一种利用磁光效应实现铁磁磁畴形貌构建的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用磁光效应实现铁磁磁畴形貌构建的方法，属于物理测量技术领域。本发明专利技术使用一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜，测量过程包括：数据采集，即控制作为入射光的光源入射方向，分别采集样品表面横向和纵向的磁光克尔成像图；数据分析，对采集到的图像通过归一化、相减等处理，使其只保留横向和纵向的磁畴信号；再通过软件处理对横向和纵向的磁畴信号进行叠加，实现磁畴重构并绘制磁矩矢量分布图。

A method to construct the morphology of ferromagnetic domain by magneto-optical effect

【技术实现步骤摘要】
一种利用磁光效应实现铁磁磁畴形貌构建的方法
本专利技术涉及一种利用磁光克尔效应进行磁畴形貌定量测量和利用软件进行磁矩重构的方法，属于物理测量

技术介绍
铁磁材料内部磁畴结构的研究对于磁性物理基础研究和铁磁材料的应用有着重要的意义。利用磁畴来进行数据存储和计算，是近年来新兴的自旋电子学领域重要的研究方向。目前，基于隧穿磁电阻效应(TMR)的磁读头存储密度已经达到1Tbit/inch2。磁随机存储器(MRAM)具有低功耗、高存储密度，非易失性等特点，被认为最有希望取代现有的随机存储器。特别是近年来，人们发现可以利用电流来操纵磁矩的翻转，基于此现象的新型多功能自旋电子学器件：如自旋转移力矩磁存储器(STT-MRAM)，在以量子信息为代表的新兴领域有重要的应用前景。此外，磁畴观测在无损探测领域也有重要的应用：对于铁路钢轨中存在或者即将发生缺损的位置，由于应力和缺陷的作用会产生磁畴形貌的变化，因此通过对磁畴形貌的观察可以反推铁轨钢材是否有损伤，做到早期诊断和预防，降低事故风险。因此，磁畴形貌的测量开始受到越来越广泛的关注。但是，对于磁畴的形貌测量，特别是定量测量的手段一直以来还较为匮乏。目前对磁畴观测的方法主要有：磁力显微镜、自旋极化扫描隧道显微镜、透射洛伦兹力显微镜等方法。这几种测量手段都只能观察到磁畴的边界，而无法进行磁畴形貌的定量测量。目前能够实现磁畴形貌定量测量的方法是借助X射线磁圆二色效应的扫描X射线显微镜和光电子激发显微镜。而这样的X射线只能从世界领先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，因此无法在探测的同时引入电流和磁场，这些限制在很大程度上制约了磁性材料和新型自旋电子学器件研究的进展。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种简易的成本较低的利用磁光克尔效应定量测量铁磁磁畴形貌并构建微观磁矩分布的方法。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种利用磁光效应实现铁磁磁畴形貌构建的方法，使用一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜，其特征在于，包括数据采集阶段与数据分析阶段，其中：数据采集阶段先从同一组光源下两张采集到的图像里扣除不均匀光强的贡献，再将图像相减，并且除以他们的光强本底信号强度，这样就可以进一步扣除样品形貌以及光源自身的信息，只留下磁矩分布的信号，从而得到特定磁化方向样品表面的磁畴分布。包括以下步骤：使用一台LED点阵光源，通过控制光源的入射方向和角度来采集不同方向的磁畴形貌信息，其中：使样品左侧光源和右侧光源以相同的入射角分别照射在样品表面并采集两张图像一；使样品前侧光源和后侧光源以相同的入射角分别照射在样品表面并采集两张图像二；数据分析阶段包括以下步骤：通过两张图像一相减得到平面内水平方向的磁畴分布信息MX；两张图像二相减得到平面内竖直方向的磁畴分布信息MY；两张图像二相加得到垂直于平面方向的磁畴分布信息MZ；通过对磁畴分布信息MX、磁畴分布信息MY及磁畴分布信息MZ利用计算机软件进行叠加处理，即可以得到磁畴的自旋重构图。通过将三个方向测量到的磁畴分布图像进行处理，就可以实现磁畴分布的定量探测与微观磁矩重构。但是由于不同的LED光源自身的亮度不同，因此测量到的磁光克尔信号需要排除光强自身的差异，才能真实定量地反映出磁畴形貌的信息。此外，显微镜内的偏振片会导致采集到的的图片里光强分布不均匀。因此在采集数据之前，一个优选的实施方案是：在所述数据采集阶段，在采集磁畴分布信息前，先施加一个和光源方向一致的强磁场，使样品在该光源方向上达到饱和磁化，利用饱和磁化强度Mj所对应的光强Ij对光源强度进行校准，j代表不同方向的光源；同一组光源下，用任意磁场下采集的图片减去饱和磁化时采集的图片获得所述图像一及所述图像二，消除光强不均匀和样品形貌信息，只留下磁矩分布信息。优选地，在所述数据分析阶段，两张图像一相减后再除以两张图像一的光强本底信号强度得到所述磁畴分布信息MX；两张图像二相减后再除以两张图像二的光强本底信号强度得到所述磁畴分布信息MY。通过本专利技术方法可以在成本较低的克尔显微镜上定量观测铁磁体磁矩分布，极大地降低了观测所需的设备成本。另一方面，由于这种测量手段中只涉及光，所以在测量的同时可以引入其他的调控变量，如温度、电流、磁场等等，为磁性材料的研究提供了更多可能的方向。附图说明图1为磁光克尔成像系统示意图；图2为测量纵向磁光克尔图像与横向磁光克尔图像；图3为利用计算机软件重构的磁矩分布矢量图；图4为磁矩重构的计算流程图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。测量方法的理论基础——磁光克尔效应原理：一束线偏振光被磁性介质反射后，其偏振方向会发生改变，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较为复杂的关系。在铁磁性及亚铁磁新材料中，这个关系一般会被近似看做线型关系：即偏转角/椭偏率与磁矩沿着光的波矢方向的分量成正比，被称作一阶磁光克尔效应；而高阶的克尔效应由于信号较小通常可以忽略。当一束线偏振的s光Es经过样品反射后，光的偏振角发生偏转，除了s光之外还包含少量的p光分量。此时如果检偏器的偏振方向与起偏器垂直，则磁性样品引入的p光分量可以被分离出来，反映为光强的变化。由于消光位置附近微小的光强变化量很难准确探测，因此实验上是将检偏器从消光位置旋转一个小角度δ，那么探测到的反射光信号I就是p光分量Ep与该角度下光强的叠加：I＝|Essinδ+Epcosδ|2≈|Esδ+Ep|2而其中θ代表克尔转角，ε代表克尔椭偏率。其表达式为：其中I0＝|Es|2δ2，克尔转角θ可以表达为：如果在检偏器前放置一个1/4波片，那么测量到的信号就不再是克尔角而是椭偏率，其表达式为：I＝|Es|2(δ2+2δε)＝I0(1+2ε/δ)磁光克尔效应中，克尔转角的改变与磁性介质中磁矩的方向有如下关系：克尔偏转角与磁矩沿着光波矢方向分量成正比。根据样品磁矩与光平面、样品表面的相对位置不同，可以将磁光克尔效应进行分类：(1)磁矩平行于样品表面和光平面，为纵向克尔效应；(2)磁矩平行于样品表面但垂直于光平面，为横向克尔效应；(3)磁矩垂直于样品表面但平行于光平面，为极向克尔效应。在铁磁性材料中，三种克尔信号同时存在，但一般来说横向克尔效应的信号非常小，因此实验上主要观测到的是纵向和极向克尔效应。测量前需进行光源的校准：实际测量中，我们采用一个具有8个LED的点阵光源，光源在一个平面内呈十字状分布，光平面内X方向和Y方向各有一对光源，每一对光源关于光路中心对称分布。首先需要对LED光强进行校准：在材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用磁光效应实现铁磁磁畴形貌构建的方法，使用一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜，其特征在于，包括数据采集阶段与数据分析阶段，其中：/n数据采集阶段包括以下步骤：/n使用一台LED点阵光源，通过控制光源的入射方向和角度来采集不同方向的磁畴形貌信息，其中：使样品左侧光源和右侧光源以相同的入射角分别照射在样品表面并采集两张图像一；使样品前侧光源和后侧光源以相同的入射角分别照射在样品表面并采集两张图像二；/n数据分析阶段包括以下步骤：/n通过两张图像一相减得到平面内水平方向的磁畴分布信息M

【技术特征摘要】
1.一种利用磁光效应实现铁磁磁畴形貌构建的方法，使用一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜，其特征在于，包括数据采集阶段与数据分析阶段，其中：
数据采集阶段包括以下步骤：
使用一台LED点阵光源，通过控制光源的入射方向和角度来采集不同方向的磁畴形貌信息，其中：使样品左侧光源和右侧光源以相同的入射角分别照射在样品表面并采集两张图像一；使样品前侧光源和后侧光源以相同的入射角分别照射在样品表面并采集两张图像二；
数据分析阶段包括以下步骤：
通过两张图像一相减得到平面内水平方向的磁畴分布信息MX；两张图像二相减得到平面内竖直方向的磁畴分布信息MY；两张图像二相加得到垂直于平面方向的磁畴分布信息MZ；通过对磁畴分布信息MX、磁畴分布信息MY及磁畴分布信息MZ利用计算机软件进行叠加处理，即可以得到磁畴...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇煦丰，薛丰铧，孙璐，张石磊，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：上海;31