一種基於永磁體實現磁場掃描的結構及方法
2023-08-01 01:15:41
專利名稱：一種基於永磁體實現磁場掃描的結構及方法
技術領域：
本發明涉及磁電子學技術領域，尤其涉及一種基於永磁體實現磁場掃描的結構及 方法，特別適合於測量磁電子學材料的自旋相關光性質、電性質等，以及變化外加磁場會引 起物理量改變的實驗應用。
背景技術：
自從1988年巨磁電阻效應在鐵/鉻多層結構中被發現後，20多年來，旨在利用電 子的另一內稟屬性自旋來扮演電子電荷在現代信息技術領域中類似角色的新興學科—— 磁電子學，無論在實驗室還是工業界都取得了令人^C異的長足發展。在磁電子學的研究中，讓樣品處於磁場下的環境，自然是不可或缺的實驗條件；同 樣重要的是，使這個磁場在一定範圍內強度以及方向可變，從而獲得物理量隨磁場變化的 fn息o對摻錳砷化鎵一類的所謂稀磁半導體，由於塞曼效應的存在，能級在外加磁場下 會產生分裂而具有不同的能量和自旋取向，這種能級分裂隨磁場變化有顯著的改變。對鐵/砷化鎵一類的鐵磁金屬/半導體結構，在進行自旋注入或自旋濾波等研究 時，如利用自旋發光二極體結構進行光學的自旋探測，或利用極化圓偏振光泵浦的方法進 行光學的自旋注入，則在光學選擇定則的限制下，需要鐵磁金屬薄膜的磁化強度方向平行 於樣品生長方向，這通常要求一個很大的磁場。並且不同磁場強度下，鐵磁金屬薄膜的磁化 方向翻轉出樣品平面的程度不同。通過改變磁場強度，可以分析鐵磁金屬薄膜在此類結構 中扮演的角色。對鐵磁金屬/半導體結構，也可以通過所謂的自旋閥配置，進行磁電阻的測量，以 研究自旋的注入、在半導體中的輸運，以及探測等問題。在這種配置下，鐵磁金屬薄膜通過 光刻等工藝形成不同長寬比的條狀電極，這些電極的磁化強度沿長軸方向而有不同的矯頑 力。改變沿長軸方向的磁場，在某個很窄的磁場區間(通常只有幾到幾十個奧斯特)，不同 電極的磁化方向反平行，此時可以測到顯著的磁電阻變化。可以精確控制強度的磁場，在這 裡更是舉足輕重的實驗條件。現階段，實驗室中主要是通過液氦溫度下的超導線圈，或者電磁鐵米獲取可變的 磁場。對於前者，一個顯而易見的缺點是其對液氦這種價格昂貴、難以獲取的稀缺資源的依 賴性；對於後者，使用者往往又不得不忍受其龐大體積、巨大功耗帶來的一系列問題。而本 發明中使用的釹鐵硼永磁體，能夠全天候、無耗能地為實驗提供強磁場環境，並且擁有和電 磁鐵相比微小的體積，節省了寶貴的實驗室超淨空間。然而，對於永磁體自身來說，並不能 使其提供的磁場可變，這是其天生的缺點。如果能夠基於釹鐵硼永磁體，實現一種可以進行 磁場掃描的實驗結構，無疑將對與磁性相關的實驗研究有很大的益處。
發明內容
(一)要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種基於永磁體實現 磁場掃描的結構及方 法，通過改變所使用的釹鐵硼永磁體與待測樣品間的相對距離，來改變樣品感受到的磁場 強度及磁場方向。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種基於永磁體實現磁場掃描的結構，該結構包 括一釹鐵硼永磁體、一一維電動平移臺及其控制器，其中釹鐵硼永磁體通過自製加工件固 定在一維電動平移臺的檯面上。上述方案中，所述釹鐵硼永磁體為一具有同心孔洞的圓柱體，孔洞中的磁場沿軸 向變化，並且在軸向中心有數毫米尺度的均勻磁場區域，在該區域磁場強度達到最大。上述方案中，所述一維電動平移臺由直線導軌、滾珠絲槓及可移動臺面構成，用以 承載釹鐵硼永磁體，其解析度為1微米，並且可編程通過步進電機控制器控制其運動。上述方案中，該結構還包括一雷射器、一物鏡、一分光平片、一攝像頭、一顯示器和 一高斯計，其中該雷射器和該物鏡構成入射光路，該分光平片、該攝像頭和該顯示器構成監 視光路，用以觀察入射光路在高斯計探頭上的聚焦情況，以確定高斯計的位置，保證高斯計 探頭的位置與之後放置的待測樣品的位置重合。本發明還提供了一種基於永磁體實現磁場掃描的方法，該方法包括步驟1 調節高斯計的位置，通過該監視光路觀察，使入射光聚焦到高斯計探頭頂 端，固定高斯計；步驟2 控制該一維電動平移臺，移動該釹鐵硼永磁體，記錄每個永磁體位置下的 高斯計讀數；步驟3 移走高斯計，將待測樣品置於之前高斯計探頭的位置，從步驟2所得數據 中選取合適的永磁體位置範圍，通過程序控制一維電動平移臺移動，同時進行測量，獲取測 量值-磁場強度曲線。上述方案中，放置待測樣品時，通過該監視光路觀察，使該入射光路的光聚焦到樣
品表面。(三)有益效果本發明提供的基於永磁體實現磁場掃描的結構及方法，利用釹鐵硼永磁體實現了 一種可以掃描磁場的實驗測量結構。利用本發明，可以緊湊、全天候、無消耗地為實驗提供 一個可變的磁場環境。
為進一步說明本發明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的 詳細描述，其中圖1是基於永磁體實現磁場掃描的結構的簡圖。圖2是具體實施過程中，通過移動釹鐵硼永磁體和讀取高斯計讀數得到的「磁體 位置_待測樣品處磁場強度」曲線。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
請參閱圖1所示，圖1是本發明提供的基於永磁體實現磁場掃描的結構示意圖。 該結構的核心部分為一釹鐵硼永磁體MG和一一維電動平移臺MV及其控制器。該結構還涉 及一雷射器L、一物鏡0L、一分光平片BS、一攝像頭C、一顯示器M和一高斯計GM。其中釹鐵硼永磁體MG為一有同心孔洞的圓柱體，其外徑約150毫米，內徑約30毫 米，高約120毫米。同心孔洞中的磁場沿軸向近線性變化，並且在軸向中心有數毫米尺度的 均勻磁場區域，在該區域磁場強度達到最大。其中一維電動平移臺MV由直線導軌、滾珠絲槓及可移動臺面組成，有很大的負載 能力(大於20千克)，以承載釹鐵硼永磁體MG ；其解析度可達到1微米，以保證磁場變化的 程度足夠精細；並且可以通過編程，由步進電機控制器控制一維電動平移臺MV的運動，以 滿足掃描磁場的實驗要求。其中釹鐵硼永磁體MG通過自製的加工件固定在一維電動平移臺MV的檯面上。其中由雷射器L和物鏡OL組成入射光路，由分光平片BS、攝像頭C和顯示器M組 成監視光路，用監視光路觀察入射光路在高斯計GM探頭上的聚焦情況，以確定高斯計GM的 位置，從而保證高斯計GM探頭的位置與之後放置的待測樣品的位置重合。本發明的具體實施過程包括以下步驟步驟一調節高斯計GM的位置，通過監視光路觀察，使入射光路的光聚焦到高斯 計GM的探頭，之後固定高斯計GM的位置。此時高斯計GM探頭的位置與將要放置的待測樣 品位置重合，從而高斯計GM所讀出的磁場就是待測樣品將感受到的磁場。步驟二 通過步進電機控制器控制一維電動平移臺MV，以單步的方式，從零位置 到最大位置移動釹鐵硼永磁體MG，或者手動記錄、或者由高斯計GM輸出釹鐵硼永磁體MG的 每個位置對應的的高斯計GM讀數。這樣，得到一條「磁體位置-待測樣品處磁場強度」曲 線，具體結果請參考圖2。步驟三移走高斯計GM，同樣通過監測光路觀察入射光路在待測樣品上聚焦，將 待測樣品置於之前高斯計GM探頭的位置。步驟四從步驟二所得「磁體位置_待測樣品處磁場強度」曲線中選取合適的釹鐵 硼永磁體MG位置範圍在該範圍中，待測樣品處磁場近似線性地從正向最大磁場變化到反 向最大磁場。在這裡我們選取從140毫米到200. 5毫米的釹鐵硼永磁體MG位置範圍，待測 樣品處磁場強度從-13120高斯變化到+7330高斯。具體結果請參考圖2。步驟五通過步進電機控制器，程控一維電動平移臺MV按步驟四中選取的位置範 圍(140毫米到200. 5毫米)移動。同時，在移動的每一步，對待測樣品進行預期的各種測 量，得到「測量值-磁體位置」曲線。將這條曲線與步驟二所得的「磁體位置-待測樣品處 磁場強度」曲線對比，即得到一條完整的「測量值-待測樣品處磁場強度」曲線。綜上所述，通過控制釹鐵硼永磁體MG的位置，可以在待測樣品處實現從-13120高 斯到+7330高斯的磁場掃描。以上實施辦法說明，本發明基於釹鐵硼永磁體，實現了一種可以進行磁場掃描的 緊湊、無消耗、全天候的測量結構，並且該結構確實可以給待測樣品提供一個可掃描的磁場 環境，可以作為液氦超導磁體或電磁體裝置的備用甚至替代系統。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種基於永磁體實現磁場掃描的結構，其特徵在於，該結構包括一釹鐵硼永磁體、一一維電動平移臺及其控制器，其中釹鐵硼永磁體通過自製加工件固定在一維電動平移臺的檯面上。
2.根據權利要求1所述的基於永磁體實現磁場掃描的結構，其特徵在於，所述釹鐵硼 永磁體為一具有同心孔洞的圓柱體，孔洞中的磁場沿軸向變化，並且在軸向中心有數毫米 尺度的均勻磁場區域，在該區域磁場強度達到最大。
3.根據權利要求1所述的基於永磁體實現磁場掃描的結構，其特徵在於，所述一維電 動平移臺由直線導軌、滾珠絲槓及可移動臺面構成，用以承載釹鐵硼永磁體，其解析度為1 微米，並且可編程通過步進電機控制器控制其運動。
4.根據權利要求1所述的基於永磁體實現磁場掃描的結構，其特徵在於，該結構還包 括一雷射器、一物鏡、一分光平片、一攝像頭、一顯示器和一高斯計，其中該雷射器和該物鏡 構成入射光路，該分光平片、該攝像頭和該顯示器構成監視光路，用以觀察入射光路在高斯 計探頭上的聚焦情況，以確定高斯計的位置，保證高斯計探頭的位置與之後放置的待測樣 品的位置重合。
5.一種基於永磁體實現磁場掃描的方法，應用於權利要求6所述的結構，其特徵在於， 該方法包括步驟1 調節高斯計的位置，通過該監視光路觀察，使入射光聚焦到高斯計探頭頂端， 固定高斯計；步驟2 控制該一維電動平移臺，移動該釹鐵硼永磁體，記錄每個永磁體位置下的高斯 計讀數；步驟3 移走高斯計，將待測樣品置於之前高斯計探頭的位置，從步驟2所得數據中選 取合適的永磁體位置範圍，通過程序控制一維電動平移臺移動，同時進行測量，獲取測量 值-磁場強度曲線。
6.根據權利要求5所述的基於永磁體實現磁場掃描的方法，其特徵在於，放置待測樣 品時，通過該監視光路觀察，使該入射光路的光聚焦到樣品表面。
全文摘要
本發明公開了一種基於永磁體實現磁場掃描的結構及方法。該結構包括一釹鐵硼永磁體、一一維電動平移臺及其控制器，其中釹鐵硼永磁體通過自製加工件固定在一維電動平移臺的檯面上。本發明提供的基於永磁體實現磁場掃描的結構及方法，利用釹鐵硼永磁體和一維電動平移臺的組合實現了一種可以掃描磁場的實驗測量結構。利用本發明，可以緊湊、全天候、無消耗地為實驗提供一個可變的磁場環境。
文檔編號G01R33/038GK101833072SQ20101016248
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者吳昊, 朱匯, 章昊, 鄭厚植 申請人:中國科學院半導體研究所