一种利用磁光克尔效应测量反铁磁磁畴分布的方法与流程

本发明属于物理测量技术领域，具体涉及一种利用磁光克尔显微镜进行反铁磁磁畴测量的方法。

背景技术：

反铁磁材料由于其在外磁场下的稳定性，在现有的自旋电子学器件(如机械硬盘)以及将来的器件(如磁随机存储器)中都有着广泛的应用。尤其是最近几年有人发现反铁磁材料也可以存储信息，以及可以通过电流来操纵反铁磁磁矩之后，反铁磁材料开始受到越来越多的关注。但是对反铁磁材料进行探测的手段一直以来都比较匮乏。

目前对于反铁磁材料磁畴结构的研究主要依赖的是借助x光磁线二色性效应的光电子显微镜，但是这种手段需要依赖特定波长的x射线，而这样的x射线只能从全国不超过五座的同步辐射光源获得，在实验时间和地点上都会受到很大的限制。同时，由于光电子显微镜需要对电子束进行成像，因此无法在测量的同时引入电流与磁场。虽然也有人利用飞秒激光借助泵浦-探测的手段实现了反铁磁方向的探测，但是飞秒激光的价格也很昂贵，探测花费的时间比较长，而且高强度的泵浦激光也可能会对反铁磁材料本身产生破坏。这些限制在很大程度上制约了对反铁磁材料研究的进展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种简易的成本较低的利用磁光克尔光效应测量反铁磁磁畴分布的方法。

本发明提出的利用磁光克尔光效应测量反铁磁磁畴分布的方法，使用一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜，包括两个阶段：数据采集与数据分析，其中：

所述数据采集，主要是控制作为检偏器的偏振片，使其在消光位置往顺时针与逆时针方向偏离相同角度(一般在10度以下，比如为4-10度内)，分别采集样品表面的两张图像，虽然这两张图片直接相减已经可以得到反铁磁磁畴的粗略信息，但是由于显微镜内作为起偏器、检偏器的两个偏振片都是倾斜放置的，因此采集到的两张图片里的光强分布都略有不均匀，且不均匀的分布也不一样，因此直接相减得到的图片里存在很强的本底信息，对反铁磁磁畴的分析会带来很大的影响。故要进行如下的数据分析处理；

所述的数据分析，先用高斯滤镜对前面采集到的两张图像分别进行模糊，抹去所有磁畴的信息，只保留样品表面的不均匀的光强的信息，然后分别从两张原图里扣除不均匀光强的贡献，这样就可以得到两张样品形貌与磁畴信息的混合信号。然后再将这两张图像相减，并且除以它们的和，这样就可以进一步扣除样品形貌的信息，只留下了反铁磁磁畴的信号，得到样品表面的反铁磁磁畴的分布。

通过本发明方法可以在成本较低的克尔显微镜上观测反铁磁磁畴，极大的降低了观测反铁磁磁畴所需要的设备成本。另一方面，由于这种测量手段中只涉及光，所以在测量的同时也可以引入许多其他调控变量，如电流，磁场，热等等，为反铁磁材料的研究提供了许多可能的方向。

附图说明

图1：二阶磁光克尔效应(qmoke)测量示意图。

图2：检偏器角度距离消光位置-7度时，在nio薄膜上采集到的图像。

图3：检偏器角度距离消光位置+7度时，在nio薄膜上采集到的图像。

图4：得到反铁磁磁畴信号的处理程序流程图。

图5：处理得到的nio薄膜表面反铁磁磁畴示例。

具体实施方式

测量方法的理论基础——二阶磁光克尔效应(qmoke)原理：

一束线偏振光在被磁性介质反射后其偏振方向与椭偏率会发生改变，这种效应被称为磁光克尔效应。

磁光克尔效应中偏振光的偏转角与椭偏率的改变与磁性介质中磁矩的方向有着比较复杂的关系，这个关系一般会被近似为两部分，第一部分与磁矩沿着光的波矢方向的分量(ml)成正比，这部分被称作一阶磁光克尔效应，另一部分与磁矩沿着光波矢方向分量(ml)以及垂直于光波矢方向分量(mt)的二次函数成正比，这部分被成为二阶磁光克尔效应。

在铁磁性以及亚铁磁性材料中，由于这两种效应同时存在，且一阶效应的响应比二阶要强，因此通常人们只研究一阶磁光克尔效应。但是在反铁磁材料中，由于相邻的磁矩都是反平行排列，整体不存在净磁矩，因此一阶效应为零，但是二阶效应并不会消失，而且反铁磁材料内磁畴的方向不同时对应的二阶磁光克尔效应信号也不同，因此可以作为一种探测反铁磁磁畴分布的原理。

当一束s光照射到样品并且被样品反射时，如果样品是非磁性的，那么反射光也将是s光。但是如果样品有反铁磁性，那么反射光将包含s光分量(es)和少量的p光分量(ep)。将作为检偏器的偏振片从消光位置旋转一个很小的角度δ，那么反射光的光强就为：i＝|epsinδ+escosδ|²≈|epδ+es|²。

而ep/es＝φ′+iφ″，其中φ′代表克尔旋转角，φ″代表克尔椭偏率。则上式可以表达为：

i＝|es|²|δ+φ′+iφ″|²≈|es|²(δ²+2δφ′)＝i0(1+2φ′/δ)

其中，i0＝|es|²δ²，φ′和φ″与样品上反铁磁磁矩方向有关。若将ε记作偏振光的偏振方向，(或)记作反铁磁磁矩的方向，则φ′与φ″都跟成正比。

如果在反射端的检偏器之前放置一个1/4波片，那么测量到的信号就是克尔椭偏率。其表达式为：

i≈|es|²(δ²+2δφ″)＝i0(1+2φ″/δ)

测量中，如果两次测量中在消光之后旋转检偏器时旋转的角度不同，且δ1＝-δ2＝α，那么两次测量到的光强分别为(以克尔角测量为例)：

用两者之差除以两者之和，就可以得到信号r：

信号r与克尔角成正比，直接反映了反铁磁磁矩的指向。

如果δ1≠-δ2，那么信号r将不会直接与克尔角成正比，而是会包含一个与克尔角成正比的部分以及一个不随克尔角变化的部分，仍然会包含一部分反铁磁磁畴分布的信息。

实施例：

利用本方法测量反铁磁磁畴需要一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜。

具体测量步骤为：

1、先移动检偏器，让图像的整体亮度最低，这样就找到了消光位置；

2、随后先将检偏器沿着顺时针旋转一定的角度α，使得图像的亮度增大到一个合适的大小，并且采集一张图像(如图2)；

3、接着将检偏器反方向旋转2α角度，在此过程中图像的整体亮度会先减小然后再增大到与第一张图像相近，然后采集第二张图像(如图3)。

随后，利用计算机程序对图像进行处理得到磁畴信息(程序流程图如图4所示)：

1、对两张图像分别用高斯滤镜处理成模糊的图像，抹去图像里的反铁磁磁畴信息以及较小的形貌信息；

2、用原图减去第一步处理后的图像，得到的图像里只存在反铁磁磁畴以及较小的形貌信息；

3、对第二步得到的两张图，用他们的差除以它们的和，即可进一步消除掉较小的形貌信息，只保留了反铁磁磁畴的信息(如图5)。

另外，在测量的第三步中调节检偏器方向时，即便没有让图像的亮度与第二步中采集的图像相同，只要对这两张图片通过相同的步骤去处理仍然可以得到包含反铁磁磁畴信息的图片，只是同时也会残留一部分比较明显的形貌信息。