柔性磁致伸缩FeGa薄膜中磁光克尔效应的应力调控

代国红， 许艺铧， 沈 云， 韩道福， 邓晓华，c

（南昌大学a.理学院；b.高等研究院；c.空间科学与技术研究院，南昌330031）

0 引 言

磁光克尔效应（Magneto-optical Kerr Effect，MOKE）是指线偏振光（由左旋和右旋圆偏振光组成）入射到处于磁化状态的物质表面时，由于左旋和右旋圆偏振光在材料中传播速率不同而产生相位差，导致其反射光的偏振面相对于入射光的偏振面发生了旋转，转变为椭圆偏振光的现象。可以利用MOKE来无损探测磁性薄膜材料的磁化过程以及磁畴结构。Michael发现线偏振光的偏振面在透射处于磁场中的介质后会发生旋转［1］。John研究偏振光在经抛光后的电磁铁磁极反射时发现反射光也存在类似现象［2］，即为磁光克尔效应。MOKE在探测磁性物质时具有极高的灵敏度，所以大量地应用到表面磁学的研究中。此外，磁光效应在稀磁半导体、磁光开光、磁光存储、光子器件等领域内均得到了广泛的应用［3-5］。目前，具有大磁光效应的晶体广泛应用于光隔离器（法拉第旋转器、光环行器）、模式转换波导和光数据存储中［6］。同时，注意到利用MOKE在对应力的测量上有着重要的应用前景：综合考虑磁畴的运动规律、磁光克尔成像和磁光薄膜成像技术，成功实现了磁无损应力检测［7］。研究表明，采用磁控溅射方法将磁致伸缩FeGa薄膜制备在柔性衬底聚对苯二甲酸乙二酯（PET）上，柔性FeGa具有良好的磁致伸缩性和机械延展性［8］，可以对其施加拉或压应力，从而改变FeGa磁性薄膜的磁性［9］。磁滞回线是表征铁磁性材料磁学性能的重要曲线［10-11］，是工程领域制造和选择磁性材料的重要参考依据［12-13］。本文通过材料的形变来描述材料受到的应力，由拉伸装置产生应力，通过MOKE绘出材料的磁滞回线并分析随着材料受到应力的变化其矫顽力发生的变化，并计算出不同应力条件下材料的剩磁比，实现由应力对材料的MOKE的调控。

1 磁光克尔效应原理

表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物理领域中的一个极其重要的研究热点。表面MOKE谱作为一种非常重要的超薄膜磁性原位测量的实验手段广泛用于磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究。MOKE可根据磁化强度M与介质表面方向的不同分为极向克尔效应、横向克尔效应和纵向克尔效应［14］，如图1所示。

图1 MOKE的3种克尔效应

由于纵向磁光克尔效应较为明显［15］，选用纵向克尔效应来探测磁性薄膜的磁性变化情况。对于薄膜样品而言，由于形状各向异性的缘故，饱和磁化强度一般平行于薄膜表面方向。首先使用激光发射器产生一束激光，经偏振片后可得到一束偏振光，偏振光经磁性薄膜反射后，其偏振方向会有一个较小的旋转，其角度大小即为克尔转角θk，θk由检偏器检测。通过应力拉伸装置对磁性薄膜施加应力使其发生形变，通过MOKE可绘出薄膜的磁滞回线。实验装置原理如图2所示。

图2 磁光克尔效应原理图

由激光器产生一束激光，经起偏器后得到一束偏振光，设其为p偏振光，当光线被样品反射时，反射光的电场矢量中存在一个很小的垂直于Ep的Es，其中Ep和Es满足Ep≪Es。在一阶近似条件下有：

通过检偏器的光强为

将式（1）代入式（2）中，计算可得：

当δ趋向于0时，可近似为小量近似（省略二阶及以上的小量）后得：

移项得到样品达磁饱和状态下克尔旋转角

式中：δ为起偏器与检偏器间的夹角；εk为克尔椭偏率［16］。由式（7）可知，θk由δ和I、I0计算得到，这3个量均可以通过仪器测量，因此θk可以直接通过仪器测量得到。由于θk和克尔椭偏率εk都是磁化强度M的函数，且θk近似正比于M，所以可通过对光强的测量得到磁化强度得相对值，通过改变外加磁场，即得到磁滞回线。实际测量时，测量磁滞回线中正向饱和时得克尔旋转角θ+k和反向饱和时得克尔旋转角θ-k，那么θk为

通过对MOKE理论分析，发现纵向磁光克尔效应信号的强度与磁性薄膜的磁化状态密切相关，而应力可以有效地调控柔性磁致伸缩FeGa薄膜中的磁化强度分布状态，因此，可以实现应力调控磁光克尔效应。

2 应力拉伸装置

为了研究应力对磁光克尔信号的调控规律，设计了一款应力拉伸装置，如图3所示。考虑到应力拉伸装置需要在磁场环境下工作，因此，整个拉伸装置采用黄铜材质构成，确保装置不影响磁场分布，该装置在磁光克尔效应仪测试的过程中施加应力场，研究应力场、磁场共同作用时薄膜磁性的变化。如图3所示，该装置利用测微头旋转所产生的位移来改变薄膜两固定端的间距，从而在薄膜中产生张应变，对薄膜施加拉伸应变的位移精度可达0.01 mm。除了可以研究拉伸应力作用下磁性薄膜的磁性调控规律外（见图4），该装置还可以用来研究应力场作用下的其他物理现象，如电输运行为、光伏效应等。

图3 应力拉伸实验装置实物图

图4 拉伸装置在磁光克尔测试系统中的应用

3 实验结果和讨论

分别沿柔性FeGa薄膜的难磁化轴和易磁化轴对其施加应力，在不同的应力作用下测量得材料的磁滞回线。在沿易磁化轴分别施加应力，使其产生0%、0.22%、0.56%、0.67%、0.78%的应变后，分别测得磁滞回线如图5（a）所示。沿难磁化轴对薄膜施加应力，使样品薄膜产生0%、0.24%、0.37%、0.49%的应变后，测的其磁滞回线如图5（b）所示。由图5可以看出，拉伸应力对磁滞回线的矩形比Mr/Ms有明显的调控作用，饱和磁化强度在应力的作用下发生转动，磁矩与入射激光的偏振面之间的夹角发生变化，由式（8）知，应力对反射光的强度产生调控作用。分别对沿难磁化轴和易磁化轴这两种拉伸情况下，应力对磁滞回线的矩形比进行调控，通过下式

图5 垂直拉伸薄膜在不同形变程度下磁滞回线图

计算样品薄膜的磁滞回线矩形比Rs。处理实验数据过程计算Mr时，取磁滞回线与y轴上下两交点的y坐标值的绝对值的平均增值作为该磁滞回线Mr的大小。如图6（a）所示，当拉伸应力垂直于难磁化方向，张应变从0增加到0.22%时，Rs从0.17增加为0.81，而当张应变从0.22%继续增大到0.78%时，Rs从0.81下降为0.59；而当拉伸应力垂直易磁化方向，张应变从0增加到0.24%时，Rs从0.92降为0.28，当张应变从0.24%继续增大到0.49%时，Rs从0.28上升为0.34，见图6（b）。磁光克尔效应仪测量到的信息来源于介质上的光斑照射的区域，由于激光光束的束斑可聚焦到1 mm以下，这意味着采集到的信号主要来源局域磁性介质。因此，为了得到应力对磁光克尔效应的调控规律，应该对薄膜样品进行图案化微纳加工处理，从而得到单畴磁性单元，便于研究应力调控磁光克尔效应。

图6 磁滞回线的矩形比随拉伸应变程度变化的关系曲线

4 结 语

通过对磁光克尔效应进行理论分析，发现纵向磁光克尔效应信号的强度与磁性薄膜的磁化状态密切相关，而应力可以有效地调控柔性磁致伸缩FeGa薄膜中的磁化强度分布状态，因此，柔性磁致伸缩图案化薄膜是实现应力调控磁光克尔效应的理想体系。利用自主设计的应力拉伸装置，测试了不同应力状态下柔性磁致伸缩FeGa薄膜的磁光克尔效应。实验结果表明，FeGa薄膜中的应力状态可以有效地调控薄膜中的磁光克尔效应，从而为实现应力调节的光路开关器件打下基础。同时也为后续针对不同应力作用条件下与磁光克尔效应强度的关系建立提供帮助。