一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置的製作方法

2023-04-24 15:21:31

專利名稱：一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置的製作方法
技術領域 本實用新型涉及一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，屬於工程材料、結構形變及力學實驗技術領域。

背景技術：
鐵磁薄膜材料是微電子與信息技術中一種非常重要的功能材料，具有多種獨特的物理特性，如磁各向異性、磁光效應、磁致伸縮效應、磁致電阻效應等，因此它在很多方面都得到了廣泛的應用。在通常情況下，鐵磁薄膜的力學性能往往決定了由它製備的各種器件的可用性與可靠性，鐵磁薄膜在受到應力作用時(這種應力可以是失配應變、殘餘應力、外加載荷或薄膜溫度變化引起的)，薄膜的微觀結構即晶體結構將發生改變，這種改變會影響原子或離子的自旋與軌道耦合作用，如果再考慮到外部磁場的變化對薄膜磁各向異性的影響，此時，鐵磁薄膜就處於力學加載，熱環境以及磁場作用等多場耦合的狀態。因此，研究如何檢測處於多場耦合作用下鐵磁薄膜的力學行為的方法對其應用有著至關重要的意義。
對處於力熱磁耦合作用下的鐵磁薄膜，應力和磁感應強度可以表述為 其中σ是薄膜應力張量，B是磁感應強度矢量，ε是薄膜應變張量(與薄膜曲率有關)，H是磁場強度矢量，T是絕對溫度。目前，已有許多國內外學者對鐵磁薄膜的力學性能與磁性性能在理論、數值模擬和實驗測量方面進行了研究。在實驗測量方面，針對薄膜基體結構，測量基底的曲率，通過彈性力學理論建立曲率和薄膜應力的關係，這種方法同樣可以用於處在力熱磁耦合作用下的鐵磁薄膜的應力測量中(Sander D，Enders A.and Kirschner J.1999.Magnetoelastic coupling and epitaxial misfit stress in ultrathin Fe(100)-films on W(100).J.Magn.Magn.Mater.198-199519-521.)。對於曲率測量方法，需要通過Stoney公式建立薄膜應力與曲率關係(Stoney，G.G.The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis.Proceedings ofthe Royal Society，A82(1909)172-175，) 其中σ(f)是薄膜應力，Es，vs分別是基體的彈性模量與泊松比，hf，hs分別是薄膜厚度和基體厚度，κ是通過實驗測量得到的薄膜基體結構曲率。然而利用Stoney公式只能由曲率得到薄膜的均勻應力分布。所以，需要更精確的分析和更符合實際的假設條件來獲得薄膜中的非均勻應力。馮雪等於2008年申請的薄膜非均勻應力在線測量的方法及裝置的發明(專利申請號200810116824X)可對在受到外加載荷作用的薄膜進行應力測量，但此裝置只能實現處於力學加載狀態的薄膜應力測量，缺乏對其它外部因素對薄膜工作狀態影響的考慮；馮雪等提出一種多層薄膜基體結構高溫力學行為的在線測量裝置的發明(專利申請號200810222813X)考慮溫度場對薄膜的影響，實現了薄膜處於力熱耦合作用下的應力測量，然而薄膜器件尤其是鐵磁薄膜器件所處的實際工作環境不僅包括力場、熱場的作用，還有對鐵磁薄膜磁性有重要影響的磁場環境，因此，要模擬鐵磁薄膜實際的工作環境，以研究各種因素對薄膜力學、磁學性質的影響，就需要一種可以使薄膜能夠處於力、熱、磁耦合作用下的實驗裝置和方法，以此為薄膜的理論研究和實際應用提供實驗手段和依據。
鐵磁薄膜中應力狀態影響了薄膜的磁性性質，因此對鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為和磁各向異性內在機制的研究的意義是深遠的，對於有效改善鐵磁薄膜的物理性能、使用壽命與可靠性具有重要的指導作用，而且建立一套經濟、實用、精確的鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為測試方法和裝置，可以為鐵磁薄膜的製備、使用和優化設計提供重要依據。因此，從實驗方法和理論分析兩個方面研究鐵磁薄膜在力場、熱場、磁場耦合作用下的應力狀態便成為當前鐵電薄膜研究中的重要課題。

實用新型內容本實用新型提供一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，該裝置及方法可實現力場、熱場和磁場耦合作用下的鐵磁薄膜非均勻應力的在線、實時、全場測量，並同時測量鐵磁薄膜的磁滯回線。
本實用新型的技術方案如下 本實用新型提供的鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，其特徵在於，該裝置包括鐵磁薄膜非均勻應力測量光路、薄膜磁滯回線測量光路、亥姆霍茲線圈及其電源、試件加熱臺、熱電偶、力加載結構和調節支架，所述的試件加熱臺和力加載結構設置在亥姆霍茲線圈所形成的磁場內； 本實用新型所述的鐵磁薄膜非均勻應力測量光路依次包括第一雷射器、第一擴束鏡、分光鏡、第一反光鏡、第一光柵、第二光柵、透鏡、過濾屏以及CCD相機；所述的第一雷射器發出的雷射經過第一擴束鏡後照射到分光鏡，由分光鏡反射的光束到達放置在亥姆霍茲線圈磁場內的試件，經試件反射的光束透過分光鏡到達第一反光鏡，由第一反光鏡反射的光束依次經過所述的第一光柵、第二光柵、透鏡、過濾屏到達CCD相機，所述的第一光柵和第二光柵通過旋轉結構能夠在光柵所在的平面內繞第一反光鏡反射的光束旋轉。
本實用新型所述的鐵磁薄膜磁滯回線測量光路依次包括第二雷射器、第二擴束鏡、起偏鏡、第二反光鏡、第三反光鏡、檢偏鏡以及光電檢測器，所述的第二雷射器發出的雷射經過第二擴束鏡後經過起偏鏡變成線偏振光，此線偏振光經第二反光鏡反射後，照射到放置在亥姆霍茲線圈磁場內的試件，經試件反射的光束到達第三反光鏡，由第三反光鏡反射的光束經過檢偏鏡到達光電檢測器，光電檢測器測量接收到的光束強度。
在所述的試件加熱臺兩側放置第一支架和第二支架，第一雷射器、第二雷射器、第一擴束鏡、第二擴束鏡、第一反光鏡、第二反光鏡以及起偏鏡分別與第一支架相連；所述的分光鏡、第一光柵、第二光柵、透鏡、過慮屏、CCD相機、第三反光鏡、檢偏鏡以及光電檢測器分別與第二支架相連。
本實用新型所述的第一反光鏡通過轉動副安置在第一支架上，所述的第二反光鏡的兩端通過轉動副安置在第一支架上，所述的第三反光鏡的兩端通過轉動副安置在第二支架上。
本實用新型所述的第一雷射器與第二雷射器採用不同頻率的雷射器。
本實用新型與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果實現對處於力場，熱場、磁場耦合作用下的鐵磁薄膜的應力狀態的測量，同時可繪製薄膜的磁滯回線，從而得到薄膜在力熱磁耦合作用下的磁性性能；利用兩片光柵對從薄膜表面反射的光束進行剪切幹涉，幹涉後的光束通過透鏡成像得到幹涉條紋，分析條紋的疏密及條紋級數沿著坐標方向的變化率就可獲得薄膜基體結構的全場非均勻曲率，繼而得到薄膜全場非均勻應力；由於可進行曲率的實時測量，通過改變加熱溫度和外加磁場強度可實現對鐵磁薄膜在加熱過程中和外加磁場變化時的實時監測；該裝置可實現薄膜基體結構曲率的全場、在線、實時、非接觸、非介入的測量，同時可避免振動對曲率測量的影響。

圖1是本實用新型鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置示意圖。
圖中1a-第一雷射器；1b-第二雷射器；2a-第一擴束鏡；2b-第二擴束鏡；3-分光鏡；4a-第一反光鏡；4b-第二反光鏡；4c-第三反光鏡；5a-第一光柵；5b-第二光柵；6-透鏡；7-過濾屏；8-CCD相機；9-起偏鏡；10-檢偏鏡；11-光電檢測器；12-亥姆霍茲線圈；13-電源；14-試件加熱臺；15-熱電偶；16-力加載結構；17-調節支架；18-試件；19a-第一支架；19b-第二支架。
具體實施方式

以下結合附圖進一步說明本實用新型的具體結構和實施方式，但不應以此限制本實用新型的保護範圍。
圖1是本實用新型鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置示意圖。該裝置包括鐵磁薄膜非均勻應力測量光路、薄膜磁滯回線測量光路、亥姆霍茲線圈12及其電源13、試件加熱臺14、熱電偶15、力加載結構16和調節支架17，所述的試件加熱臺和力加載結構設置在亥姆霍茲線圈所形成的磁場內。
薄膜非均勻應力測量光路依次包括第一雷射器1a、第一擴束鏡2a、分光鏡3、第一反光鏡4a、第一光柵5a、第二光柵5b、透鏡6、過濾屏7以及CCD相機8；所述的第一雷射器1a發出的雷射經過第一擴束鏡2a後照射到分光鏡3，，由分光鏡3反射的光束到達放置在亥姆霍茲線圈磁場內的試件18，經試件反射的光束透過分光鏡3到達第一反光鏡4a，由第一反光鏡4a反射的光束依次經過所述的第一光柵5a、第二光柵5b、透鏡6、過濾屏7到達CCD相機8；所述的第一雷射器1a可提供單色性好且均勻的光束；所述的第一擴束鏡2a可將第一雷射器發出的光束擴束並保持其均勻性；所述的分光鏡3將從第一雷射器1a發射並經第一擴束鏡2a擴束後的雷射束反射到試件18，第一雷射器1a、第一擴束鏡2a和分光鏡3位於同一光軸上；從試件18表面反射回來的光束通過分光鏡3到達第一反光鏡4a，試件18、分光鏡3和第一反光鏡4a位於同一光軸上；由第一反光鏡4a反射的光束到達第一光柵5a，經第一光柵5a衍射後的光束入射到第二光柵5b，第一光柵5a和第二光柵5b對光束進行剪切幹涉，所述的第一光柵5a和第二光柵5b是具有相同光柵常數的Ronchi光柵；所述的透鏡6將從第二光柵5b透過的光束會聚成像；所述的過濾屏7將經過透鏡6會聚得到的圖像的無用信息成分過濾掉；所述的CCD相機8將過濾屏7過濾得到的幹涉圖像記錄下來；第二反光鏡4b、第一光柵5a、第二光柵5b、透鏡6、過濾屏7和CCD相機8位於同一光軸上，所述的第一光柵5a和第二光柵5b通過旋轉結構能夠在光柵所在的平面內繞第一反光鏡4a反射的光束旋轉。
薄膜磁滯回線測量光路依次包括第二雷射器1b、第二擴束鏡2b、起偏鏡9、第二反光鏡4b、第三反光鏡4c、檢偏鏡10以及光電檢測器11，所述的第二雷射器1b發出的雷射經過第二擴束鏡2b後經過起偏鏡9變成線偏振光，此線偏振光照射到第二反光鏡4b，第二雷射器1b、第二擴束鏡2b、起偏鏡9和第二反光鏡4b位於同一光軸上；經第二反光鏡4b反射的光束照射到放置在亥姆霍茲線圈磁場內的試件18，經試件18反射的光束到達第三反光鏡4c，由第三反光鏡4c反射的光束經過檢偏鏡10到達光電檢測器11，光電檢測器11測量接收到的光束強度，第三反光鏡4c、檢偏鏡10和光電檢測器11位於同一光軸上； 本實用新型所述的亥姆霍茲線圈12可為試件18提供均勻的磁場，並通過調節電源13改變磁場強度的大小； 本實用新型所述的力加載結構16置於試件加熱臺14上，所述的調節支架17置於試件加熱臺14底部，試件加熱臺14可對試件18進行加熱，力加載結構16可對試件進行力加載，調節支架17可調整試件的安放角度，利用熱電偶15可測量加熱溫度； 本實用新型所述的第一反光鏡4a通過轉動副安置在第一支架19a上，所述的第二反光鏡4b的兩端通過轉動副安置在第一支架19a上，所述的第三反光鏡4c的兩端通過轉動副安置在第二支架19b上； 本實用新型所述的第一雷射器1a與第二雷射器1b採用不同頻率的雷射器。
本實用新型的工作原理如下； 若要研究鐵磁薄膜在力熱磁耦合作用下的力學性能和磁性性能，就要能夠對處於力場、熱場、磁場耦合作用下的鐵磁薄膜的應力和磁滯回線同時進行測量，最便利和可行的實現途徑是採用雷射剪切幹涉方法來測量薄膜基體結構的曲率，通過曲率與條紋級數的關係確定基體的曲率分布，再通過曲率與薄膜基體結構非均勻應力的關係確定鐵磁薄膜的應力，同時，利用表面克爾磁光(Kerr)效應測量鐵磁薄膜的磁滯回線，藉此實現鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測。
試件表面曲率與幹涉條紋級數之間的關係如(3)、(4)兩式 n(y)＝0，±1，±2L (3) n(y)＝0，±1，±2L (4) n(y)是幹涉條紋級數，(3)式中κyy是試件表面曲率的y方向分量，(4)式中κyx是試件表面扭率。
將兩光柵在光柵面內繞垂直光柵平面的軸線旋轉90°，可得試件表面曲率x方向的分量 n(x)＝0，±1，±2L (5) (5)式中κxx是試件表面曲率的x方向分量，n(x)是將光柵旋轉九十度後得到的幹涉條紋級數。
由(3)、(4)、(5)式就可到試件表面曲率的全場信息 (6)式中κxx是試件表面曲率的x方向分量，κyy是試件表面曲率的y方向分量，κxy是試件表面的扭率，n(x)代表在x方向剪切幹涉的條紋級數，n(y)代表在y方向剪切幹涉的條紋級數，與其它曲率測量方法相比，這種曲率測量方法的優點是實現了曲率全場(得到κxx，κyy，κxy三個分量)、在線、實時的測量，且不受振動幹擾。
由(6)式已獲得試件表面曲率(κxx，κyy，κxy三個分量)，經過更精確的分析得到薄膜在加熱狀態下的非均勻應力與曲率的關係如(7)式所示 (7)式中，σrr(f)，σθθ(f)分別是薄膜中的徑向應力和周向應力，τ是薄膜與基體界面之間的切應力，Ef，vf分別是薄膜的彈性模量與泊松比，Es，vs分別是基體的彈性模量與泊松比，αf，αs分別是薄膜和基體的熱膨脹係數，hf，hs分別是薄膜厚度和基體厚度，κrr，κθθ分別是薄膜基體結構曲率的徑向分量與周向分量，可通過(6)式中的直角坐標系下曲率經坐標轉換得到，κrr+κθθ表示κrr+κθθ在全域內的平均值，d(κrr+κθθ)/dr表示主曲率之和的徑嚮導數。由(7)式可知，只要實現薄膜基體結構曲率的全場測量(即κrr，κθθ的測量)，就可實現薄膜非均勻應力的測量。
根據鐵磁薄膜表面的克爾磁光(Kerr)效應，當線偏振光入射到磁化後的鐵磁薄膜表面上，由表面反射的光束的偏振狀態發生改變，通過檢偏稜鏡的光強也發生變化，在一階近似下光強的變化和被測材料磁感應強度呈正比，實際測量時，由光電檢測器11測量反射光強I，再利用標準的已知磁化性質的樣品代替試件18，測得反射光強I′，由於樣品的磁化性質是已知的，由外加磁場強度H計算樣品的磁感應強度B′，試件的磁感應強度可通過(8)式計算， 由此得到試件18的磁感應強度B，改變外加磁場強度，測量出在不同外加磁場強度下試件的磁感應強度，從而繪製試件的磁滯回線。
所述的鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，其特徵在於，該裝置包括鐵磁薄膜非均勻應力測量光路、薄膜磁滯回線測量光路、亥姆霍茲線圈12及其電源13，試件加熱臺14與熱電偶15。
權利要求1.一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，其特徵在於，該裝置包括鐵磁薄膜非均勻應力測量光路、薄膜磁滯回線測量光路、亥姆霍茲線圈(12)及其電源(13)、試件加熱臺(14)、熱電偶(15)、力加載結構(16)和調節支架(17)，所述的試件加熱臺和力加載結構設置在亥姆霍茲線圈所形成的磁場內；
所述的鐵磁薄膜非均勻應力測量光路依次包括第一雷射器(1a)、第一擴束鏡(2a)、分光鏡(3)、第一反光鏡(4a)、第一光柵(5a)、第二光柵(5b)、透鏡(6)、過濾屏(7)以及CCD相機(8)；所述的第一雷射器(1a)發出的雷射經過第一擴束鏡(2a)後照射到分光鏡(3)，由分光鏡(3)反射的光束到達放置在亥姆霍茲線圈磁場內的試件(18)，經試件反射的光束透過分光鏡(3)到達第一反光鏡(4a)，由第一反光鏡(4a)反射的光束依次經過所述的第一光柵(5a)、第二光柵(5b)、透鏡(6)、過濾屏(7)到達CCD相機(8)；所述的第一光柵(5a)和第二光柵(5b)通過旋轉結構能夠在光柵所在的平面內繞第一反光鏡(4a)反射的光束旋轉；
所述的鐵磁薄膜磁滯回線測量光路依次包括第二雷射器(1b)、第二擴束鏡(2b)、起偏鏡(9)、第二反光鏡(4b)、第三反光鏡(4c)、檢偏鏡(10)以及光電檢測器(11)，所述的第二雷射器(1b)發出的雷射經過第二擴束鏡(2b)後經過起偏鏡(9)變成線偏振光，此線偏振光經第二反光鏡(4b)反射後，照射到放置在亥姆霍茲線圈磁場內的試件(18)，經試件(18)反射的光束到達第三反光鏡(4c)，由第三反光鏡(4c)反射的光束經過檢偏鏡(10)到達光電檢測器(11)，光電檢測器(11)測量接收到的光束強度。
2.按照權利要求1所述的一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，其特徵在於，所述的裝置還包括第一支架(19a)和第二支架(19b)，所述的第一雷射器(1a)、第二雷射器(1b)、第一擴束鏡(2a)、第二擴束鏡(2b)、第一反光鏡(4a)、第二反光鏡(4b)以及起偏鏡(9)分別與第一支架(19a)相連接；所述的分光鏡(3)、第一光柵(5a)、第二光柵(5b)、透鏡(6)、過慮屏(7)、CCD相機(8)、第三反光鏡(4c)、檢偏鏡(10)以及光電檢測器(11)分別與第二支架(19b)相連接。
3.按照權利要求2所述的一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，其特徵在於，所述的第一反光鏡(4a)通過轉動副安置在第一支架(19a)上，所述的第二反光鏡(4b)的兩端通過轉動副安置在第一支架(19a)上，所述的第三反光鏡(4c)的兩端通過轉動副安置在第二支架(19b)上。
4.按照權利要求1所述的一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，其特徵在於，所述的第一雷射器(1a)與第二雷射器(1b)採用不同頻率的雷射器。
專利摘要一種鐵磁薄膜的力熱磁耦合行為的檢測裝置，屬於工程材料、結構形變及力學實驗技術領域。該裝置包括鐵磁薄膜非均勻應力測量光路，薄膜磁滯回線測量光路，亥姆霍茲線圈及其電源，試件加熱臺，熱電偶，力加載結構和調節支架。薄膜非均勻應力測量光路包括雷射器、擴束鏡、分光鏡、反光鏡、光柵、透鏡、過濾屏、CCD相機；薄膜磁滯回線測量光路包括雷射器、擴束鏡、反光鏡、起偏鏡、檢偏鏡、光電檢測器。該方法利用亥姆霍茲線圈為鐵磁薄膜提供均勻磁場，利用試件加熱臺對薄膜進行加熱，利用力加載結構對薄膜進行力加載，利用剪切幹涉測量薄膜表面的非均勻曲率，由曲率得到薄膜中的應力，利用鐵磁薄膜表面的磁光克爾效應測量薄膜的磁滯回線。
文檔編號G02B27/09GK201561829SQ200920246828
公開日2010年8月25日 申請日期2009年11月6日 優先權日2009年11月6日
發明者馮雪, 董雪林, 黃克智 申請人:清華大學