基于LabVIEW的大磁場(chǎng)磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)

栗銀偉 葉軍 項(xiàng)俊森 徐平 陳子瑜

（北京航空航天大學(xué)物理系微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100191）

基于LabVIEW的大磁場(chǎng)磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)

栗銀偉 葉軍 項(xiàng)俊森 徐平 陳子瑜

（北京航空航天大學(xué)物理系微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100191）

在大磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)高磁各向異性材料的局域磁性測(cè)量具有重要的意義。本文借助LakeShore7404振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）的部分組件搭建了一套大磁場(chǎng)磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)。通過調(diào)用VSM的電源和磁鐵部分可獲得最高范圍達(dá)到0～±1.5T的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大矯頑力的磁性薄膜樣品的面內(nèi)局域磁性測(cè)量，為高磁各向異性材料局域磁性測(cè)量提供了一種可行的方法。系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成。硬件主要包括磁鐵、光路及數(shù)據(jù)采集儀器儀表等部件，軟件則由圖形化編輯語(yǔ)言LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。

磁光克爾效應(yīng)磁性薄膜；磁滯回線；LabVIEW

1.引言

1877年，John Kerr首次觀測(cè)到偏振光從拋光的鐵磁材料磁極表面反射后其偏振面會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[1],后稱此為磁光克爾效應(yīng)(Magneto-Optic Kerr Effect，MOKE)。1985年，Mood和Bader利用MOKE對(duì)鐵磁性超薄膜進(jìn)行測(cè)量，并成功測(cè)得一個(gè)原子層厚度材料的磁滯回線。從此，基于MOKE的測(cè)量技術(shù)由于其靈敏度高，對(duì)樣品無(wú)損害等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于磁性材料的磁有序、磁化翻轉(zhuǎn)、磁各向異性等問題的研究中[2-5]。而對(duì)于高磁各向異性的材料，由于具有較高的矯頑力，往往會(huì)受限于外加磁場(chǎng)的大小，無(wú)法進(jìn)行MOKE測(cè)量，使這類材料的局域磁性研究受到影響。本文通過控制LakeShore7404型VSM的磁場(chǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建了一套磁場(chǎng)高達(dá)1.5T的磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，旨在解決高磁各向異性材料局域磁性研究中遇到的問題，滿足對(duì)大矯頑力的磁性薄膜等樣品進(jìn)行面內(nèi)局域磁性測(cè)量的迫切要求。

2.基本原理

根據(jù)光平面與樣品磁化方向的關(guān)系，磁光克爾效應(yīng)可分為縱向、橫向和極向磁光克爾效應(yīng)。磁化方向既在樣品面內(nèi)又在光平面內(nèi)的稱為縱向磁光克爾效應(yīng)；磁化方向在樣品面內(nèi)但垂直于光平面的稱為橫向磁光克爾效應(yīng)；磁化方向在光平面內(nèi)但垂直于樣品面的則稱為極向磁光克爾效應(yīng)[6]。

圖1所示為MOKE的基本原理圖。激光經(jīng)過起偏器后變成線偏振光，線偏振光經(jīng)由樣品表面反射，再通過檢偏器，最后被探測(cè)器探測(cè)。在線偏振光入射到磁性樣品表面時(shí)，由于樣品面內(nèi)磁矩作用，反射光的偏振面相對(duì)入射光偏振面會(huì)發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，稱此偏轉(zhuǎn)角為克爾角。通常在實(shí)際測(cè)量過程中，檢偏器的偏振方向相對(duì)起偏器的消光位置有一小角度的偏移。這是由于若處于消光位置，無(wú)論反射光的偏振面是逆時(shí)針還是順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，探測(cè)器探測(cè)的光強(qiáng)信號(hào)都是增強(qiáng)的，無(wú)法分辨的正負(fù)，即無(wú)法判斷樣品的磁化方向。而當(dāng)轉(zhuǎn)過后，反射光則存在本底光強(qiáng)，當(dāng)反射光偏振面偏轉(zhuǎn)+時(shí)，光強(qiáng)則增加；若偏轉(zhuǎn)-時(shí)，光強(qiáng)則減小[7]。

圖1 MOKE的基本原理圖Fig.1 The basic schematic diagramof MOKE

圖2 起偏器、檢偏器示意圖Fig.2 The schematic diagram of polarizer and analyzer

以縱向磁光克爾效應(yīng)為例，激光經(jīng)起偏器后成為P型線偏振光，當(dāng)P型線偏振光Ep入射到磁性薄膜表面時(shí)，反射光的偏振面除了發(fā)生θ_k的偏移外，在反射光中還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)垂直于Ep的分量Es，如圖2所示，通常Es<

其中，ε_(tái)k為克爾橢偏率。而通過檢偏器的光強(qiáng)為：

當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，本底光強(qiáng)為

3.測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建

測(cè)量系統(tǒng)主要由磁場(chǎng)、光路、數(shù)據(jù)采集儀器儀表與計(jì)算機(jī)等部件組成，圖3所示為測(cè)量系統(tǒng)的總體示意圖。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)總體示意圖Fig.3 The schematic diagram of the measurement system

3.1 磁場(chǎng)部分

測(cè)量系統(tǒng)的磁場(chǎng)由LakeShore7404型VSM的磁場(chǎng)系統(tǒng)提供。該磁場(chǎng)由電磁鐵極靴間隙產(chǎn)生，磁場(chǎng)強(qiáng)度H可近似表示為：H=NV/Rd，其中，N為磁鐵線圈匝數(shù)，V為磁化電壓，R為線圈電阻，d為磁極間距。只需通過接入電磁鐵電源控制柜上的BNC接頭輸入-10V～+10V的電壓即可控制磁場(chǎng)的大小和方向。室溫下磁場(chǎng)最高可達(dá)±1.5T。圖4為當(dāng)磁極間距d為5cm時(shí)，擬合出的磁場(chǎng)H與電壓V關(guān)系的校準(zhǔn)曲線，可以看出兩者具有很好的線性關(guān)系。

圖4 d=5cm時(shí)磁場(chǎng)與電壓的關(guān)系曲線Fig.4Plot of magnetic field H versus voltage V when d=5 cm

3.2 光路部分

光路主要包括激光器、起偏器、檢偏器、光電探測(cè)器。激光器采用穩(wěn)定度較高的紅外半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為670nm，穩(wěn)定度為5%。起偏器和檢偏器使用的是格蘭湯普遜棱鏡。光電探測(cè)器由紅外帶通濾光片和硅光電池組成。此外，在光路系統(tǒng)中又分別在起偏器后和檢偏器前增加了聚焦透鏡，這樣增大了線偏振光的入射角和反射角，克服磁極間距對(duì)克爾信號(hào)的影響，增強(qiáng)MOKE信號(hào)的強(qiáng)度。在光路中，增設(shè)了1/4波片，通過共同調(diào)整檢偏器與1/4波片，實(shí)現(xiàn)更好的消光。

3.3 數(shù)據(jù)采集部分

測(cè)量系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)采集的儀器儀表主要有：高斯計(jì)、低噪聲電流前置放大器SR570、NI USB-6341型數(shù)據(jù)采集卡。其中，高斯計(jì)用以檢測(cè)磁場(chǎng)的大小與方向；SR570將光電探測(cè)器的輸出電流放大，便于信號(hào)采集，減少誤差；數(shù)據(jù)采集卡完成兩類指令，一是電信號(hào)的采集，二是輸出電壓來控制磁場(chǎng)。

4.測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)的軟件部分由圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的整體前面板布局如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)前面板布局Fig.5 The layout of the front panel of the system

測(cè)量系統(tǒng)的軟件主要由以下幾部分組成：

4.1 數(shù)據(jù)分析

該部分主要包括數(shù)據(jù)的讀取、處理和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的讀取為txt文檔中設(shè)定的磁場(chǎng)值并轉(zhuǎn)換成軟件要求的數(shù)組格式，記錄數(shù)組長(zhǎng)度來設(shè)定程序運(yùn)行循環(huán)次數(shù)；數(shù)據(jù)的處理，一是通過設(shè)定的擬合關(guān)系，將讀取的磁場(chǎng)值換算成控制磁場(chǎng)的電壓值，二是將從NI USB-6341型數(shù)據(jù)采集卡及高斯計(jì)中讀取的字符串型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)則是將最終的磁場(chǎng)值及與其對(duì)應(yīng)的MOKE數(shù)據(jù)保存在excel文件中。

4.2 儀器控制

該部分主要是配置儀器的端口、波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，并發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制輸出狀態(tài)。其中包括對(duì)NIUSB-6341型數(shù)據(jù)采集卡的MOKE信號(hào)輸入、控制磁場(chǎng)電壓輸出以及高斯計(jì)探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的控制。為增強(qiáng)程序的可讀性，這部分通常由子Vi代替。

4.3 波形顯示

主要顯示測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由XYGraph控件實(shí)現(xiàn)，X軸為磁場(chǎng)大小，Y軸為克爾信號(hào)強(qiáng)度。圖6為軟件部分程序的功能流程圖。

圖6 程序的功能流程圖Fig.6The functional flow chart of the program

4.結(jié)果與討論

圖7 (a)FePt薄膜的MOKE曲線及與(b)VSM數(shù)據(jù)歸一化后的比較圖Fig.7 (a)The MOKE curve of FePt film and (b)the comparison with VSM after normalization

在對(duì)測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證時(shí)，采用具有高矯頑力的FePt薄膜樣品。薄膜樣品由磁控濺射法制備，基底為（100）單晶硅，真空室的本底真空為4.0×10-4Pa，反應(yīng)氣體是純度為99.999%的Ar氣，工作氣壓為0.5Pa，濺射功率為40W（0.125A×319V），采用Fe、Pt交替沉積的方式沉積而成。圖7所示為測(cè)得的100nm厚的FePt薄膜的MOKE曲線(a)及與VSM數(shù)據(jù)歸一化后的比較圖(b)。

首先，由圖7可以看出，系統(tǒng)測(cè)量的MOKE曲線可以直觀地反映出樣品的磁滯回線，除少部分處與VSM數(shù)據(jù)稍有誤差外，整體與VSM所測(cè)曲線吻合度很高。其次，從圖中還可以看出，系統(tǒng)測(cè)得的FePt薄膜樣品的矯頑力，而VSM所測(cè)數(shù)據(jù)，兩者絕對(duì)誤差約為80 Oe，相對(duì)誤差為1.45%，表明所搭建的MOKE系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)誤差較小。綜上所述，本文所搭建的MOKE系統(tǒng)滿足對(duì)大矯頑力磁性薄膜樣品局域磁性的測(cè)量要求。

分析數(shù)據(jù)誤差的原因，主要有兩點(diǎn)。一是測(cè)量工具的不同，其中，MOKE為局域測(cè)量，測(cè)量方式為光束；而VSM為整體測(cè)量，測(cè)量原理為電磁感應(yīng)。在測(cè)量過程中，由于光束易受外界條件的影響，造成光強(qiáng)信號(hào)的波動(dòng)，從造成MOKE數(shù)據(jù)的誤差。但這種誤差的影響主要表現(xiàn)為磁滯回線部分?jǐn)?shù)據(jù)的波動(dòng)，對(duì)整體沒有太大影響。第二個(gè)誤差原因則是由于高斯計(jì)的霍爾探頭未放置在磁場(chǎng)中心位置，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。這種誤差的影響主要表現(xiàn)在不能精確地測(cè)量樣品所處位置的磁場(chǎng)值，造成整體的實(shí)驗(yàn)誤差，影響稍大。

6.結(jié)論

本文成功地搭建了一套大磁場(chǎng)磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，通過調(diào)用LakeShore7404型VSM的電源與磁鐵組件，使系統(tǒng)可獲得0～±1.5T范圍的磁場(chǎng)，從而解決大矯頑力磁性薄膜樣品的局域磁性測(cè)量問題。測(cè)量系統(tǒng)搭建完成后所進(jìn)行的大量測(cè)量驗(yàn)證結(jié)果表明，該系統(tǒng)靈敏度高，性能穩(wěn)定，在磁性研究中具有廣泛的應(yīng)用。

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A measurement systemofmagneto-optic Kerr effect based on LabVIEW in large magnetic field

Li Yinwei,Ye Jun,Xiang Junsen,Xu Ping, Chen Ziyu. Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics (Ministry of Education), Department of physics,Beihang University 100191, China

It is of great significance torealize the local magnetic measurement of high magnetic anisotropy materials in large magnetic field. Here introduces a magneto-optic Kerr effect measurement system in large magnetic field, which can be used to measure the in-plane local magnetism of magnetic thin films with high magnetic anisotropy.Meanwhile, the maximum magnetic field of the system can reach±1.5 T by means of controlling the power and magnet parts ofLakeshore 7404 vibrating sample magnetometer (VSM),and can deal withthe problem of local magnetic measurement of high magnetic anisotropy material. In addition, the system consists of hardware and software two parts. The hardware mainly containsmagnet, light path anddata acquisition instrumentswhile the software is from LabVIEW programming.

Magneto-opticalKerr effect;Magnetic thin films;Hysteresis loop;LabVIEW

TQ57

A

1009-5624（2016）06-0023-04