磁光克尔效应系统-NanoMOKE3

磁光克尔效应系统-NanoMOKE3

英国Durham公司是依托于英国Durham大学的高科技企业。与Durham大学强大的磁光学研究相对应,Durham公司的Russell Cowburn教授(英国剑桥大学卡文迪许实验室主任,英国皇家科学院院士)设计并制造了灵敏度能到10-12emu且间距动态磁畴观测的磁光克尔效应系统——NanoMOKE3。

NanoMOKE3是新一代超高灵敏度磁强计和克尔显微镜。在NanoMOKE2巨大成功的基础上,Nano-MOKE3在一套系统中集成了高品质激光磁强计和动态克尔显微镜。对于纵向、横向以及极向磁光克尔效应都非常灵敏,使得NanoMOKE3成为研究磁性薄膜以及磁性微结构理想的测量工具。广泛应用于诸如磁性纳米技术、自旋电子学和磁性薄膜等磁学领域。

NanoMOKE3具有极高的灵敏度和强大的测量功能,同时系统灵巧的设计以及专用的操作软件让复杂的实验过程变得简单,使您能够快速的实现自己珍贵的研究思路、获得可靠实验数据。最新的NanoMOKE3进行了全新的升级,增加了超快速的CCD,更加方便您的测试。


应用领域

广泛应用于诸如磁性纳米技术、自旋电子学和磁性薄膜等磁学领域。

超高测试灵敏度,可以1秒内快速获取磁滞回线,可以进行微区磁滞回线测试以及磁畴观测。兼容极向克尔和纵向克尔

NanoMOKE3系统特点:

1、非常高的灵敏度和稳定性,非常低的噪音,可以探测到低至 10-12 emu 的磁矩。

2、高度聚焦的激光,激光束斑达到3 μm,可以轻松进行样品的局部或单个结构的性能检测。

3、先进的样品定位技术。光路中集成光学显微镜以观测激光束斑的聚焦点和大小;扫描克尔显微镜可以探测样品的交流磁化率图像以及反射率图像,帮助用户选择样品的精细测量区域。

4、灵活开放的系统设计。所有的光学器件都安装在一个标准光学平台上,允许用户对光学器件进行调整,满足自己的科研需要。

5、任意的磁场波形控制。可以选配多种电磁体:四极磁体、偶极磁体以及螺线管磁体,能够轻松地在样品表面产生各种复杂的磁场。

6、简单易用的专用操作控制软件 LX Pro。该软件基于微软的 Windows 系统,能够自动完成所有实验以及实验数据的处理。


几种不同测试手段对比: 


测试手段SQUIDVSMMFMMOKE
样品要求液体,粉末,块材,薄膜液体,粉末,块材,薄膜薄膜,表面抛光的块材薄膜,表面抛光的块体
测量内容MT,MHMT,MH磁畴图像磁滞回线,磁畴图像,材质分布
测试精度非常高较高较高M不可定量,灵敏度高,磁畴形貌不及MFM
宏观/微观宏观磁性宏观磁性微观微观
磁畴不能不能静态静态/动态磁畴
各向异性可以转角测试不能精确测试不可以可以


NanoMOKE3系统基本参数:

► 温度范围:4K~500 K(拓展选件 )

► 最大磁场:四极磁体:2.5kOe

► 双极磁体:5kOe

► 单次测量磁场噪声:<0.1Oe

► 测试灵敏度: 优于10-12emu

► 最小克尔转角检出量:0.5mdeg.

► 最小反射率变化率检出量:0.02%  


NanoMOKE3丰富的测试功能:


单点loop功能区域mapping功能Rastering磁畴成像功能高速CCD磁畴成像功能反射率成像功能
原理变化磁场下对单点快速进行极向或纵向克尔信号扫描测量在变化磁场下,对待测区域内各点进行loop测量,然后对loop面积积分进而得出区域各点磁性性质,进而获得磁性分布图在固定磁场下以矩阵扫描的方式对区域内各点进行克尔信号测量在固定磁场下,用快速扫描的激光照在待测区域,通过光学CCD对整个待测区域的所有点的克尔信号测量在进行其他测的同时,获得样品表面的反射光强信号。获得同磁畴形貌同一区域的外观形貌
特点不同温度下,直接获得克尔信号随磁场变化的Loop不同温度下,获得区域磁性分布信息,可以进行极向或纵向克尔效应的测量不同温度下,获得区域磁畴分布信息,可以进行极向或纵向克尔效应的测量不同温度下,快速获取磁畴分布信息,可以进行极向或纵向克尔效应的测量无需时间专门测量,跟其他形貌图形同时获得
应用可判断易/难磁化轴,矫顽力,磁学性质获得区域各点的磁性信息、可用于研究各向异性。变温测量区域静态磁畴、动态磁畴的精确测量。变温变场测量快速观测静态磁畴和动态磁畴与磁畴形貌做对比分析,进行光功率扰动磁畴图像修正,判断克尔信号的噪声等
精度利用光电转换器测量,精度非常高利用光电转换器测量,精度非常高利用光电转换器测量,精度非常高利用CCD转换器利用光电转换器测量,精度非常高


开放灵活的设计:


我公司为客户提供多种拓展选件,预留光源输入窗,可使用其他光源;另外配备了低温和高磁场下的磁光克尔效应测试选件,下图为我公司为客户配备的Montana恒温器。在软件上的接口同样丰富,用户可以轻松的完成与其他实验设备的对接和控制。

■  无液氦低温磁光克尔助力金属-绝缘体转变研究


近期,加利福尼亚大学圣地亚哥分校物理科学与先进科学中心的Pavel Salev,Ivan K. Schuller等利用无液氦低温磁光克尔效应系统-CryoMOKE研究了基于La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜器件中金属-绝缘体转变电触发的易失性电阻开关,从金属到绝缘体,发生在一个相应的特征空间模式中,形成一个垂直于驱动电流的绝缘势垒。这种势垒的形成导致电流-电压特性中出现不寻常的N型负微分电阻。作者进一步证明电诱导横向势垒能够实现电压控制磁性的独特方法。通过触发磁性材料中的金属-绝缘体电阻开关,使用施加到整个设备的全局电压偏置实现铁磁性的局部开/关控制。该成果以《Transverse barrier formation by electrical triggering of a metal-to-insulator transition》为题发表在Nature Communications.

 

图1 金属-绝缘体电阻开关的磁光成像 a.磁光测量示意图,在器件区域的每个xy点处获得MOKE磁滞回线。沿器件长度方向在平面内施加磁场。在整个测量时间内,电压偏置保持不中断。b. 同时记录I–V曲线(中心)和MOKE xy成像图(侧面)。图中的亮区对应于铁磁LSMO。总视场为90×140μm2。在MOKE成像图中,电流沿着水平方向。随着I–V穿过负微分电阻,在器件中心出现横向绝缘顺磁势垒,并随着外加电压的增加而不断扩展。I–V图中的插图显示了势垒尺寸d,作为施加电压的函数,V。c. 在24 V下的MOKE成像图和对应于记录的三个器件区域(使用罗马数字标记)的局部磁滞回线。当器件两侧(区域I和III)显示铁磁响应时,中心(区域II)的MOKE信号为零。所有测量均在100 K下进行。


详细信息请参考:https://qd-china.com/zh/news/detail/2201081773131


参考文献:[1]Transverse barrier formation by electrical triggering of a metal-to-insulator transition[J]. Nature Communications.



■  Nature:形状变形的纳米磁性编码微型机器人研究


2019年11月,瑞士联邦理工学院的Cui Jizhai(现任职复旦大学) 、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature发表了名为“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines”的文章[2],该工作使用电子束光刻技术,制造出了只有几微米大小的可磁重组机器人,通过对单个区域的纳米磁体进行设计,将形状变化指令通过编程的方式输入微型机器人,对纳米磁体施加特殊的磁场序列后,实现微型机器人的形状变化,如图一所示。

图一 四片式变形微机械的设计 a.磁体磁态随尺寸增大的示意图:i.超顺磁性;ii.室温下稳定的单畴;iii.多畴态。b. 顶部,四个面板微机械,面板I上有520 nm×60 nm(I型)纳米磁体阵列,面板II上有398 nm×80 nm(II型)纳米磁体阵列;底部,纳米磁体阵列的相应SEM图像。c. 体积相同但长宽比不同的单畴纳米磁体的磁光克尔效应磁滞回线。d.根据矫顽力的不同选择两个磁场对微机械进行编码的示意图。e. 应用控制磁场B=15 mT时的磁性结构(I型和II型纳米磁体)和微机械折叠行为示意图,光学显微镜图像显示了所制造器件的四种不同结构。从左到右,上/下折叠的面板数为4/0、3/1、2/2(折叠方向不同的对面面板)和2/2(折叠方向相同的对面面板)。


文章中,作者使用了英国Durham Magneto Optics Ltd.公司的磁光克尔效应系统-NanoMOKE3对不同型的纳米磁体进行了磁滞回线测试,同时使用该设备的电磁铁产生的磁场对纳米磁体阵列进行了编程。NanoMOKE3可以进行微区的超高灵敏度测试,在本工作中,作者通过激光聚焦在不同的纳米磁体上获得对应的磁滞回线,如图一c所示,为微型机器人的磁学编码工作提供了帮助。


详细信息请参考:https://qd-china.com/zh/news/detail/2107151394582


参考文献:Cui, J., Huang, TY., Luo, Z. et al. Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines. Nature 575, 164–168 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1713-2.



■  垂直磁各项异性薄膜极向克尔测试研究


对垂直磁各项异性薄膜Ta(4 nm)/Pt(10 nm)/CoFeB(0.6 nm)/Pt(2 nm)进行了4.5K下的极向克尔测试(如图1所示),结果显示该样品在单次循环无平均下的噪声仅为5%。随后又对该薄膜进行了4.5K下的克尔成像测试(如图2所示),左上角显示为饱和磁化时的成像,顺时针方向为磁场逐渐减小至反向饱和时的成像,可以明显的观察到磁畴的变化。

图1 CoFeB薄膜4.5K下极向克尔测试。

左:60秒平均测试结果;右:单次循环1秒无平均测试结果


图2 CoFeB 薄膜4.5K下的磁畴成像观测


除了极向克尔测试,工程师还对坡莫合金微带线(25 μm 宽, 24 nm 厚)进行了5.5K下的纵向磁光克尔测试(如图3所示),结果显示该样品单次循环即可得到极强的克尔测试信号,噪声仅为3% 。

图3 坡莫合金微带线5.5K下的纵向磁光克尔测试

左:微带线结构;中:60秒测试平均结果;右:单次循环1秒无平均结果



CoPt/Ru, CoNi/Pt, CoFeB等3D存储介质研究



东京大学Satoru Nakatsuji教授课题组反铁磁材料MnSn研究


Large magneto-optical Kerr effect and imaging of magnetic octupole domains in an antiferromagnetic metal, Nature Photonics, 12, 2018, 73-78



Pattern,磁畴和动态磁畴的观测:

 

►  使用快速的rastering模式来探测样品表面的Pattern

 

 


►  通过测试Loop功能来检测样品的难/易轴

 

 


►  不同的颜色代表不同的磁畴,利用NanoMOKE3可以观测动态磁畴

 

 


►  不同的颜色代表不同的磁性能,从中我们可以检测样品的mapping各项异性

 


•  Magnetic ratchet for three-dimensional spintronic memory and logic, Nature 493, 647 (2013)

•  Symmetry-breaking interlayer Dzyaloshinskii– Moriya interactions in synthetic antiferromagnets, Nature Materials DOI 10.1038/s41563-019-0386-4

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•  Three-dimensional nanomagnetism,Nature Communications volume 8, 15756 (2017)

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•  A simple method for direct observation of the converse magnetoelectric effect in magnetic/ferroelectric composite thin films, Journal of Applied Physics 110, 096106 (2011)

•  Switchable voltage control of the magnetic coercive field via magnetoelectric effect, Journal of Applied Physics 110, 043919 (2011)

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•  A simple method for direct observation of the converse magnetoelectric effect in magnetic/ferroelectric composite thin films, Journal of Applied Physics 110, 096106 (2011)

•  Switchable voltage control of the magnetic coercive field via magnetoelectric effect, Journal of Applied Physics 110, 043919 (2011)

•  A magnetoelectric memory cell with coercivity state as writing data bit, Applied Physics Letters 96, 162505 (2010)

•  Electric-field modulation of magnetic properties of Fe films directly grown on BiScO 3 –PbTiO 3 ceramics, Journal of Applied Physics 107, 083901



北京航空航天大学首都师范大学
电子科技大学中国科学院半导体研究所
吉林师范大学中国科学技术大学
兰州大学厦门大学
南京邮电大学安徽大学
内蒙古大学南方科学技术大学
清华大学中国科学院金属研究所
中国科学院化学研究所复旦大学
河北工业大学......