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、信息技術和磁光存儲器件的發(fā)展迫切需要開發(fā)具有更大克爾旋轉角以及更優(yōu)秀磁性能的磁光存儲材料。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，將組合方法應用于對磁光存儲材料的研究將會極大地提高磁光存儲材料的研究效率?？焖俨⑿泻铣珊透咄勘碚魇菦Q定組合方法效率發(fā)揮的關鍵因素，但是相對于并行合成而言，高通量表征技術的發(fā)展滯后，將在較長一段時間內成為限制組合材料學發(fā)展的主要瓶頸。為了充分滿足對磁光存儲材料進行高通量表征的需求，我們自行

2、設計并構建了一臺能夠對磁光材料進行高通量表征的磁光成像裝置。與目前商業(yè)化的合金磁光存儲材料相比，摻鉍鐵氧體磁光材料在穩(wěn)定性和克爾旋轉角兩個方面都具有較大優(yōu)勢，有望應用于磁光存儲。在這篇論文里，我們用自行構建的磁光成像裝置對(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>體系的鐵氧體進行了組合篩選。一方面消除了透明鐵氧體薄膜產生的干涉效應對獲得內稟克爾旋轉角的影響，另一方面運用組合方法篩選出具有較大磁光效應的組分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行。 第一章是背景知識的介紹以及相關工作最新研究進展的文獻綜述。首先詳細介紹了組合材料學的基本概念、內涵以及發(fā)展歷史，綜述了組合材料樣品庫的設計、合成以及表征等方面所取得的進展，特別是對薄膜與粉末等形式的組合材料樣品庫的并行合成技術以及對樣品庫的結構、形貌、發(fā)光、電學性質、磁學性質以及熱學性質進行高通量表征的技術。其次介紹

4、了磁光存儲技術的原理，介紹了磁光效應的唯象理論，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材料體系的研究進展，特別是在鐵氧體磁光存儲材料中進行各種元素替代的研究進展。 第二章是關于構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、各種光學支架以及光學導軌。從He-Ne激光器發(fā)出的直徑為0.51 mm

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

6、激光光源結合擴束投影成像的方法。由于材料樣品庫中的樣品具有尺寸小、數(shù)目眾多等特點，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。采用擴束投影成像的方法則賦予了該裝置并行表征的能力。針對光強信號是樣品反射率與克爾旋轉角乘積的事實，采用了將檢偏器的透振方向相對于起偏器的消光方向旋轉一個小角度的方法，分別在樣品未磁化以及磁化時采集兩幅圖像，通過對兩幅圖像的比較消除樣品反射率的

7、影響，并同時獲得所有樣品的克爾旋轉角。 對表征裝置的空間分辨能力進行了理論計算，應用平面波的單縫衍射模型估算了激光的相干性對裝置空間分辨能力的影響，推導出了空間分辨能力與樣品到CCD距離的關系，并通過理論計算得出了當樣品到CCD的距離為300 mm時的空間分辨能力。用四元物理掩模制備的模擬材料樣品庫中密集排列的Gd<,1.6>Bi<,1.4>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品測試了分辨能力，驗證了理論分析的結果，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建的組合表征裝置對Gd<,1.6>Bi<,1.4>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品進行了表征，并繪制了磁滯迥線，表征結果顯示兩種裝置繪制的磁滯迴線基本重合：對采用磁控濺射共濺射法制備的Gd<,3-x>Bi<,x>Fe<,5>O<,12>薄膜樣品庫進行了表征，在表征結果中觀察到了磁光旋轉角隨Bi摻雜濃度的變化情況，結果與文獻中常規(guī)方法獲得的結果一致。這都證明該組合

9、表征裝置具備對材料庫中的樣品進行定量表征的能力。 第三章是對鏑鐿鉍石榴石鐵氧體進行組合篩選方面的工作。 將Yb<'3+>摻入Bi<,x>Dy<,3-x>Fe<,5>O<,12>中構成一個三元(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>體系矯頑力的同時提高薄膜的剩余磁化強度，以利于磁光存儲，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鐵氧體薄膜的透明特點，分析了薄膜干涉效應對磁光旋轉角的影響。為了克服這種影響對獲得內稟克爾旋轉角所造成的困難，我們采取了提高樣品庫膜厚、降低樣品庫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的影響。通過制備并表征Dy<,2>BiFe<,5>O<,12>檢驗樣品庫驗證了以上三種策略對降低干涉效應的有效性，這使得對透明磁光薄膜樣品庫進行高通量表征成為可能，克服了將組合方法應用于氧

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>材料樣品庫的合成采用磁控濺射同時濺射Bi<,3>Fe<,5>O<,12>、Dy<,3>Fe<,5>O<,12>以及Yb<,3>Fe<,5>O<,12>三個靶的方法進行。測量了磁控濺射的濺射速率的空間分布，確定了利用初級樣品庫尋找具有較大克爾旋轉角的材料大致成分區(qū)域和利用次級樣品庫確定該材料的確切組分的研究策略。對材料樣品庫的表征

12、則采用第二章所構建的組合磁光表征裝置進行。通過對(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>三元材料樣品庫的高通量表征篩選出了(Bi<,x>Dy<,y>Yb<,3-x-y>)Fe<,5>O<,12>體系中最強磁光效應的組分：Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>。 對大塊的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、溫度對其磁性能有較大影響，當退火溫度由670℃提高到690℃的時候，薄膜的剩余磁化強度顯著提高，這對磁光存儲是有利的。 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，研究了干涉效應對Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,12>薄膜克爾旋轉角的增強效應，并確定當膜厚為510 nm時，Dy<,0.6>Yb<,0.5>Bi<,1.9>Fe<,5>O<,