對原位表面磁光克爾效應進行測量的系統及方法
2023-12-10 07:36:32 1
專利名稱：對原位表面磁光克爾效應進行測量的系統及方法
技術領域：
本發明涉及鐵磁性薄膜製備技術領域，特別涉及一種在鐵磁性薄膜制 備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量的系統及方法。
背景技術：
長期以來，人們對半導體的利用僅僅是操作了其電子電荷自由度，而 它的電子自旋自由度一直沒有得到充分的利用，半導體自旋電子學就是要 操作半導體中的電子自旋自由度或同時操作半導體中的電子自旋和電荷 兩個自由度來進行信息的加工處理和存儲，從而替代靠操作半導體中電子 電荷自由度加工信息、操作磁性材料中電子自旋自由度儲存信息的現代信 息處理技術。
半導體自旋電子學實際上也是為滿足信息技術的超高速、超寬帶和超 大容量發展趨勢而誕生並迅速發展起來的凝聚態領域的一門新興前沿學 科，未來的半導體自旋電子學技術將推動電子學、光子學和磁學三者最終 的融合，開發出新一代多功能、高性能、超高速和低功耗的半導體自旋器 件乃至實現固態量子通訊和量子計算。如果半導體自旋電子學研究的目標 能夠實現，將對未來的信息技術產生革命性的影響，帶來巨大的經濟效益。
能否真正做到在實際應用中操作半導體電子自旋自由度，材料的突破 至關重要。如果利用鐵磁體/半導體異質結構來操作半導體中的電子自旋自 由度，鐵磁體的居裡溫度是否高於室溫、是否具有足夠高自旋極化度、是 否與半導體兼容等則是首先要考慮的問題，因此，能夠在室溫以上實現較
高極化自旋注入率的優質鐵磁體/半導體異質結構的探索製備已經成為目 前半導體自旋電子學研究的熱點。
分子束外延設備可以精確控制薄膜厚度至原子單層甚至亞單層尺度， 是製備高質量鐵磁體/半導體異質結構的首選設備。分子束外延設備和基本 磁性質原位實時監測的一體化將會大大促進半導體自旋電子學研究的進
4展。磁光效應是研究磁性薄膜基本磁性質的重要手段之一。所謂磁光效應 是指磁性物質在外磁場作用下或者磁狀態變化時，對在該物質中傳輸、發 射、反射或吸收等光學特性發生影響的現象，包括磁光克爾效應、磁光法 拉第效應和磁圓偏振二色性等。
一般情況下，大多數磁光效應的測量是在非原位條件下進行的，然而 原位磁光效應的測量更能準確地反映出鐵磁性薄膜、尤其是超薄鐵磁性膜 的磁性質。近年來國內外己有一些實驗室將製備磁性材料的超高真空系統 與磁光克爾效應測試系統相連，實現了超薄磁性金屬膜的原位表面磁光克 爾效應的測量，得到了一些有重要意義的結果。但是他們要麼在生長室中 安裝一個電磁鐵裝置，要麼外接一個真空室將生長後的樣品傳輸到該室進 行原位表面磁光克爾效應測量，迄今尚未見在分子束外延生長室中利用永 磁體實現原位表面磁光克爾效應的有關報導。
分子束外延設備是高度集成、結構精密複雜的系統，原位表面磁光克
爾效應測試手段可以在鐵磁性薄膜生長過程中無損傷、無影響地探測磁性
薄膜的基本磁性質，實時地獲知鐵磁性薄膜尤其是超薄鐵磁性膜的磁性質
與生長溫度、磁性原子濃度和薄膜厚度等生長條件的關係，對於弄清磁性
材料分子束外延生長機理和實現很好的生長控制、探索製備具有優質鐵磁 體/半導體異質結構具有十分重要的指導意義。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種在鐵磁性薄膜製備過程中對 原位表面磁光克爾效應進行測量的系統及方法，以在鐵磁性薄膜生長過程 中無損傷、無影響地實現對原位表面磁光克爾效應的測量。
(二) 技術方案
為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下
一種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量的 系統，該系統包括分子束外延系統、具有特殊光路的磁場控制系統、表面
磁光克爾效應測試系統和鐵磁性薄膜樣品；其中，該具有特殊光路的磁場控制系統與分子束外延系統生長室的襯 底觀察窗口相對接，該表面磁光克爾效應測量系統通過調試，能夠使入射 雷射通過磁場控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上 的鐵磁性薄膜樣品表面，該鐵磁性薄膜樣品表面的反射雷射能夠通過磁場 控制系統的特殊光路反饋到信號接收器中。
上述方案中，所述分子束外延系統包括生長室、固體源源爐、溫度控 制系統、離子泵和樣品操作器。
上述方案中，所述具有特殊光路的磁場控制系統包括鐵磁體位置調節 器、鐵磁體翻轉頂杆、具有通光孔的支撐架、石英窗口、玻紋管、軸承連 接器、具有通光孔的法蘭、拉動杆、鐵磁體位置調節杆、鐵磁體翻轉支架 和具有通光孔的鐵磁體。
上述方案中，所述表面磁光克爾效應測試系統包括光探測器、光彈性 調製器、鎖相放大器、光學平臺、電學元件和光學元件。
一種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量的 方法，該方法包括
步驟1:加工具有特殊光路、並可與分子束外延系統生長室的襯底觀 察窗口對接的磁場控制系統；
步驟2:通過分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口，將步驟l所述 的磁場控制系統與分子束外延系統進行對接；
步驟3:搭建並調試表面磁光克爾效應測量系統，使入射雷射能夠通 過磁場控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的樣品 表面，該樣品表面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特殊光路反饋到信 號接收器中；
步驟4:啟動鐵磁薄膜的分子束外延生長程序，在鐵磁薄膜的分子束
外延生長過程中實現對原位表面磁光克爾效應的測量。 (三)有益效果
本發明提供的這種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效 應進行測量的系統及方法，不需要附加電磁場裝置，不需要外接真空室， 具有簡單、方便、易操作的優點，可以在鐵磁性薄膜生長過程中無損傷、無影響地實現原位表面磁光克爾效應。
圖1是鐵磁性薄膜製備過程中原位表面磁光克爾效應測量系統配置分 布圖。其中I區示出了製備鐵磁性薄膜的分子束外延系統生長室的部分區
域(含磁場控制系統的部分配置)結構框架；II區給出了磁場控制系統的 部分配置和表面磁光克爾效應測試系統配置的分布，I區和II區通過特 殊設計加工改造的襯底觀察窗(見圖2)對接起來；
圖2是具有特殊光路、並可與分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口 對接的磁場控制系統示意圖3是磁性Fe (鐵)薄膜和非磁性GaAs (砷化鎵)薄膜原位磁光克 爾效應曲線，插圖為非原位Fe (鐵)薄膜磁光克爾效應曲線。
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。
如圖1所示，圖1是鐵磁性薄膜製備過程中原位表面磁光克爾效應測 量系統配置分布圖。圖1所示的這種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面 磁光克爾效應進行測量的系統，包括分子束外延系統、具有特殊光路的磁 場控制系統、表面磁光克爾效應測試系統和鐵磁性薄膜樣品。其中，該具 有特殊光路的磁場控制系統與分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口相 對接，該表面磁光克爾效應測量系統通過調試，能夠使入射雷射通過磁場 控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的鐵磁性薄膜 樣品表面，該鐵磁性薄膜樣品表面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特 殊光路反饋到信號接收器中。
分子束外延系統由生長室、固體源源爐、溫度控制系統、離子泵、樣 品操作器等組成。
具有特殊光路的磁場控制系統由鐵磁體位置調節器、鐵磁體翻轉頂 杆、具有通光孔的支撐架、石英窗口、玻紋管、軸承連接器、具有通光孔的法蘭、拉動杆、鐵磁體位置調節杆、鐵磁體翻轉支架、具有通光孔的鐵 磁體等組成。
表面磁光克爾效應測量系統由光探測器、光彈性調製器、鎖相放大器、 光學平臺、電學和光學元件等各種配件組成。
本發明首先加工了一套具有特殊光路的磁場控制系統，並將之通過分 子束外延系統生長室的襯底觀察窗口與分子束外延系統生長室對接。然後 搭建並調試表面磁光克爾效應測量系統，使入射雷射能夠通過磁場控制系 統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的樣品表面，該樣品表 面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特殊光路反饋到信號接收器中。最
後我們啟動鐵磁薄膜的分子束外延生長程序，進行了Fe (鐵)薄膜樣品 的製備，同時對鐵磁薄膜的分子束外延生長過程中的原位磁光克爾效應進
行測量。具體實現方法包括以下步驟
步驟1:加工具有特殊光路、並可與分子束外延系統生長室的襯底觀 察窗口對接的磁場控制系統；
步驟2:通過分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口，將步驟l所述 的磁場控制系統與分子束外延系統進行對接；
步驟3:搭建並調試表面磁光克爾效應測量系統，使入射雷射能夠通
過磁場控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的樣品 表面，該樣品表面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特殊光路反饋到信
號接收器中；
步驟4:啟動鐵磁薄膜的分子束外延生長程序，在鐵磁薄膜的分子束
外延生長過程中實現對原位表面磁光克爾效應的測量。
圖3示出了磁性Fe薄膜和非磁性GaAs (砷化鎵)薄膜分子束外延生 長過程中的原位表面磁光克爾效應曲線，磁性Fe薄膜(圖3中的實線) 明顯與非磁性的GaAs薄膜分子束外延生長過程中的原位表面磁光克爾效 應曲線(圖3中的點劃線)不同。為了驗證這一技術的可靠性，我們還進 行了非原位Fe薄膜表面磁光克爾效應的測量對照實驗，圖3中插圖為非 原位Fe薄膜表面磁光克爾效應曲線，可以看出其趨勢基本與原位Fe表面 薄膜磁光克爾效應曲線一致。
這些實驗結果表明，利用這一生長方法可以實現鐵磁金屬薄膜分子束外延生長過程中的原位表面磁光克爾效應測量，證明了這一技術的可靠 性。
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
1、一種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量的系統，其特徵在於，該系統包括分子束外延系統、具有特殊光路的磁場控制系統、表面磁光克爾效應測試系統和鐵磁性薄膜樣品；其中，該具有特殊光路的磁場控制系統與分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口相對接，該表面磁光克爾效應測量系統通過調試，能夠使入射雷射通過磁場控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的鐵磁性薄膜樣品表面，該鐵磁性薄膜樣品表面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特殊光路反饋到信號接收器中。
2、 根據權利要求1所述的在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光 克爾效應進行測量的系統，其特徵在於，所述分子束外延系統包括生長室、 固體源源爐、溫度控制系統、離子泵和樣品操作器。
3、 根據權利要求1所述的在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光 克爾效應進行測量的系統，其特徵在於，所述具有特殊光路的磁場控制系 統包括鐵磁體位置調節器、鐵磁體翻轉頂杆、具有通光孔的支撐架、石英 窗口、玻紋管、軸承連接器、具有通光孔的法蘭、拉動杆、鐵磁體位置調 節杆、鐵磁體翻轉支架和具有通光孔的鐵磁體。
4、 根據權利要求1所述的在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光 克爾效應進行測量的系統，其特徵在於，所述表面磁光克爾效應測試系統 包括光探測器、光彈性調製器、鎖相放大器、光學平臺、電學元件和光學 元件。
5、 一種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量 的方法，其特徵在於，該方法包括-步驟1:加工具有特殊光路、並可與分子束外延系統生長室的襯底觀 察窗口對接的磁場控制系統；步驟2:通過分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口，將步驟l所述 的磁場控制系統與分子束外延系統進行對接；步驟3:搭建並調試表面磁光克爾效應測量系統，使入射雷射能夠通 過磁場控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的樣品表面，該樣品表面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特殊光路反饋到信 號接收器中；步驟4:啟動鐵磁薄膜的分子束外延生長程序，在鐵磁薄膜的分子束 外延生長過程中實現對原位表面磁光克爾效應的測量。
全文摘要
本發明公開了一種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量的系統，包括分子束外延系統、具有特殊光路的磁場控制系統、表面磁光克爾效應測試系統和鐵磁性薄膜樣品；具有特殊光路的磁場控制系統與分子束外延系統生長室的襯底觀察窗口相對接，表面磁光克爾效應測量系統通過調試，能夠使入射雷射通過磁場控制系統的特殊光路照射到固定在處於生長位置操作器上的鐵磁性薄膜樣品表面，鐵磁性薄膜樣品表面的反射雷射能夠通過磁場控制系統的特殊光路反饋到信號接收器中。同時公開了一種在鐵磁性薄膜製備過程中對原位表面磁光克爾效應進行測量的方法。本發明具有簡單方便易操作的優點，可無損傷無影響地實現原位表面磁光克爾效應的測量。
文檔編號G01R33/12GK101685146SQ20081022361
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者揚 姬, 威 楊, 趙建華, 鄭厚植, 軍 魯 申請人:中國科學院半導體研究所