一种测试磁性材料的铁磁共振线宽面内分布的方法及系统

摘要

本发明公开了一种测试磁性材料铁磁共振线宽面内分布的方法及系统，涉及磁性材料参数测试技术领域。本发明能够克服现有技术中微波探针尖端在测试磁性材料中形成微波磁场很弱的缺点，本发明通过增强微波探针的尖端在磁性材料中形成的微波磁场，使得矢量网络分析仪获得更强的返回信号，进而能够用于测试更薄的磁性薄膜的铁磁共振线宽；本发明能够通过分析磁性薄膜样品各区域的铁磁共振线宽的差异进一步反映磁性薄膜的均匀性，相比于传统的光学测试方法具有快速、简便的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料参数测试技术领域，具体为一种测试磁性材料铁磁共振线宽面内分布的方法及系统。

背景技术

近年来，铁磁共振与顺磁共振、核磁共振一样，逐渐发展成为研究磁性材料宏观现象与微观机理的一种重要手段。磁性材料在一定频率的微波磁场和外加与微波磁场垂直的恒定磁场下，当微波磁场的频率与磁性材料在恒定磁场下磁化进动的频率一致时，磁性材料将会从微波磁场中吸收最大的能量，即发生共振吸收，这样的现象被称之为铁磁共振(Ferromagnetic Resonance，FMR)现象。铁磁共振技术不仅能够提供各种静态磁性参数，如各向异性，交换耦合等，而且，铁磁共振探测方法还具有高灵敏度的特点。

目前，随着人们对自旋电子学的深入研究，出现了很多种利用局部铁磁共振来探测磁性材料的新技术，比如Perzlmaier发明的微焦点布里渊散射光谱、Neudecker发明的时间分辨扫描克尔显微镜等，科学家用这些新技术的实部空间图像来反映磁性材料FMR空间强弱的分布，但是这些光学探测方法受到了光衍射的限制，也就是受到了尺寸的限制(0.5μm)。而通过微波探针来探测磁性材料局部铁磁共振进而研究FMR空间强度分布，由于微波探针具有探测尺寸只与探针针尖的半径有关的特点，即如果针尖的尺寸做到足够小，就可以探测到纳米的数量级，然而，如果磁性薄膜样品过于薄，探针的针尖在磁性材料中形成的微波磁场很弱，这样就导致探测到的返回信号很弱，信噪比过低，甚至有可能导致探测不到这种微弱的信号。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种测试磁性材料铁磁共振线宽面内分布的方法及系统。

本发明的技术方案如下：

一方面本发明公开了一种磁性材料铁磁共振线宽面内分布的测试系统，包括：电磁铁，电流源，矢量网络分析仪，微波探针，位移台和计算机；其中：计算机与矢量网络分析仪相连进行数据采集，矢量网络分析仪通过射频连接器端口与微波探针相连，并使得微波探针设置在位移台上样品区正上方，微波探针的针尖通过金丝与微波探针外导体连接形成终端短路结构，矢量网络分析仪产生与样品面平行的微波磁场，电流源一端口与所述计算机连接通过编程控制输出电流，电流源另一端口与电磁铁相连接以形成与所述微波磁场相垂直的恒稳静磁场。

另一方面本发明公开了一种测试磁性材料铁磁共振线宽面内分布的方法，包括以下步骤：

步骤A：搭建测试平台；

将待测磁性薄膜样品固定于位移台上，对矢量网络分析仪进行校准后，将微波探针通过射频连接器端口连接至矢量网络分析仪，使得微波探针设置于磁性薄膜材料样品正上方，所述微波探针的针尖与其外导体连接形成终端短路结构，将计算机分别与矢量网络分析仪和电流源连接，并将电流源与电磁铁连接；

步骤B：样品测试；

将待测磁性薄膜样品划分为多个相互独立的区域，通过矢量网络分析仪产生与待测磁性薄膜面平行的微波磁场，在矢量网络分析仪工作动态范围内选定微波磁场的输出功率，开启电流源，使得与电流源连接的电磁铁产生与所述微波磁场相垂直的稳恒静磁场，通过编程控制电流源使得所述恒稳静磁场的强度等步长变化；

通过调节位移台使得微波探针依次探测待测磁性薄膜样品各区域，在磁性薄膜样品各区域分别采集得到吸收功率随磁场变化曲线，其中：纵坐标为样品测试区域的微波磁场吸收功率，横坐标为稳恒静磁场强度，所述吸收功率随磁场变化曲线的半高宽即为铁磁共振线宽，磁性薄膜样品各区域的铁磁共振线宽即为磁性材料铁磁共振线宽的面内分布。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过采用终端短路结构的微波探针来探测磁性材料局部铁磁共振线宽，能够增强磁性材料内微波磁场，使得矢量网络分析仪探测到的返回信号增强，进而提高了信噪比。本发明能够通过依次测量磁性薄膜样品各分区的铁磁共振线宽，得到样品面内铁磁共振线宽的分布，进一步地，基于样品面内铁磁共振线宽的分布能够检测磁性薄膜表面的均匀性，相比于采用传统方法诸如X-Ray Diffraction(XRD)等光学技术对磁性薄膜均匀性进行检测具有操作简单方便、快速准确的优势。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图；其中，1为磁性薄膜样品，2为电磁铁，3为电流源，4为计算机，5为矢量网络分析仪，6为微波探针，601为外导体，602为金丝，7为位移台。

图2为本发明微波探针与样品的位置示意图及微波探针的终端短路结构示意图；

图3为本发明样品与稳恒静磁场和微波磁场的位置示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例结合附图对本发明进行详细说明，以便更容易了解本发明的技术原理。

实施例：

如图1所示为本发明测试磁性材料铁磁共振线宽面内分布的系统结构示意图，包括：电磁铁2，电流源3，计算机4，矢量网络分析5，微波探针6和位移台7；其中：计算机4与矢量网络分析仪5相连进行数据采集，矢量网络分析仪5通过射频连接器端口与微波探针6相连，并使得微波探针6设置在位移台7上样品区正上方，结合图2可以看出：微波探针6的针尖通过金丝602与微波探针6的外导体601连接形成终端短路结构，矢量网络分析仪5产生与样品面平行的微波磁场(磁场强度表示为h)，电流源3一端口与电磁铁2相连接以形成与所述微波磁场相垂直的恒稳静磁场(磁场强度表示为H)，电流源2另一端口与所述计算机4连接通过编程控制输出电流的大小。

基于上述测试系统本发明还提供了测试磁性材料铁磁共振线宽面内分布的方法，具体包括如下步骤：

步骤A：搭建测试平台；

将待测磁性薄膜样品1和矢量网络分析5的一输出端口固定于位移台7上，然后将微波探针6通过SMA接口连接至矢量网络分析仪5，使得微波探针6设置于磁性薄膜样品1正上方，所述微波探针6的针尖与其外导体601通过金丝602连接形成终端短路结构，将计算机4分别与矢量网络分析仪5和电流源2连接，并将电流源3与电磁铁2连接；

步骤B：样品测试；

将待测磁性薄膜样品1划分为多个相互独立的区域，本发明采取的铁磁共振测量方式为固定频率扫描磁场：开启矢量网络分析仪5，在选定校准的频率范围、输出功率大小以及测试点个数后对其进行校准，选用Keysight 3.5mm接口的85052D校准件，分别经过单端口开路、短路和宽带负载校准后，将校准平面移至SMA接口处，确保不会将微波探针6与矢量网络分析仪5之间由于失配所导致的系统误差引入到测试结果中；

通过矢量网络分析仪5产生与磁性薄膜面平行的微波磁场，定义微波磁场的输出功率为P₁，开启电流源3，使得与电流源3连接的电磁铁2产生与所述微波磁场相垂直的恒稳静磁场(如图3所示)，将矢量网络分析仪5的扫描模式调整为CW>

调节位移台7使得微波探针6依次探测磁性薄膜样品1的各个分区，在本系统中，计算机主要用来实现自动化测试和编程控制的功能，本实施例计算机4通过网线与矢量网络分析仪5相连接，可以对矢量网络分析仪5发送测试指令，并接收矢量网络分析仪5返回的S参数测试数据并保存在计算机4中。通过计算机4分别采集矢量网络分析仪5所得各区域的S₁₁参数，需要根据下式得到磁性薄膜样品局部对微波功率的吸收，定义微波磁场吸收功率为P₂，则：

因此，经计算机4处理能够得到磁性薄膜样品1各区域在预期磁场范围内吸收功率随磁场变化曲线(P₂-H)，根据本领域公知常识，由各区域所得的测试曲线可以直接得到各区域内铁磁共振线宽ΔH(即最大吸收功率1/2值处所对应两个磁场强度差值的绝对值)。曲线图中纵坐标为微波磁场吸收功率P₂，横坐标为稳恒静磁场强度H，所述吸收功率随磁场变化曲线的半高宽即为铁磁共振线宽ΔH，磁性薄膜样品各区域的铁磁共振线宽ΔH即为磁性材料铁磁共振线宽的面内分布。

此外，本发明吸收功率随磁场变化曲线(P₂-H)也可以通过Lorentz函数对薄膜吸收功率峰进行拟合进而获得铁磁共振线宽，所述Lorentz函数如下：

其中，x_c为峰值处，即为H_r；w为吸收峰的半高宽，即为ΔH。

本发明可通过各区域内铁磁共振线宽ΔH之间的差异来判断测试磁性薄膜样品的均匀性。一般来说，认为各区域内铁磁共振线宽ΔH的差异在±5％以内则表示测试磁性薄膜的均匀性好。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。