Quantum Design中国-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。

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^-12emu 的磁矩。

2、高度聚焦的激光，激光束斑达到2 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	SQUID	VSM	MFM	MOKE
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，MH	MT，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。

■ 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-um 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

(2019)

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

• Fast domain wall motion in magnetic comb structures, 2010, Nature Materials 9 (12) , pp. 980-983

• Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques, Nature Electronics 1, pages582–588(2018)

• Spintronics: Change of direction, 2007, Nature Materials 6 (4) , pp. 255-256

• Where have all the transistors gone?, 2006c, Science 311 (5758) , pp. 183-184

• "Two-dimensional spintronics for low-power electronics" Nature Electronics, vol.2, 274, 2019

• Erratum: Turbulence ahead (Nature Materials (2005) 4 (721-722)), 2005, Nature Materials 4 (12) , pp. 884

• Spintronics: Turbulence ahead,2005, Nature Materials 4 (10) , pp. 721-722

• Magnetic domain-wall logic,2005, Science 309 (5741) , pp. 1688-1692

• Magnetic domain-wall dynamics in a submicrometre ferromagnetic structure, 2003, Nature Materials 2 (2) , pp. 85-87

• Submicrometer ferromagnetic NOT gate and shift register, 2002, Science 296 (5575) , pp. 2003-2006

• Room temperature magnetic quantum cellular automata,2000, Science 287 (5457) , pp. 1466-1468

• Measuring domain wall fidelity lengths using a chirality filter", Phys. Rev. Lett 102, 057209 (2009)

• Converse magnetoelectric coupling in NiFe/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 nanocomposite thin films, Applied Physics Letters 103, 192903 (2013)

• Current-induced magnetization switching in atomthick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance， Nature communications, vol.9, 671, 2018

• Thickness-dependent converse magnetoelectric coupling in bi-layered Ni/PZT thin films, Journal of Applied Physics 111, 033918 (2012)

• Thickness-dependent voltage-modulated magnetism in multiferroic heterostructures, Applied Physics Letters 100, 022405 (2012)

• 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)

• Thickness-dependent voltage-modulated magnetism in multiferroic heterostructures, Applied Physics Letters 100, 022405 (2012)

• 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