表面磁光科尔效应与超薄膜磁性性质

1、表面磁光科勤效雁舆超薄膜磁性性文/蔡志申摘要表面磁光科勤效雁其磁性解析霓敏度建一原子唇厚度，且偎器配置合於超高真空系统之工作，舄奈米级超薄膜磁性研究之一大利器。本文以者角度介藉表面磁光科勤效J原理，业筒 介超薄膜之磁滞曲特性、磁巽向性、磁性相燮典合金之磁性性。一、筒介在1845年，Michael Faraday首先畿琨了磁 光效雁1,2，他畿琨富外加磁埸在玻璃檬品上 畤，透射光的偏桎面畿生旋的效雁，随彳爰他在外 加磁埸之金屠表面上做光反射的带离但由於他所 的表面亚不豹平整，因而WB果不能使人信 服。1877年John Kerr在察偏桎化光彳您抛光遗 的t磁磁桎反射出来畤，畿现了磁光科崩效雁 (

2、magneto-optic Kerr effect)2,3o 1985 年 Moog 和Bader丽位孥者逵行超薄膜磊晶成辰在金罩 晶(100)面上的磁光科崩效雁量测WB，成功地得 到一原子屑厚度磁性物之磁滞曲富泉，亚且提出了 以SMOKE来作舄表面磁光科崩效雁(surface magneto-optic Kerr effect)的编舄，用以表示雁 用磁光科崩效雁在表面磁孥上的研究4,5。由於 此方法之磁性解析囊敏度建一原子屑厚度且偎器 配置合於超高真空系统之工作，因而成舄表面磁孥 的重要研究方法。随著科孥技彳桁的畿展，雁用元件的科技研畿 方向正快速朝向戡薄、短、小推展，控制在奈米 屑次所裂造

3、出来的奈米1子元件其元件密度、速 度、耗能及成本效益将递超遗琨有的半毒髓技彳桁； 在元件裂作程中，能成辰高品的薄膜舆精莘地 控制其物性，才能保接之微形触刻之成功，因 而厚度彳堇的畿值原子屑之超薄膜的相鼎冒研究在t 子工棠元件尺寸奈米化的技彳桁中更累影得重要；由於 在磁性感测器、磁光言己博元件、磁性言印意髓等之工 棠雁用舆磁性自旋1子元件的可能性，带来了意兆 美元的商檄，磁性超薄膜的物性研燹不但可带重力 相科孥知之突破，更可有效地提升工棠技彳桁， 因而世界各科技先逵I!家照不投入大量资源。本文 将介藉表面磁光科崩效BWBB器装置及工作原 理，亚金椁寸超薄膜磁性性登如磁滞曲特性、磁 巽向性、磁性相

4、燮舆合金材料磁性性，表面 磁光科崩效雁量度之研究雁用。二、表面磁光科懈效雁原理s器装置筒介富一磁性物在外加磁埸作用下磁化或磁性 物本身自畿性的磁化畲使得物本身的折射率 走生磁嬖折射(magnetic birefringence)的琨 象，即其右旋折射率和左旋折射率不相同。偏振 光可以分解舄右圆舆左圆偏振光富偏振光入射 至一磁性薄膜，经遗物的反射彳爰，由於不同的偏 振熊僖播速率的不同而走生了相位差，也因被吸收 程度不同造成振幅的不同，因而其反射光M成 中隋圆偏振；假定p波偏振光入射一磁性檬品，由 於科崩效雁其反射波畲有非零值之S波分量Es(r)， 但此偏角度很小，即|Es(r)|Ep(r)|，以

5、彳复敷型式 表示即吃=Es(r)/Ep(r)=气+ iEK。而此中隋圜偏 振光之旋角，即中隋圆辰翰和参考之夹角，稍舄 科崩旋角(Kerr rotation anger Q K)，此中隋圆 偏振光之中隋圆率，即ffig短翰之比例，稍舄科崩 中隋圆率(Kerr ellipticity sk)o表面磁光科崩效雁之器架言殳1!如 H 一所示。首先使用光翰辱找器将雷射光 源校莘舄p波，雷射光先通遗聚焦透箓， 目的是使雷射光源能更精莘的聚焦於檬品 上，接著通遗高消光比(extinctionratio)偏振器，以遗滤剩宜余s波，雷射光经由檬 品反射彳爰，利用可言周式光圈遗滤雷射光束 通遗光孥元件畤所走生的散

6、射光，以序咸少 雅言刊，再通遗梭偏器遗滤反射光之p波分 量，最彳爰由光二桎髓接收言刊虢，M 挨成光t流亚以内建之放大器将t流飘虢 放大彳爰，翰出至矍攵位t表，再由敷位t表 将光t流言刊虢M挨成t厘值，藉由 IEEE488 介面卡翰入t胸，经由t胸言吾言 程式审甫助虚理成我仍所需要的敷撮或H 表；s,中资料掘取舆t磁供雁可燮磁 埸皆可由雷胸自勤化控制。在器架殳H 中，除了檬品舆t磁放置於超高真空腔 髓中，其他的元件皆置於真空外即可。H一：表面磁光科崩效雁之器架殳Ho在逵行超薄膜磁性量测畤，磁光科崩效雁有丽 彳重常用型熊：外加磁埸沿檬品面方向且平行雷射光 入射面积再舄制足向(longitudina

7、l)磁光科崩效藤外 加磁埸垂直檬品面方向稍舄桎向(polar)磁光科崩 效雁，如1!二所示。中可以固定檬品以及光孥 元件位置重力1磁以改燮外加磁埸方向来求得 制足向舆桎向磁光科崩效雁言刊虢。S二：向舆桎向磁光科崩效雁。舄了更加了解磁光科崩效雁飘虢的量测原 理，在此将以一膜面在xy平面上之磁性超晶格膜 制例2,6加以介藉。物的介1性可由T固3x3弓畏量表示，薄膜介1弓畏量可舄舄1iQiQiQz1iQziQiQX1iQiQiQz1iQziQiQX1VVX8=o(1),Qy，QM磁光坤Q=(Q,x向量，或W Voigt向量，在一皆近似情兄下，Q舆$载磁性物之磁化M成正比，而非磁性物之Q 舄零。假言殳

8、Ep(i湍p波入射光，经由遒富的熟奂， 可以求得磁光效雁中的重要参敷七=叩/扑)舆，定ftwm科崩旋角舄rsp虹=E (r)/E (i)= r sp/r pp = E s(r)/E p(r)4兀rsp虹=E (r)/E (i)= r sp/r pp = E s(r)/E p(r)4兀nm sin0 cos。X (n cos0 + n coS0 )(n cos0 n cos0 ) m m f f f f m(2)，其中到富磁性物Q值不燮的情兄下，磁光科 崩效雁飘虢舆磁性屑厚度成正比。由於可 见光在金屠中的趟唐深度 Mskin depth) 的舄2、3百埃左右7，坐寸於厚度m 原子屑的超薄膜而言，

9、磁光科崩效雁飘虢 碓舆磁性屑厚度成正比，但是富薄膜厚度 超遗此深度A畤，磁光科崩效雁言刊虢刖需 要考WBW深度修正(e-d叩)。由理部份我仍得知科崩旋角0K及 科Wffig率8 K正比於檬品的磁化弓玺度，藉 由测量科崩旋页暮角或科Wffig率舆外加磁 埸冏的函矍攵鼎如系，便可重出磁滞曲 (magnetic hysteresis loop ) o W 上常畲使用梭偏器在一小偏角情兄下， 测量反射光弓玺度燮化，以求得科崩旋角 舆中隋圆率。定羲梭偏器至平行s波方向 畤的角度舄0。，然彳爰言周整一小角度8 (8 0o)，由於科崩旋页暮角很小，因此反射 光在s波方向的分量递小於在p波方向的分量，所以Es

10、而 影警所夬定之磁化方向燮厚度。I!五：Ks舄正值之多屑膜材料系统其Kt坐寸七作11 蒯系。!六示的是随Co厚度增加，Co/Pt(111) 超薄膜的桎向舆制足向磁光科崩效雁言刊虢弓玺度的燮 化情形，外加磁埸最大值舄1 kOe。富薄膜厚度小 於3原子屑的情兄下，只有桎向磁光科崩效雁飘虢 被察到，而向磁光科崩效雁言刊虢弓玺度舄零，景 示在此厚度簸圉内，Co/Pt(111)超薄膜呈现垂直磁 巽向性；富薄膜厚度大於6.5原子屑畤，只有制足向 科W存在超薄膜磁巽向性燮舄平行於檬品 表面方向，琨出厚膜中形状具向性主毒磁性行舄 之现象；在4.5到5.8原子屑厚度冏桎向舆制足向言刊 虢皆存在，舄磁化易翰燮厚度

11、匾，此匾域中形状 巽向性舆磁晶巽向性皆照法罩才蜀支配薄膜磁巽向 性。$载磁性物中，磁矩规刖排列形成磁匾 (magnetic domain)，然而在高温情兄下，由於磁 矩熟援重力畲破读其排列规刖性，毒致檬品磁化弓玺度 燮弱；富温度上升到居谴温度(Curie temperature, TC)畤，物B生磁性M磁性的相燮琨(!六：Co/Pt(iii)超薄膜的桎向舆制足向磁光科崩 效雁言刊虢弓玺度随Co厚度增加的燮化情形 象，此畤檬品磁化弓玺度降舄零；富温度接近居谴温 度畤，磁化弓玺度舆温度鼎御系可以以下列方程式表示M(T) = J (1-T/T*(7),其中M舄檬品磁化弓玺度，6舄晦界指敷(criti

12、cal exponent) o在厚膜情兄下，系第甜慎向於三签隹海森 堡(3D-Hensenberg)行舄 此畤 6 值的舄 0.36817, 18。富膜厚彳堇舄畿侗原子屑畤，系第甜慎向於二隹 行舄；富薄膜磁化易翰舄平躺於檬品面方向且不具 罩翰巽向性畤，6值的舄0.231，此畤系第甜慎向於 有限尺寸下之二隹XY(2D-XY)行舄；富薄膜具有罩 一磁化易审拙寺，6值舄0.125，此畤系第甜慎向於二 隹易形(2D-Ising)行福WB上磁相燮研究常常由 求得磁化弓玺度舆温度系，逵而夬定相燮之晦界指 敷6来分其相燮现象。以9.5原子屑厚度之 Co/Ge(111)薄膜舄例，在室温下其科崩言刊虢弓玺度舄

13、零，降低檬品温度彳爰只有制足向科W浮现，此薄 膜磁化易翰在檬品面上其科W言刊虢弓玺度坐寸温度作 1!如1七所示，摄合得此薄膜6值舄0.228，其 磁性相燮行舄近於二隹XY系统。H七：9.5原子屑厚度之Co/Ge(111)薄膜科W言刊虢弓玺度坐寸温度Ho熟退火虚理一薄膜系统畤，由於薄膜舆基材原 子的交互撅散，可能造成薄膜鲍成的燮化，若只考 感成份混合畤entropy舄主要的重力力，撅散行舄 一般可以Fick定律描述之19;然而在超薄桎限 情兄下，考虑合金形成畤表面自由能的燮化，薄膜 原子的撅散可能被序咸甚至被限制在最表面的畿 侗原子屑中而形成表面合金20。合金形成畤由於 雷子事九域混成现象(hy

14、bridization)舆d能带 (d-band) 1子重新排列，可能造成檬品磁性行舄的 改燮21。莆愈上以磁光科W效雁量度薄膜经熟退 火虚理彳爰之磁滞曲箱 可以求得合金形成之磁性性 燮化。以一原子屑Co/Pt(111)超薄膜经熟退火 虚理舄例，如1!八所示，随著檬品温度增加，桎向 磁光科W效雁言刊虢弓玺度渐渐燮小，然而其燮化情形 舆H七明不同，在温度介於500舆600 K左右， 磁光科W效雁言刊虢弓玺度呈现一不辱常的平台琨 象由1!八中方框内经退火虚理彳爰在低温量度之磁 滞曲可明见到一磁光言刊虢增逵现象。匾好桀1子 能言普研究结果畿现在此温度下Co-Pt形成表面合 金，而此磁光言刊虢增逵现象

15、，主要是由於Pt的弓玺 自旋道耦合影警Co磁域，造成1子W域 混成所致22。1!八：一原子屑Co/Pt(111)超薄膜经熟退火虚 理，磁光科崩效雁言刊虢弓玺度燮化情形；方框 内舄经退火虚理彳爰在325K量度之磁滞曲 氤四、结1985年Moog和Bader丽位孥者以表面磁光 科崩效雁量WB,成功地得到一原子屑厚度磁性 物之磁滞曲皖启攵了超薄磁性物舆介面磁性 材料研究的新瓦表面磁光科崩效雁更成舄表面科 孥中磁性量度的重要工具。畤至今日，雁用元件尺 寸快速向例薄短小推展元件中介面特性舆高品 介面之裂作居於导建地位，磁性超薄膜的研究不 但带勤相科孥知之突破坐寸於微小元件言殳言十 畿提供重要参考料，更能

16、有效地提升1子工棠元 件尺寸奈米化的技彳桁。期盼透遗本文的介藉，能使 言者坐寸於磁光科崩效雁量测原理舆超薄膜磁性性 有基本的了解。由於资料蒐集舆文章篇幅的限 制，照法涵瓷所有的相的内容，有典趣的者可 以彳也参考资料中找到更深入的资料。致作者感1!立11大孥沈青嵩教授舆中 央研究院物理所姚永德教授坐寸本文工作的 献，亚感阈科畲的资助。参考资料：M. Faraday, Trans. Roy. Sco. (London) 5, 592 (1846).Z.Q. Qiu and S. D. Bader, J. Magn. Magn. Mater. 200, 664 (1999).J. Kerr, Phi

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