表面磁光科尔效应与超薄膜磁性性质

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1、表面磁光科爾效應與超薄膜磁性性質文／蔡志申摘要表面磁光科爾效應其磁性解析靈敏度達一原子層厚度，且儀器配置合於超高真空系統之工作，為奈米級超薄膜磁性研究之一大利器。本文以實驗者角度介紹表面磁光科爾效應原理，並簡介超薄膜之磁滯曲線特性、磁異向性、磁性相變與合金之磁性性質。■605■物理雙月刊（廿五卷五期）2003年10月一、簡介在1845年，MichaelFaraday首先發現了磁光效應[1,2]，他發現當外加磁場在玻璃樣品上時，透射光的偏極面發生旋轉的效應，隨後他在外加磁場之金屬表面上做光反射的實驗，但由於他所謂的表面並不夠平整，因而實驗結果不能使人信服。1877年

2、JohnKerr在觀察偏極化光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發現了磁光科爾效應(magneto-opticKerreffect)[2,3]。1985年Moog和Bader兩位學者進行鐵超薄膜磊晶成長在金單晶(100)面上的磁光科爾效應量測實驗，成功地得到一原子層厚度磁性物質之磁滯曲線，並且提出了以SMOKE來作為表面磁光科爾效應(surfacemagneto-opticKerreffect)的縮寫，用以表示應用磁光科爾效應在表面磁學上的研究[4,5]。由於此方法之磁性解析靈敏度達一原子層厚度，且儀器配置合於超高真空系統之工作，因而成為表面磁學的重要研究方法。隨著

3、科學技術的發展，應用元件的科技研發方向正快速朝向輕、薄、短、小推展，控制在奈米層次所製造出來的奈米電子元件其元件密度、速度、耗能及成本效益將遠超過現有的半導體技術；9■■物理雙月刊（廿五卷五期）2003年10月在元件製作過程中，能成長高品質的薄膜與精準地控制其物性，才能保證接續之微形蝕刻之成功，因而厚度僅約幾個原子層之超薄膜的相關研究在電子工業元件尺寸奈米化的技術中更顯得重要；由於在磁性感測器、磁光記憶元件、磁性記憶體等之工業應用與磁性自旋電子元件的可能性，帶來了億兆美元的商機，磁性超薄膜的物性研發，不但可帶動相關科學知識之突破，更可有效地提升工業技術，因而世界各

4、科技先進國家無不投入大量資源。本文將介紹表面磁光科爾效應實驗儀器裝置及工作原理，並針對超薄膜磁性性質，如磁滯曲線特性、磁異向性、磁性相變與合金材料磁性性質，討論表面磁光科爾效應量度之研究應用。二、表面磁光科爾效應原理與實驗儀器裝置簡介當一磁性物質在外加磁場作用下磁化或鐵磁性物質本身自發性的磁化，會使得物質本身的折射率產生磁雙折射(magneticbirefringence)的現象，即其右旋折射率和左旋折射率不相同。線偏振光可以分解為右圓與左圓偏振光，當線偏振光入射至一磁性薄膜，經過物質的反射後，由於不同的偏振態傳播速率的不同而產生了相位差，也因被吸收程度不同造成振

5、幅的不同，因而其反射光會轉變成橢圓偏振；假定p波線偏振光入射一磁性樣品，由於科爾效應其反射波會有非零值之s波分量Es(r)，但此偏轉角度很小，即

6、Es(r)

7、<<

8、Ep(r)

9、，以複數型式表示即ψp=Es(r)/Ep(r)=θK+iεK。而此橢圓偏振光之旋轉角，即橢圓長軸和參考軸之夾角，稱為科爾旋轉角(KerrrotationangerθK)，此橢圓偏振光之橢圓率，即橢圓長短軸之比例，稱為科爾橢圓率(KerrellipticityεK)。表面磁光科爾效應儀之儀器架設圖如圖一所示。首先使用光軸尋找器將雷射光源校準為p波，雷射光先通過聚焦透鏡，目的是使雷射光源能更精準

10、的聚焦於樣品上，接著通過高消光比(extinctionratio)偏振器，以過濾剩餘s波，雷射光經由樣品反射後，利用可調式光圈過濾雷射光束通過光學元件時所產生的散射光，以減少雜訊，再通過檢偏器過濾反射光之p波分量，最後由光二極體接收訊號，將訊號轉換成光電流並以內建之放大器將電流訊號放大後，輸出至數位電表，再由數位電表將光電流訊號轉換成電壓值，藉由IEEE488介面卡輸入電腦，經由電腦語言程式輔助處理成我們所需要的數據或圖表；實驗中資料擷取與電磁鐵供應可變磁場皆可由電腦自動化控制。在儀器架設圖中，除了樣品與電磁鐵放置於超高真空腔體中，其他的元件皆置於真空外即可。圖一

11、：表面磁光科爾效應儀之儀器架設圖。9■■物理雙月刊（廿五卷五期）2003年10月在進行超薄膜磁性量測時，磁光科爾效應有兩種常用型態：外加磁場沿樣品面方向且平行雷射光入射面稱為縱向(longitudinal)磁光科爾效應，外加磁場垂直樣品面方向稱為極向(polar)磁光科爾效應，如圖二所示。實驗中可以固定樣品以及光學元件位置，轉動電磁鐵以改變外加磁場方向來求得縱向與極向磁光科爾效應訊號。圖二：縱向與極向磁光科爾效應。為了更加了解磁光科爾效應訊號的量測原理，在此將以一膜面在xy平面上之磁性超晶格膜為例[2,6]加以介紹。物質的介電性質可由一個3x3張量表示，薄膜介電張

12、量可寫為=