式可以由另外一种形 式表示即三个s t o k e s p o i n c a r e 参量( p 1 ，p 2 ，p 3 ) 所完全表述，其中p 1 表示水平 或垂直方向上的线偏振，p 2 表示4 5 。倾斜方向上的线偏振，p 3 则表示左、右 旋圆偏振。( p 1 ，p 2 ，p 3 ) 构成p o i | 1 c a r e 偏振矢量p ，其模不大于1 ：ipi 1 。 与1 相差的部分，1 ipi ，是非偏振成分，也叫自然偏振成分。一光源的偏振 度可由fpi 表示，其具体偏振形式则由ipf 的分量确定。同步辐射是具有很 高偏振度的x 光源，一般偏振度至少在9 0 以上 2 2 】。由弯铁或、i g g l e r 弯铁产 生的同步辐射光的偏振特性如图2 1 4 ：在电子束轨道平面内是线偏振光，在轨 道平面上方及下方是手性相反的椭圆偏振光在垂直方向随着发散角的增大，逐 北焱工业大学工学硕士学位论文 渐由线性变为椭圆再到园偏振，强度迅速减弱。电矢避振动主要在与弯转轨道 平面平行秘方麓上，镶攘注袄赖于蕊襄角帮波长，不游链量下求平帮蓬壹编攘 分量的改变趋势紧密的受到变避的影响。光束线狭缝的垂直接收张角的变化同 样影响偏振度盼大小，在不影响光通避的前掇下尽量减小狭缝，可以得到更加 纯净的德摄光。 争 弯铁或w 培g k圆偏振x 射线椭圆偏振x 射线 绒偏振x 射线 图2 - 1 4 同步辐射光偏糕特性示意圈 f 噜2 1 4l a y o u to f p o l 州z a t i o nc l l a r a c t e ro f s y n c h r o 由r o nr a d i a t i o nx 啃a y 遥颦来势了灌强黧镐振熬嚣步辐魅，久嬲已裂穆爨各秘零羹嚣i 璞瓣在旗存 环上的专门插入件，像椭圆摇摆器、螺旋式振荡器、非对称摇摆器、交叉式振 荡器等等。另一稃产生较高强度菌偏掇x 光的办法燕应用晶体动力举衍射中的 些特殊的镘棚关系采制作x 光光学器件，其中有些可以起刭像光学里l 4 嫩 片的作用【3 0 l 。 另夕 揭露测定x 必寒熬镶缀度戈其是强镶搓度也是人粕毙较关，貉魏阗爨。 线偏振光可用敞射角为9 0 。的b r a g g 反射所测定，遂已为人们熟知。目前测量 藏偏摄毙静办法有两耱，一是爝上西德戮酶l 雄波长滤片将鞠偏振成分转纯为 线偏振，二是月非中心对称晶体中的多光束b r a g g 衍射直接测量圆偏振及线偏 振成分。 2 + 6 2 国编攘器魇逢 根据完整龋体的衍射动力学理论，透射x 射线的相移量( 即圆偏振度) 可 以由稍偏离布拉格衍射角的偏离角控制，当线偏振光矢量垂廒分量玩和水平分 量磊之间戆撼位移囝毙衢2 瓣，裁产生了左右夔瑟镳振光。蚕2 1 5 中为鼹缡 振光生成示意豳，图2 1 6 为圆偏振器实样网。其理论公式见式2 5 ： 三o h ”= ；| o 等o照翊 第2 章硬x 射线磁圆二色吸收谱实验装置 = g r 吸k 】) 酽) _ l 暖t s i i ( 2 名) 】0 矿= a ( 2 5 ) 上式中中为线偏振光矢量e 。和k 之间的相位移，0 为偏离布拉格角的角度， 一般以角秒( ”) 表示，t 为有效厚度，即x 射线经过金刚石的实际路径，a 为与 晶体相关的常量，其中r 。为经典电子半径，v 为晶胞体积，九为x 射线波长( a ) ， 0 b 为布拉格角，f h 为h k l 反射结构因子，e b 为布拉格角( 。) 。 图2 1 5 圆偏振光生成图 f 追2 1 5s c h e m a t i cl a y o u ts h o w i l l gn l eg e n e r a t i o no f c i r c u l a d yp o l 撕z e dx r a y s 图2 1 6 神津二维转台及人造金刚石偏振片实物图 f i g2 - 1 6p h o t oo tc i r c u l 龃p 0 i a n m e t e r 实验中所用的金刚石片与厚度方向垂直的表面为( 1 0 0 ) ，尺寸为5 6 o 9 3 舢一。图2 1 7 中给出计算的0 9 3 n l m 厚度的金刚石片对不同能量x 射线的 吸收率，可以看出随着x 射线能量的提高，金刚石片吸收率明显降低。在p t 的l 3 边( 1 1 5 6 4 e v ) 处吸收率为4 0 ，在m n 的k 边( 6 5 3 9 e v ) 处吸收率为9 3 ， 吸收率过大会明显降低透过的信号强度，所以在低能区需更换吸收率更低的晶 体。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1 7o 9 3 i i l l n 厚金刚石偏振片对x 射线的吸收率 f 谵2 。1 7 a b s o r p t i 叽r a 把o 。d i a m o n dp h a s e 代t a r d e r 嬲a f i l l l c t i o n o t 。x r a y e n 盯g y 2 6 3 衍射晶面定位和e e 扫描 金刚石( 1 1 1 ) 衍射面的e b 定位是由s c 2 0 0 两维转台确定的，将能量调到 p t 的l 3 吸收边对应的能量，将二维转台2 0 b 臂，即光电二极管探头转到2 e b ， 然后让二维转台的0 b 臂在e b 附近扫描，获得摇摆曲线，如图2 1 8 ，同时给出 了e - 7 1 1 2 k “( f ek 边) ，e b _ 2 5 0 4 0 4 。的摇摆曲线。 图2 1 8p t b 边和f e k 边能量下测得的金刚石( 1 1 1 ) 衍射峰的衍射摇摆曲线 f i g2 - 1 8r d c k i n gc u r v eo f 出锄彻d ( 1 1 1 ) d i 缶a c t i o np e a l 【a te n e 晒e so f p tl 3 锄df ek a b s o r p 吐o ne d g e 为获得理想的圆偏振光，我们将能量固定在p tl 3 边吸收峰附近，r 与旷 ( n m一扫面c芑一 第2 章硬x 射线磁圆二色吸收谱实验装置 差值最大的位置，连续改变偏置角o ，进行了c d 信号强度的测量。在电 磁铁磁隙内放置p t f e 合金样品，从ob 位置开始扫描不同的o 下测量x m c d 信号，如图2 1 9 ，可以观察到在1 1 5 6 7k d v 下，2 8 ”处c d 信号强度达到 峰值，说明eb 偏离2 8 ”处圆偏振度p c 最大。本文中对获得的c d 谱，我 们将圆偏振度近似认为是1 0 0 ，不再进行修正。我们通过理论公式得到的偏 置角为1 4 7 ”，这种差别为x 光发散度和晶体完整性等原因造成的。因此，在 实际测量x m c d 谱时，偏置角应以计算值为参考，由实验值确定。 o ( s e c ) ) 图2 1 9 测量p t l 3 边的吸收峰处们d 强度随偏置角e 的变化 f i g2 - 1 9n t e n s 蚵o f x m c do f p cl 3 - e 电ev i ao 盛e ta n g l e ，o 小结 在本章中，我们介绍了在北京同步辐射装置( b s r f ) 1 w 1 b 光束线和) 0 心s 实验站上国内首次建立的硬x 射线波段的x m c d 实验装置；介绍了x m c d 吸 收谱的透射、( 低温) 荧光以及全电子产额等实验方法和我们对x m c d 吸收谱 实验设备的研制工作，对以人造金刚石为相位延迟片的硬x 射线波段圆偏振起 偏器、电磁铁进行性能检测工作。 第3 章x m c d 吸收谱测量及误差分析 第3 章硬x 射线磁圆二色吸收谱测量及误差分析 3 1 引言 c d 吸收谱提供了磁性材料电子态的细节信息。结合x 射线吸收谱实验 方法，可以对磁性材料中特定元素不同吸收边进行测量，从而根据求和规则，直 接分离元素的轨道磁矩和自旋磁矩。在硬x 射线波段，l 吸收边讧c d 吸收谱 适合测量5 d 金属( 例如p i ) ，研究5 d 金属在3 d 过渡金属( 例如c o 、m n 和f e 等) 合金中磁局域环境效应 3 l 】 ”。 作为此套实验装置的初次测量，此次实验中，我们测试了p t 3 7 f 。6 3 和p t 2 6 f 。7 4 无序合金，获得了p tl 2 3 吸收边x m c d 吸收谱，并且根据所得实验数据利用求 和规则获得了p t 的轨道和自旋磁矩。我们还测试了p t c o 磁性多层膜，获得了 p t l z 3 订c d 吸收谱，此外，我们对实验中出现的系统误差进行了分析。 3 2x m c d 吸收谱的测量 磁性薄膜是近年来的磁学和磁性材料研究的前沿阵地n ”。磁性材料的原 子磁矩是研究磁性材料的重要物理参数。根据实验原子磁矩的大小与磁性薄膜的 厚度有着密切的关系。厚度从几个纳米到几百个纳米的磁性薄膜所表现出的厚度 效应涉及多个物理量的的变化，成为研究的热点，例如：例如居里温度t c 随厚 度的变化【3 5 i ；自旋与轨道的耦合是磁晶各向异性能的主要来源口“，随着薄膜厚 度的逐渐减小，表面原子对磁性的贡献增大，耦合作用随之增强，磁性薄膜中磁 化方向随厚度增加从垂直薄膜平面方向转向平行薄膜平面方向鲫。 我们首先使用p t f e 无序合金检验此套硬x 射线以c d 吸收谱实验装置可行 性。图3 1 是测量的h 3 7 f o 目无序合金p i k ，l 2 边的x a n e s 和“c d 吸收谱， 采用透射模式，外磁场为b = o 2 l t 。p t 的l 3 吸收边出现了很强的x m c d 吸收谱 信号，归一化处理后，相对强度达到0 1 1 ，说明p c f e 合金中p t 由于f e 的诱导 作用具有了磁矩口8 】口9 1 h ”。 作用具有了磁矩9 8 】【3 9 l h ”。 北京工业大学工学硕士学位论文 山 z e n e r g y ( k e v ) 图3 - lp c 3 7 f e 6 3 无序合金p t l l 3 边的) ( i c d 和x a n e s 谱 f i g3 - 1l 2 je d g e sx m c d & ) 乙虻n e ss p e c 舡u mo f p t 3 7 f e 6 3d i s o r d e r e da l l y 如图3 1 中插图所示，在改变外磁场的情况下，l 3 ，l 2 边的x m c d 吸收谱 信号也随之反转，说明我们得出的x m c d 吸收谱信号确实是由于p t 的磁性所致， 磁场方向的改变导致p t 磁矩的重新取向，使得对左旋和右旋偏振光的吸收反向。 由于我们测量的是p t 的l 边，对应原子的2 p 到5 d 的跃迁，因此，可以认为f e p t 合金在原子尺度下的混合，造成p t 的5 d 磁矩在磁场下择优取向。图3 2 是同样 条件下测量到的6 f e 7 4 合金中p tl 2 和l 3 边的c d 吸收谱中，对于p t 2 6 f e 7 4 无序合金，由于f e 、p t 成分比例的变化，导致其x m c d 信号与p t 3 7 f e 6 3 无序合 金相比有明显降低。 己 口 c ) 乏 e n e r g y ( k 啪 图3 2p t 2 6 f e 7 4 合金p t l 2 和l 3 边的c d 谱 一n西一qo兰 第3 章x m c d 吸收谱测量及误差分析 f 。培3 2 l 2 ，l 3e d g e sx m c ds p e c 仃1 l l i lo tp t 2 毋。e 7 4d i s o f d e r e da l l y 3 3 求和规则计算轨道磁矩和自旋磁矩 根据t h o l e 等人提出的求和规则，x m c d 轨道和自旋求和公式h 1 1 如下： m 砷= 一( 2 q 3 r ) ( 1 0 一n 5 d ) ( 3 - 1 ) m 。一7 m ，一鱼：丝! 兰：兰兰旦! ! 坐型 ( 3 2 ) m s p 缸一，m t = 一二= i ! 生 ( 3 。2 ) 其中，m o r b 和m 。i 1 1 分别为轨道和自旋角动量，单位为：ub a t o m ，r 为5 d 吸收截面，单位为c m 2 a t o m ，n 5 d 为5 d 壳层的电子数，无量纲，p 为l 3 边c d 吸收谱的积分，q 为l 2 ，3 c d 吸收谱积分和，h 1 t 为磁偶极项，试验中很难获 得，并且由于5 d 能带的相对宽化，可以忽略【4 2 【4 3 1 。r 1 0 n 5 d ，为每个5 d 空穴吸 收截面，为了获得芯能级到5 d 非占据态( 2 p n d ，s ) 吸收率，不能直接利用在3 d 过渡金属元素中广泛使用的吸收截面与电子空穴数的比值。我们可以通过比较 p t 和a u 近边吸收谱获得，图3 3 给出归一化后p t 和a u 箔片l 2 3 近边吸收谱。 由于晶格常数的不同，我们以1 0 7 放大了a u 的能量范围，使p t 和a u 吸收谱边 前和边后近似重合。根据以下公式： 志叱詈c 篙， 协s ， 公式中f 警( o 甚( e ) 一靠( e ) ) 可通过计算p t 和a ul 2 ，3 近边吸收谱积分差 获得，而n 5 d ( p t ) - n 5 d ( a u ) 为1 0 6 。 图3 3p c ，a ul 2 3 近边吸收谱 f i g3 - 3p t ，a ul 2 3 ) 乙n e s 在计算前，由于初态和末态筒并度的影响，对p t 和a u 的l 2 边吸收谱跳高 北京工业大学工学硕士学位论文 进行了1 2 2 2 倍的修正。表格3 1 列出了根据求和规则获得的轨道和自旋角动量。 表格3 1p t f e 无序合金的轨道磁矩和自旋磁矩 t a b l e3 - 1t h ero r b i t a la 1 1 ds p mm a 驴e t i cm o m e n t sm e a s u r e dhp 代d i s o r d e r e da 1 1 y s 锄p l em o r b ( ub a t o m ) m 印h ( ub a t o m ) p t 3 7 f e 6 3 0 0 2 6o 1 7 4 p t 2 6 f e 7 4 o 0 1 o 0 5 2 3 4p t c o 磁性薄膜材料) 0 c d 吸收谱的测量 - z 凸 o = f 图3 4 p t c o 磁性多层膜x a n e s 图3 5 p 忙。磁性多层膜x m c d 谱 f i g 3 5x m c ds p 吲n mo f p t c om 删i cm i n t 订a y e r s p t c o 磁性多层膜是中科院物理所的合作者制备的，其制各条件是：单层为 第3 苹x m c d 吸收谱测量及误差分析 p t ( ) a ) c o ( 3 0a ) ，共2 0 层，不同样品单层c 0 3 0 a 固定，只改变p t 的厚度x 。 样品由磁控溅射制备，沉积在s i ( 0 0 1 ) 基体c u 的缓冲层上。磁控溅射系统的基本 真空度为4 1 0 _ 5p a ，磁性薄膜生长过程中，冲入压力为0 5p a 的氩气，沿薄膜 平面施加o 0 3 t e s l a 的磁场，可使样品在某一方向的易磁化取向，并标记在样品 的背面。 如图3 4 ，实验过程中必e s 谱是利用全电子产额法获得的。样品易磁化 轴与入射光方向平行，与磁场方向成4 5 度，这是为了使x 射线完全打在样品上， 激发出来的电子可以被带有3 0 0 伏高电压的铜片接收，从而形成回路，获得电信 号。 如图3 5 ，随着在单层中p t 厚度x 的增加，x m c d 信号有明显降低，可以 初步推断，c o 对p t 的诱导磁矩变小，诱导是在界面处发生的，而其原因是扩散 作用随着p t 厚度x 的增加而降低了。 3 5 系统误差的讨论 我们对x m c d 实验方法的系统误差进行了研究。在光路上不加圆偏振器，在 样品上不加外磁场，x m c d 扫描模式下测量p t 箔片的l 3 边吸收谱，利用同样的程 序，能量每变化一步，采样两次，进行归一化处理后，获得近边吸收谱，两谱信 号相减，得到1 - 脚。如图3 - 6 中插图所示，在不同的单色器能量扫描速度和不同 的偏置角下，分别获得a 、b 和c 谱。我们发现测得的l - 岍信号具有固定的谱形 和强度，归一化后其相对强度约为0 0 0 8 。很显然，这种信号不是由于元素的磁 性所致。 这种偏差与吸收谱的斜率有密切关系，在吸收边跳跃很陡的地方，在两次信 号读取上微小的差别会产生很大的偏差，在图3 6 中，所采谱计算机设置参数分 别为a 谱单色器能量扫描速度2 0 0 ，偏置角5 ”，b 谱单色器能量扫描速度2 0 0 ，偏置 角0 ”和c 谱单色器能量扫描速度2 0 ，偏置角o 。我们给出了近边吸收谱的微分谱 f d i 髓r e 幽a c e ) 和ux1 ux 2 谱作对比，可以看出二者有很强的相关性。这种ux 。一ux 。谱很显然不是由于单色器步进系统的系统误差所致，因为在两次信号的采 样过程中，单色器步进电机并没有移动。可能的原因是探测器、电子学系统的系 统误差，如电子学噪音，v f 的线性性等。这种误差具有确定的大小和方向。由 于左旋和右旋信号的采样在时间上不同步，两种偏振光在经过金刚石后强度略有 北京工业大学工学硕士学位论文 差异，造成的微小误差对变化很陡的吸收边产生较大的影响。这种误差对于 m x c d 信号较弱的材料影响较大，在进行讧c d 测量时，必须特别注意，加以修 正。 1 5 0 ”e n e 吊” 图3 6x m c d 测量系统误差分析 f i 9 3 - 6a n a l y s eo tx m c d d e t e c t i v es y s t e m 唧。 小结 在本章，我们讨论了使用透射方法测量了p t - f e 无序合金p tl 2 3 边的) 0 讧c d 吸 收谱，通过5 d 过渡金属求和规则，获得了p t 自旋和轨道磁矩。利用全电子产额方 法，测量了p t c o 磁性多层膜p tk 3 边的讧c d 吸收谱。对于在讧c d 吸收谱实验 过程中产生的系统误差进行了分析。 一：母一ftl，pv金ig五一协cmdc 一 一 一 一 一 m 。 加 瑚 懈 瑚 渤 (ne)leiluaj鐾lp l盆扫丽co口ul 结论 结论 本论文介绍了在北京同步辐射装置( b s r f ) 上国内首次建立了硬x 射线波 段的磁圆二色( c d ) 吸收谱实验方法。在1 w 1 b 光束线和x a f s 实验站上， 以x 射线吸收精细结构实验装置为基础，搭建硬x 射线磁圆二色( x m c d ) 吸收 谱实验装置，从而获得了订c d 吸收谱。 此装置根据硬x 射线磁圆二色吸收谱实验需要，以人造单晶金刚石作为相位 延迟片，在透射劳埃( l a u e ) 模式下，利用x 射线衍射动力学原理，将入射的单色 线偏振光转变为左旋和右旋圆偏振光，获得了磁化样品左旋和右旋圆偏振光吸收 谱，并对圆偏振器的性能进行了测试。由于x 射线对金刚石的吸收率不同，在进 行不同能量段的c d 吸收谱测量时需要更换不同厚度的金刚石。 设计并制作了小型电磁铁，可以为实验提供o 2 7 t e s l a 的稳定磁场。提供透射、 ( 低温) 荧光和全电子产额样品托，可以方便地在空气中测试磁性样品特别是磁 性多层膜样品c d 吸收谱。 对p t f e 合金体系进行了测量，观察到相对于钮s 谱强度为1 0 左右的 m c d 信号，并根据c d 谱，利用求和规则得到了p t f e 合金中p t 的轨道和自 旋角动量，随着f e 含量的降低，p t 的诱导磁矩有所下降。利用全电子产额方法， 测量了p t c o 磁性多层膜p tk 3 边的x m c d 吸收谱。随着在单层中p t 厚度x 的 增加，x m c d 吸收谱有明显降低，可以初步推断，c o 对p t 的诱导磁矩变小，诱 导是在界面处发生的，而其原因是扩散作用随着p t 厚度x 的增加而降低了。 同时研究表明，起偏元件的吸收率、探测系统的系统误差等都会影响到 订c d 信号采集。 实验可以证明这套实验装置基本是可行的。这一实验方法的建立为国内硬x 射线能量波段磁性材料的微观磁性结构的研究提供了先进的研究手段。 参考文献 l 王劫，周映雪x 射线磁性原二色吸收谱核技术，2 0 0 l ，2 4 ( 7 ) ：5 8 5 0 9 0 2 丁海峰，董国胜，金晓峰x 光磁圆二色谱及其应用物理，1 9 9 8 ，2 7 ( 1 0 ) ：6 2 1 6 2 5 3 马礼敦，杨福家同步辐射应用概论，上海，复旦大学出版社，2 0 0 0 4 j s t 6 h r ，x m ys p e c 订。一m i c m s c o p y o fc o m p l e xm a t e r i “sa n ds i l r f k e s r e f e r e n c e s j e l e c 仃o n s p e c 廿o s c r e l a t p h e n 锄，1 9 9 5 ，7 5 ：2 5 3 5 m f a r a d a y p l l i l m a g ，1 8 4 6 ，2 9 ：1 5 3 6 p z e e m a l l r e s e a r c h e si nm a g l l e t o - o p t i c s ，l o n d o n ：m a c m i l l a l l ，1 9 1 3 7 w i v o 谤m a 髓e t o 砌de 1 e c 订o - o 曲c s n b j n g e n ：l e i p z i g ，1 9 0 8 8j le r s k i l l e ，e - a s t e m c a l c u l 撕o no ft l l em 2 3m a g n 咖_ o p t i c a la b s o i p t i o ns p e c 缸l i no f 咖a 印鲥c n i c k e l p h y s r “b ，1 9 7 5 ，1 2 ：5 0 1 6 9 b t t h o k ，gv a nd e rl a 卸，g a s w a t 嘲呼s 仃o n gm a 留t i cd i c h r o i 锄p r c d i c t e di nm em 4 5 x - r a ya b s 唧t i o ns p e c n _ ao f m a g n e t i c r a r e - e a m lm a t e r i a l s p h y s r e v l e t c ，1 9 8 5 ，5 5 ：2 0 8 6 1 0qs c h m 五w 毗唧e lw 晰1 h e l m ，p - k i e n l e ，rz e l l e l & f r a l m ，gm a t e r l i k a b s 唧t i o no f c i r c u l a r l yp o l a r i z e dxr a y si ni r o n p h y s r e v l e t t ，1 9 8 7 ，5 8 ：7 3 7 1 lm b 1 u m e ，d 0 0 ng i b b s p 0 1 a r i 蹦o nd e p e n d e n c eo fm a 驴e t i cx _ r a ys c 甜e r i n g p h y s r e v b 1 9 8 8 ，3 7 ( 4 ) ：1 7 7 9 1 7 8 9 1 2c t c h e n ，f s e t 【e ，y m a a i l ds m o d e s t i s o m x - r a ym a 驴e 廿cc i r c l l l a rd i c h r o i s ma t 廿1 el 2 j e d g e so f l l i d 1 p h y s r e b ，1 9 9 0 ，4 2 ：7 2 6 2 7 2 6 5 1 3 b t t h o l e ，p c a l t a ，f s e t 【e ，e tg v 蛆d e rl a a n x - r a yc i r c u l a rd i c h r o i s m 嬲ap r o b eo f o r b i t a l m a 印e t i z a t i o n p h y s r e v k t c ，1 9 9 2 ，6 8 ：1 9 4 3 1 4b c a r r a ，b t t 1 e ，m a l t a r e u i ，x w 抽舀x - r a yc i r c u l a rd i c b r o i s ma n dl o c a lm a 印e t i cf i e l d s p h y s r e v l e 廿，1 9 9 3 ，7 0 ：6 9 4 1 5yy 抽锄0 t o ，tm j u r a ，m s l 】z i 】l 【i ，n k a w 锄i l r a ，h m i y 蟛1 w a ，t n a k 帅u 强k k o b a y 弱h i ，t t c 眦i s h i ，a n dh h o r i d i r e c to b s e r v a t i o no ff e n d m a 驴e t i cs p i i lp 0 1 a r i z 碰o n i ng 0 1 dn 血0 p a r t i c l e s p h ”r 乳l e t t ，2 0 0 4 ，9 3 ( 1 1 ) ：1 1 6 8 0 1 1 6c t c h e n y u i d z e r d a ，h - j 踟，g m e i g s a c h a j k e n ，g a p l i n & e l e m e n t - s p e c i f i c m a 粤1 e t k 1 1 ”t e r e s i s a sam e 趾sf b r s t i l d y i n gh e t e r o m a g n e t i cm u m l a y e r s p h y s r e v b ， 1 9 9 3 ，4 8 ，：6 4 2 6 4 5 1 7m g s a l l 】a 1 】lj s t 啦s ，旺