高通量磁光成像表征方法與鏑鐿鉍鐵氧體磁光特性的組合篩選.pdf

1、信息技術(shù)和磁光存儲(chǔ)器件的發(fā)展迫切需要開發(fā)具有更大克爾旋轉(zhuǎn)角以及更優(yōu)秀磁性能的磁光存儲(chǔ)材料。組合方法是一種高效率的發(fā)現(xiàn)、篩選以及優(yōu)化材料的新方法。因此，將組合方法應(yīng)用于對(duì)磁光存儲(chǔ)材料的研究將會(huì)極大地提高磁光存儲(chǔ)材料的研究效率?？焖俨⑿泻铣珊透咄勘碚魇菦Q定組合方法效率發(fā)揮的關(guān)鍵因素，但是相對(duì)于并行合成而言，高通量表征技術(shù)的發(fā)展滯后，將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)成為限制組合材料學(xué)發(fā)展的主要瓶頸。為了充分滿足對(duì)磁光存儲(chǔ)材料進(jìn)行高通量表征的需求，我們自行

2、設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一臺(tái)能夠?qū)Υ殴獠牧线M(jìn)行高通量表征的磁光成像裝置。與目前商業(yè)化的合金磁光存儲(chǔ)材料相比，摻鉍鐵氧體磁光材料在穩(wěn)定性和克爾旋轉(zhuǎn)角兩個(gè)方面都具有較大優(yōu)勢(shì)，有望應(yīng)用于磁光存儲(chǔ)。在這篇論文里，我們用自行構(gòu)建的磁光成像裝置對(duì)(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>體系的鐵氧體進(jìn)行了組合篩選。一方面消除了透明鐵氧體薄膜產(chǎn)生的干涉效應(yīng)對(duì)獲得內(nèi)稟克爾旋轉(zhuǎn)角的影響，另一方面運(yùn)用組合方法篩選出具有較大磁光效應(yīng)的組分D

3、y<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>。本論文的撰寫按照如下的邏輯順序組織進(jìn)行。 第一章是背景知識(shí)的介紹以及相關(guān)工作最新研究進(jìn)展的文獻(xiàn)綜述。首先詳細(xì)介紹了組合材料學(xué)的基本概念、內(nèi)涵以及發(fā)展歷史，綜述了組合材料樣品庫(kù)的設(shè)計(jì)、合成以及表征等方面所取得的進(jìn)展，特別是對(duì)薄膜與粉末等形式的組合材料樣品庫(kù)的并行合成技術(shù)以及對(duì)樣品庫(kù)的結(jié)構(gòu)、形貌、發(fā)光、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)以及熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行高通量表征的技術(shù)。其次介紹

4、了磁光存儲(chǔ)技術(shù)的原理，介紹了磁光效應(yīng)的唯象理論，綜述了Mn-Bi合金、稀土一過渡非晶態(tài)合金、鐵氧體以及Pt/Co多層膜這幾種磁光存儲(chǔ)材料體系的研究進(jìn)展，特別是在鐵氧體磁光存儲(chǔ)材料中進(jìn)行各種元素替代的研究進(jìn)展。 第二章是關(guān)于構(gòu)建組合磁光高通量表征裝置的工作。 該裝置的硬件部分主要包括He-Ne激光器、顯微物鏡、針孔、雙凸透鏡、偏振晶體、CCD、電磁線圈、各種光學(xué)支架以及光學(xué)導(dǎo)軌。從He-Ne激光器發(fā)出的直徑為0.51 mm

5、的激光首先經(jīng)由顯微物鏡、針孔以及雙凸透鏡組成的擴(kuò)束/空間濾波系統(tǒng)，再經(jīng)過起偏器轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，并入射到組合材料樣品庫(kù)的相應(yīng)被測(cè)樣品區(qū)域上；被測(cè)樣品反射的光經(jīng)過檢偏器后被CCD接收，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)過相應(yīng)的分析處理，一次性地得到所有被測(cè)樣品的磁光旋轉(zhuǎn)角。此外我們還編寫了一個(gè)數(shù)據(jù)-圖像轉(zhuǎn)換軟件，該軟件可以將表征結(jié)果圖像化，圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的亮度就對(duì)應(yīng)于樣品庫(kù)中相應(yīng)位置樣品克爾旋轉(zhuǎn)角的大小，這就使得表征結(jié)果更加直觀。該裝置的特點(diǎn)是采用了

6、激光光源結(jié)合擴(kuò)束投影成像的方法。由于材料樣品庫(kù)中的樣品具有尺寸小、數(shù)目眾多等特點(diǎn)，采用常規(guī)光源難以獲得高的信噪比，而使用具有高亮度的激光光源則能在保證一定分辨能力的前提下顯著提高表征裝置的靈敏度。采用擴(kuò)束投影成像的方法則賦予了該裝置并行表征的能力。針對(duì)光強(qiáng)信號(hào)是樣品反射率與克爾旋轉(zhuǎn)角乘積的事實(shí)，采用了將檢偏器的透振方向相對(duì)于起偏器的消光方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度的方法，分別在樣品未磁化以及磁化時(shí)采集兩幅圖像，通過對(duì)兩幅圖像的比較消除樣品反射率的

7、影響，并同時(shí)獲得所有樣品的克爾旋轉(zhuǎn)角。 對(duì)表征裝置的空間分辨能力進(jìn)行了理論計(jì)算，應(yīng)用平面波的單縫衍射模型估算了激光的相干性對(duì)裝置空間分辨能力的影響，推導(dǎo)出了空間分辨能力與樣品到CCD距離的關(guān)系，并通過理論計(jì)算得出了當(dāng)樣品到CCD的距離為300 mm時(shí)的空間分辨能力。用四元物理掩模制備的模擬材料樣品庫(kù)中密集排列的Gd<,1.6>Bi<,1.4>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品測(cè)試了分辨能力，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，確定了裝置的空間分

8、辨能力能滿足組合材料研究的要求。 分別采用傳統(tǒng)的磁光表征裝置和我們構(gòu)建的組合表征裝置對(duì)Gd<,1.6>Bi<,1.4>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品進(jìn)行了表征，并繪制了磁滯迥線，表征結(jié)果顯示兩種裝置繪制的磁滯迴線基本重合：對(duì)采用磁控濺射共濺射法制備的Gd<,3-x>Bi<,x>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品庫(kù)進(jìn)行了表征，在表征結(jié)果中觀察到了磁光旋轉(zhuǎn)角隨Bi摻雜濃度的變化情況，結(jié)果與文獻(xiàn)中常規(guī)方法獲得的結(jié)果一致。這都證明該組合

9、表征裝置具備對(duì)材料庫(kù)中的樣品進(jìn)行定量表征的能力。 第三章是對(duì)鏑鐿鉍石榴石鐵氧體進(jìn)行組合篩選方面的工作。 將Yb<'3+>摻入Bi<,x>Dy<,3-x>Fe<,5>O<,12>中構(gòu)成一個(gè)三元(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>成分體系有可能在保持Bi<,x>Dy<,3-x>Fe<,5>O<,12>體系矯頑力的同時(shí)提高薄膜的剩余磁化強(qiáng)度，以利于磁光存儲(chǔ)，并且也有可能在此三元材料體系中發(fā)現(xiàn)

10、具有較高磁光性能的組分。 在組合篩選前首先針對(duì)鐵氧體薄膜的透明特點(diǎn)，分析了薄膜干涉效應(yīng)對(duì)磁光旋轉(zhuǎn)角的影響。為了克服這種影響對(duì)獲得內(nèi)稟克爾旋轉(zhuǎn)角所造成的困難，我們采取了提高樣品庫(kù)膜厚、降低樣品庫(kù)有效膜厚起伏以及采用不透明襯底三種策略來降低干涉效應(yīng)的影響。通過制備并表征Dy<,2>BiFe<,5>O<,12>檢驗(yàn)樣品庫(kù)驗(yàn)證了以上三種策略對(duì)降低干涉效應(yīng)的有效性，這使得對(duì)透明磁光薄膜樣品庫(kù)進(jìn)行高通量表征成為可能，克服了將組合方法應(yīng)用于氧

11、化物體系磁光材料研究的困難。 (Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>材料樣品庫(kù)的合成采用磁控濺射同時(shí)濺射Bi<,3>Fe<,5>O<,12>、Dy<,3>Fe<,5>O<,12>以及Yb<,3>Fe<,5>O<,12>三個(gè)靶的方法進(jìn)行。測(cè)量了磁控濺射的濺射速率的空間分布，確定了利用初級(jí)樣品庫(kù)尋找具有較大克爾旋轉(zhuǎn)角的材料大致成分區(qū)域和利用次級(jí)樣品庫(kù)確定該材料的確切組分的研究策略。對(duì)材料樣品庫(kù)的表征

12、則采用第二章所構(gòu)建的組合磁光表征裝置進(jìn)行。通過對(duì)(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>三元材料樣品庫(kù)的高通量表征篩選出了(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>體系中最強(qiáng)磁光效應(yīng)的組分：Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>。 對(duì)大塊的Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品的研究發(fā)現(xiàn)，退火

13、溫度對(duì)其磁性能有較大影響，當(dāng)退火溫度由670℃提高到690℃的時(shí)候，薄膜的剩余磁化強(qiáng)度顯著提高，這對(duì)磁光存儲(chǔ)是有利的。 通過制備膜厚連續(xù)變化的Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>樣品庫(kù)，研究了干涉效應(yīng)對(duì)Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>薄膜克爾旋轉(zhuǎn)角的增強(qiáng)效應(yīng)，并確定當(dāng)膜厚為510 nm時(shí)，Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,