对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统及方法

摘要

本发明公开了一种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统，包括分子束外延系统、具有特殊光路的磁场控制系统、表面磁光克尔效应测试系统和铁磁性薄膜样品；具有特殊光路的磁场控制系统与分子束外延系统生长室的衬底观察窗口相对接，表面磁光克尔效应测量系统通过调试，能够使入射激光通过磁场控制系统的特殊光路照射到固定在处于生长位置操作器上的铁磁性薄膜样品表面，铁磁性薄膜样品表面的反射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路反馈到信号接收器中。同时公开了一种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的方法。本发明具有简单方便易操作的优点，可无损伤无影响地实现原位表面磁光克尔效应的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及铁磁性薄膜制备技术领域，特别涉及一种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统及方法。

背景技术

长期以来，人们对半导体的利用仅仅是操作了其电子电荷自由度，而它的电子自旋自由度一直没有得到充分的利用，半导体自旋电子学就是要操作半导体中的电子自旋自由度或同时操作半导体中的电子自旋和电荷两个自由度来进行信息的加工处理和存储，从而替代靠操作半导体中电子电荷自由度加工信息、操作磁性材料中电子自旋自由度储存信息的现代信息处理技术。

半导体自旋电子学实际上也是为满足信息技术的超高速、超宽带和超大容量发展趋势而诞生并迅速发展起来的凝聚态领域的一门新兴前沿学科，未来的半导体自旋电子学技术将推动电子学、光子学和磁学三者最终的融合，开发出新一代多功能、高性能、超高速和低功耗的半导体自旋器件乃至实现固态量子通讯和量子计算。如果半导体自旋电子学研究的目标能够实现，将对未来的信息技术产生革命性的影响，带来巨大的经济效益。

能否真正做到在实际应用中操作半导体电子自旋自由度，材料的突破至关重要。如果利用铁磁体/半导体异质结构来操作半导体中的电子自旋自由度，铁磁体的居里温度是否高于室温、是否具有足够高自旋极化度、是否与半导体兼容等则是首先要考虑的问题，因此，能够在室温以上实现较高极化自旋注入率的优质铁磁体/半导体异质结构的探索制备已经成为目前半导体自旋电子学研究的热点。

分子束外延设备可以精确控制薄膜厚度至原子单层甚至亚单层尺度，是制备高质量铁磁体/半导体异质结构的首选设备。分子束外延设备和基本磁性质原位实时监测的一体化将会大大促进半导体自旋电子学研究的进展。磁光效应是研究磁性薄膜基本磁性质的重要手段之一。所谓磁光效应是指磁性物质在外磁场作用下或者磁状态变化时，对在该物质中传输、发射、反射或吸收等光学特性发生影响的现象，包括磁光克尔效应、磁光法拉第效应和磁圆偏振二色性等。

一般情况下，大多数磁光效应的测量是在非原位条件下进行的，然而原位磁光效应的测量更能准确地反映出铁磁性薄膜、尤其是超薄铁磁性膜的磁性质。近年来国内外已有一些实验室将制备磁性材料的超高真空系统与磁光克尔效应测试系统相连，实现了超薄磁性金属膜的原位表面磁光克尔效应的测量，得到了一些有重要意义的结果。但是他们要么在生长室中安装一个电磁铁装置，要么外接一个真空室将生长后的样品传输到该室进行原位表面磁光克尔效应测量，迄今尚未见在分子束外延生长室中利用永磁体实现原位表面磁光克尔效应的有关报道。

分子束外延设备是高度集成、结构精密复杂的系统，原位表面磁光克尔效应测试手段可以在铁磁性薄膜生长过程中无损伤、无影响地探测磁性薄膜的基本磁性质，实时地获知铁磁性薄膜尤其是超薄铁磁性膜的磁性质与生长温度、磁性原子浓度和薄膜厚度等生长条件的关系，对于弄清磁性材料分子束外延生长机理和实现很好的生长控制、探索制备具有优质铁磁体/半导体异质结构具有十分重要的指导意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统及方法，以在铁磁性薄膜生长过程中无损伤、无影响地实现对原位表面磁光克尔效应的测量。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统，该系统包括分子束外延系统、具有特殊光路的磁场控制系统、表面磁光克尔效应测试系统和铁磁性薄膜样品；

其中，该具有特殊光路的磁场控制系统与分子束外延系统生长室的衬底观察窗口相对接，该表面磁光克尔效应测量系统通过调试，能够使入射激光通过磁场控制系统的特殊光路照射到固定在处于生长位置操作器上的铁磁性薄膜样品表面，该铁磁性薄膜样品表面的反射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路反馈到信号接收器中。

上述方案中，所述分子束外延系统包括生长室、固体源源炉、温度控制系统、离子泵和样品操作器。

上述方案中，所述具有特殊光路的磁场控制系统包括铁磁体位置调节器、铁磁体翻转顶杆、具有通光孔的支撑架、石英窗口、玻纹管、轴承连接器、具有通光孔的法兰、拉动杆、铁磁体位置调节杆、铁磁体翻转支架和具有通光孔的铁磁体。

上述方案中，所述表面磁光克尔效应测试系统包括光探测器、光弹性调制器、锁相放大器、光学平台、电学元件和光学元件。

一种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的方法，该方法包括：

步骤1：加工具有特殊光路、并可与分子束外延系统生长室的衬底观察窗口对接的磁场控制系统；

步骤2：通过分子束外延系统生长室的衬底观察窗口，将步骤1所述的磁场控制系统与分子束外延系统进行对接；

步骤3：搭建并调试表面磁光克尔效应测量系统，使入射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路照射到固定在处于生长位置操作器上的样品表面，该样品表面的反射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路反馈到信号接收器中；

步骤4：启动铁磁薄膜的分子束外延生长程序，在铁磁薄膜的分子束外延生长过程中实现对原位表面磁光克尔效应的测量。

(三)有益效果

本发明提供的这种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统及方法，不需要附加电磁场装置，不需要外接真空室，具有简单、方便、易操作的优点，可以在铁磁性薄膜生长过程中无损伤、无影响地实现原位表面磁光克尔效应。

附图说明

图1是铁磁性薄膜制备过程中原位表面磁光克尔效应测量系统配置分布图。其中I区示出了制备铁磁性薄膜的分子束外延系统生长室的部分区域(含磁场控制系统的部分配置)结构框架；II区给出了磁场控制系统的部分配置和表面磁光克尔效应测试系统配置的分布，I区和II区通过特殊设计加工改造的衬底观察窗(见图2)对接起来；

图2是具有特殊光路、并可与分子束外延系统生长室的衬底观察窗口对接的磁场控制系统示意图；

图3是磁性Fe(铁)薄膜和非磁性GaAs(砷化镓)薄膜原位磁光克尔效应曲线，插图为非原位Fe(铁)薄膜磁光克尔效应曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是铁磁性薄膜制备过程中原位表面磁光克尔效应测量系统配置分布图。图1所示的这种在铁磁性薄膜制备过程中对原位表面磁光克尔效应进行测量的系统，包括分子束外延系统、具有特殊光路的磁场控制系统、表面磁光克尔效应测试系统和铁磁性薄膜样品。其中，该具有特殊光路的磁场控制系统与分子束外延系统生长室的衬底观察窗口相对接，该表面磁光克尔效应测量系统通过调试，能够使入射激光通过磁场控制系统的特殊光路照射到固定在处于生长位置操作器上的铁磁性薄膜样品表面，该铁磁性薄膜样品表面的反射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路反馈到信号接收器中。

分子束外延系统由生长室、固体源源炉、温度控制系统、离子泵、样品操作器等组成。

具有特殊光路的磁场控制系统由铁磁体位置调节器、铁磁体翻转顶杆、具有通光孔的支撑架、石英窗口、玻纹管、轴承连接器、具有通光孔的法兰、拉动杆、铁磁体位置调节杆、铁磁体翻转支架、具有通光孔的铁磁体等组成。

表面磁光克尔效应测量系统由光探测器、光弹性调制器、锁相放大器、光学平台、电学和光学元件等各种配件组成。

本发明首先加工了一套具有特殊光路的磁场控制系统，并将之通过分子束外延系统生长室的衬底观察窗口与分子束外延系统生长室对接。然后搭建并调试表面磁光克尔效应测量系统，使入射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路照射到固定在处于生长位置操作器上的样品表面，该样品表面的反射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路反馈到信号接收器中。最后我们启动铁磁薄膜的分子束外延生长程序，进行了Fe(铁)薄膜样品的制备，同时对铁磁薄膜的分子束外延生长过程中的原位磁光克尔效应进行测量。具体实现方法包括以下步骤：

步骤1：加工具有特殊光路、并可与分子束外延系统生长室的衬底观察窗口对接的磁场控制系统；

步骤2：通过分子束外延系统生长室的衬底观察窗口，将步骤1所述的磁场控制系统与分子束外延系统进行对接；

步骤3：搭建并调试表面磁光克尔效应测量系统，使入射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路照射到固定在处于生长位置操作器上的样品表面，该样品表面的反射激光能够通过磁场控制系统的特殊光路反馈到信号接收器中；

步骤4：启动铁磁薄膜的分子束外延生长程序，在铁磁薄膜的分子束外延生长过程中实现对原位表面磁光克尔效应的测量。

图3示出了磁性Fe薄膜和非磁性GaAs(砷化镓)薄膜分子束外延生长过程中的原位表面磁光克尔效应曲线，磁性Fe薄膜(图3中的实线)明显与非磁性的GaAs薄膜分子束外延生长过程中的原位表面磁光克尔效应曲线(图3中的点划线)不同。为了验证这一技术的可靠性，我们还进行了非原位Fe薄膜表面磁光克尔效应的测量对照实验，图3中插图为非原位Fe薄膜表面磁光克尔效应曲线，可以看出其趋势基本与原位Fe表面薄膜磁光克尔效应曲线一致。

这些实验结果表明，利用这一生长方法可以实现铁磁金属薄膜分子束外延生长过程中的原位表面磁光克尔效应测量，证明了这一技术的可靠性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。