Способ измерения магнитооптических эффектов in situ



Способ измерения магнитооптических эффектов in situ
Способ измерения магнитооптических эффектов in situ
Способ измерения магнитооптических эффектов in situ
Способ измерения магнитооптических эффектов in situ

 


Владельцы патента RU 2560148:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области магнитных и магнитооптических измерений. Способ заключается в том, что исследуемый образец освещают линейно поляризованным световым пучком и измеряют изменение поляризации при отражении, используя разделение отраженного луча на p- и s-компоненты с разложением по амплитуде и фазе, получая на выходе четыре световых пучка. При этом к исследуемому образцу во время проведения измерений прикладывают переменное магнитное поле, при измерении меридионального эффекта Керра поляризатор фиксируют в положении P=0, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах A1,2=45°. Перемагничивание образца осуществляют с помощью вращающегося постоянного магнита и величину поворота плоскости поляризации α, пропорциональную проекции намагниченности на плоскость падения света, определяют по формуле. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения и информативности. 3 ил.

 

Изобретение относится к области магнитных и магнитооптических измерений и может быть использовано для быстрой характеризации магнитных материалов, получения спектральных зависимостей магнитооптических эффектов, а также зависимостей магнитооптического сигнала от приложенного магнитного поля. Способ допускает использование стандартных приборов, измеряющих состояние поляризации, серийно выпускаемых эллипсометров для измерения не только классических эллипсометрических углов, но и магнитооптических параметров, позволяющих извлекать информацию о магнитном состоянии образца, в частности получать петли гистерезиса, регистрируя магнитооптический отклик, пропорциональный намагниченности в исследуемом образце.

Известен способ измерения состояния поляризации эллипсометром [п.м. РФ №16314, МПК С01N 21/21, опубл. 20.12.2000], сконструированным по фотометрической схеме, заключающийся в расщеплении отраженного от поверхности исследуемого образца светового пучка на две составляющие, которые измеряют соответственно амплитудные и фазовые изменения света при отражении для p- и s-поляризаций.

Недостатки этого способа заключаются в невысокой точности измерений и узком спектральном диапазоне проведения измерений, а также в случае ферромагнитного образца невозможности регистрировать магнитооптический отклик при воздействии магнитного поля на исследуемую систему.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения состояния поляризации эллипсометром [патент РФ №2302623, МПК: 6 С01N 21/21, опубл. 10.07.2007 (прототип)], заключающийся в том, что в конструкции также используется фотометрическая схема, позволяющая минимизировать время единичного измерения таким образом, что данную конфигурацию можно адаптировать для измерения магнитооптических эффектов.

Технический результат заключается в повышении точности измерения и информативности с целью измерения магнитооптических эффектов in situ.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения магнитооптических эффектов in situ, заключающемся в том, что исследуемый образец освещают линейно поляризованным световым пучком и измеряют изменение поляризации при отражении, используя разделение отраженного луча на p- и s-компоненты с разложением по амплитуде и фазе, получая на выходе четыре световых пучка с интенсивностями I1, I2, I3, I4, новым является то, что к исследуемому образцу во время проведения измерений прикладывают переменное магнитное поле, при измерении меридионального эффекта Керра поляризатор фиксируют в положении P=0, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах А1,2=45° и перемагничивание образца осуществляют с помощью вращающегося постоянного магнита, в этом случае величину поворота плоскости поляризации α, пропорциональную проекции намагниченности на плоскость падения света определяют по формуле:

,

где α - угол поворота плоскости поляризации, I1 I2 - интенсивности p- и s-компонент в амплитудном измерительном канале плеча анализатора, а при измерении экваториального эффекта Керра образец перемагничивают с помощью электромагнита, поляризатор фиксируют в положении Р=±45°, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах А1,2=45°, при этом магнитооптический отклик, пропорциональный интенсивности p-компоненты определяют по формуле:

,

где β - сигнал экваториального эффекта Керра, I1 - интенсивность в амплитудном канале, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров исследуемого образца.

Отличия заявляемого способа от наиболее близкого аналога заключаются в том, что к исследуемому образцу во время проведения измерений прикладывают переменное магнитное поле, а также в используемом математическом аппарате при вычислении значений магнитооптического сигнала. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема магнитоэллипсометрического комплекса in situ.

Устройство для измерения магнитооптических эффектов in situ (Фиг.1) состоит из источника света 1 (HeNe лазер), поляризатора 2, составляющих плечо поляризатора, высоковакуумных окон 4 и 10 для ввода и вывода оптического луча, соответственно, высоковакуумной камеры 5, исследуемого образца 6. Для создания переменного магнитного поля в плоскости образца используются не нарушающие оптическую схему вращающийся шаговым двигателем манипулятор 8 с постоянным NdFeB магнитом 7 (для измерения меридионального эффекта Керра (МЭК) или электромагнит 9 (для измерения экваториального эффекта Керра (ЭЭК)). Кроме того, техническое исполнение выполнено таким образом, чтобы при измерении МЭК использовалась только p-компонента пучка. Также во время измерений точность повышается за счет усреднений массивов данных, полученных за несколько оборотов манипулятора 8 в случае измерения МЭК, а в случае измерения ЭЭК накопление данных производится за несколько периодов перемагничивания. Плечо анализатора магнитоэллипсометрического комплекса состоит из светоделительного элемента 11, фазосдвигающего элемента 13, призм Волластона 12, 14, двухплощадных фотоприемников 15. Также на фиг. 1 показаны неотъемлемые составляющие ростовой вакуумной камеры для нанесения тонких слоев и покрытий: молекулярные источники (испарители) 16 и их заслонки 17.

Измерения магнитооптического эффекта Керра происходят следующим образом.

Световой поток 3, испускаемый осветителем 1, линейно поляризуется поляризатором 2, и, проходя через сверхвысоковакуумное окно 4, попадает внутрь сверхвысоковакуумной камеры 5, и затем падает на поверхность исследуемого образца 6. Во время измерений к образцу подводится магнитное поле либо с помощью постоянного магнита 7, приводимого в движение с помощью манипулятора 8, либо с помощью электромагнита 9. Падающий, линейно поляризованный световой пучок отражается от поверхности образца, находящегося под воздействием магнитного поля, с изменением состояния поляризации, обусловленным эффектом Керра в магнитном образце, и становится, в общем случае, эллиптически поляризованным и, в таком состоянии, выходя из высоковакуумной камеры через высоковакуумное окно 10, поступает в плечо анализатора, а именно, на композиционный расщепитель светового пучка 11, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на две световые компоненты, одна из которых попадает в амплитудный измерительный канал ψ, где призма Волластона 12 разделяет входной световой пучок на p- и s-компоненты, интенсивности которых затем регистрируются двухплощадным фотоприемником 15. Другая часть светового пучка попадает в фазовый измерительный канал Δ, где, проходя через фазосдвигающий элемент 13 и призму Волластона 14, также регистрируются фотоприемниками 15.

В итоге мы имеем четыре значения интенсивности I1, I2, I3 и I4, из которых вычисляют значения классических эллипсометрических углов ψ и Δ. При проведении таких измерений оптические поляризационные элементы могут принимать следующие фиксированные положения:

- поляризатор: P=0 или ±45°;

- анализатор в канале ψ: А1=0 или 45°;

- компенсатор - С=0°;

- анализатор в канале Δ: А2=0 или 45°.

Из доступных конфигураций оптических элементов [Швец и др. Оптика и спектроскопия, 2004, том 97, №3, С. 514-525] наиболее практичной является конфигурация, при которой оптические элементы находятся в положениях: А1=0, С=0, А2=45 (конфигурация I) и А1=45, С=0, А2=45 (конфигурация II). Для отмеченных конфигураций выполняются следующие соотношения между эллипсометрическими параметрами и измеренными сигналами:

Конфигурация I:

Fψ=-cos2ψ

FΔ=±sin2ψcos(Δ+δс)

Конфигурация II:

Fψ=±sin2ψcosΔ

FΔ=±sin2ψcos(Δ+δс)

где ψ и Δ - измеряемые эллипсометрические параметры, , , δс - фазовый сдвиг компенсатора, I1, I2, I3, I4 - сигналы с фотоприемников каналов ψ и Δ. Знак ± в формулах соответствует положениям поляризатора P=45 и -45°.

Эллипсометрические параметры рассчитываются следующим образом:

Конфигурация I:

ψ = 1 2 arccos ( F ψ )

Δ=p·arccos(±FΔ/sin2ψ)-δc

где значение p=1 или -1, определяющее диапазон Δ, остается неопределенным в рамках данной конфигурации и задается оператором посредством выбора диапазона Δ.

Конфигурация II:

или

.

Меридиональный эффект Керра состоит в возникновении s-компоненты при отражении линейно поляризованной в плоскости падения волны. При этом вектор поляризации поворачивается на малый угол α, который и подлежит определению при измерениях на эллипсометре-магнитометре. При измерениях МЭК поляризатор фиксируется в положении P=0, а анализаторы в каналах А1,2=45°.

Поворот плоскости поляризации в результате эффекта Керра приводит к перераспределению интенсивностей световых потоков, падающих на фотоприемники 15 (в зависимости от знака эффекта на одном фотоприемнике интенсивность будет возрастать пропорционально sin2α, а на другом на столько же убывать).

Поворот плоскости поляризации при перемагничивании образца вращающимся магнитным полем для МЭК вычисляют по формуле:

,

где α - угол поворота плоскости поляризации, I1 I2 - интенсивности p- и s-компонент в амплитудном измерительном канале ψ плеча анализатора.

На фиг. 2 представлены результаты измерения МЭК в слое DyNi толщиной 5 нм двухслойной структуры Ni[8nm]/DyNi[5nm]. Экспериментальные данные представлены как поворот плоскости поляризации в функции угловой координаты направления магнитного поля по отношению к произвольному направлению в плоскости образца. При измерении экваториального эффекта Керра образец перемагничивают с помощью электромагнита 9, поляризатор фиксируют в положении P=±45°, а анализаторы в каналах А1,2=45°, при этом магнитооптический отклик пропорционален интенсивности p-компоненты:

β=kI1,

где β - сигнал экваториального эффекта Керра, I1 - интенсивность в амплитудном канале, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров исследуемого образца.

На фиг. 3 показаны результаты измерений ЭЭК в пленке железа толщиной 10 нм на подложке монокристаллического кремния. Экспериментальные данные представлены в виде зависимости сигнала ЭЭК от величины приложенного магнитного поля.

Преимущества заявляемого способа измерения магнитооптических эффектов in situ заключаются:

- в расширении возможностей стандартного эллипсометра;

- в возможности проведения измерения при быстром перемагничивании;

- в возможности проведения спектральных измерений магнитооптических эффектов.

Способ измерения магнитооптических эффектов in situ, заключающийся в том, что исследуемый образец освещают линейно поляризованным световым пучком и измеряют изменение поляризации при отражении, используя разделение отраженного луча на p- и s-компоненты с разложением по амплитуде и фазе, получая на выходе четыре световых пучка с интенсивностями I1, I2, I3, I4, отличающийся тем, что к исследуемому образцу во время проведения измерений прикладывают переменное магнитное поле, при измерении меридионального эффекта Керра поляризатор фиксируют в положении P=0, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах A1,2=45° и перемагничивание образца осуществляют с помощью вращающегося постоянного магнита, в этом случае величину поворота плоскости поляризации α, пропорциональную проекции намагниченности на плоскость падения света определяют по формуле:
,
где α - угол поворота плоскости поляризации, I1, I2 - интенсивности p- и s-компонент в амплитудном измерительном канале плеча анализатора, а при измерении экваториального эффекта Керра образец перемагничивают с помощью электромагнита, поляризатор фиксируют в положении P=±45°, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах A1,2=45°, при этом магнитооптический отклик, пропорциональный интенсивности р-компоненты определяют по формуле:

где β - сигнал экваториального эффекта Керра, I1 - интенсивность в амплитудном канале, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров исследуемого образца.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу и системе для определения магнитной массы железнодорожных вагонов. Способ заключается в том, что для определения магнитной массы железнодорожных вагонов сначала производят калибровку с учетом окружающей температуры, а также насыпной плотности груза в вагонах.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ измерения магнитных свойств и толщины наноразмерных магнитных пленок и может быть использовано в магнитной наноэлектронике для характеризации гетерогенных магнитных элементов в устройствах памяти, в сенсорных устройствах и т.п.

Использование: для определения намагниченности насыщения магнитной жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что помещают жидкость во внешнее магнитное поле, индукцию которого можно менять, измеряют напряженность H и индукцию B магнитного поля внутри жидкости и определяют намагниченность жидкости M=(B/µo)-H, при этом определяют намагниченность M=M1 при B=B1 на начальном участке кривой намагничивания, где выполняется закон Кюри, определяют намагниченность M=M2 при большей индукции B=B2 на участке кривой намагничивания, где закон Кюри не выполняется, из равенства (M2B1/M1B2)=3La(ξ2)/ξ2 находят функцию Ланжевена La(ξ2), затем определяют Mнас=M2/La(ξ2).

Изобретение относится к области измерений магнитных величин, затрагивает средства измерений механических свойств ферромагнитных материалов, имеющих корреляционную связь с их магнитными характеристиками, например коэрцитивной силой, и может быть использовано при неразрушающем контроле качества термической обработки ферромагнитных изделий.

Устройство для исследования магнитных свойств магнетиков, основанное на принципе регистрации нелинейных эффектов в параллельных гармоническом и постоянном магнитных полях, относится к области научного приборостроения, к технике исследования магнетиков на основе спин-эффектов.

Изобретение относится к физике магнетизма ферромагнетиков, предварительно намагниченных в магнитном поле до состояния, соответствующего максимальной магнитной восприимчивости ферромагнетика, а затем квазискачкообразно вводимого в сверхсильное насыщающее магнитное поле за промежуток времени, существенно меньший (например, на порядок) постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнетика.

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при снятии зависимости магнитной восприимчивости ферромагнетика от величины приложенного к нему магнитного поля (кривой намагничивания Столетова).

Изобретение относится к области теплотехнических измерений и может быть использовано для оценки температурного режима работы пароперегревательных котельных труб из аустенитных сталей.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой спектральный магнитоэллипсометр и предназначено для контроля in situ производства в условиях сверхвысокого вакуума наноразмерных магнитных структур.

Изобретение относится к области in situ контроля производства в условиях сверхвысокого вакуума наноразмерных магнитных структур и может быть использовано в магнитной наноэлектронике для характеризации гетерогенных магнитных элементов в устройствах памяти, в сенсорных устройствах и т.п.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа определения ориентации кристаллографических осей в анизотропном электрооптическом кристалле класса 3m.

Изобретение относится к области оптической локации объектов и касается измерений изменений параметров поляризации оптического излучения при прохождении оптически активного вещества.

Изобретение относится к области оптико-физических исследований состава естественных материалов, таких как шерсть и растительные волокна (лен, хлопок, шелк и др.), и может быть использован в текстильной промышленности, в зоотехнике, при археологических исследованиях, при определении качества сырья и изготовленной из него продукции.

Группа изобретений относится к медицине. При осуществлении способа облучают лазерным лучом зоны максимального скопления кровеносных сосудов.

Изобретение относится к способам определения физических свойств в твердых прозрачных средах природного происхождения и может быть использовано при решении задач анализа качества таких материалов.

Изобретение относится к технике, предназначенной для оптико-физических измерений, а именно к эллипсометрии и поляриметрии, и может быть использовано для измерения состояния поляризации светового луча в широком спектральном диапазоне.

Изобретение относится к приборам неразрушающего контроля положения оптической оси корундовых подпятников типа ПКС (подпятник корундовый сферический) в составе маятников ГЦ (газовая центрифуга) без демонтажа маятников.

Изобретение относится к области оптико-физических исследований состава естественных и искусственных минералов, а также органических структур с различными коэффициентами пропускания.

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии, и может быть использовано для экспресс-диагностики резистентности и чувствительности к ацетилсалициловой кислоте (АСК). Для этого проводят забор крови у пациента до начала антитромбоцитарной терапии. В качестве антикоагулянта применяют 3,2% цитрата натрия, помещают 0,5 мл крови в опытную кювету, пропускают через образец крови короткий, порядка 10-5 с, импульс тока с последующей регистрацией функции спада поляризации образца, а затем выполняют Фурье-преобразование этой функции и рассчитывают параметры импеданс-годографов в диапазоне частот 0,1-125 кГц, используя диэлектрический Фурье-спектрометр. При значениях референтного интервала r0=4,518-4,551, x0=1,925-1,939, y0=-1,395--1,385 диагностируют чувствительность, а при значениях r0=4,504-4,517, х0=1,914-1,926, y0=-1,384--1,375 - резистентность к ацетилсалициловой кислоте. Изобретение позволяет быстро и достоверно осуществить диагностику резистентности к АСК у пациента до начала лечения, что предотвратит развитие нежелательных коронарных событий у больных ИБС. 2 ил., 2 табл., 2 пр.
Наверх