论文总字数：20754字

摘 要

本论文设计并且搭建了磁光效应测量系统，完成了对磁铁和励磁线圈的设计，实现了对三种模式的磁光效应的观察，对一系列薄膜的磁光效应的观察。

利用磁控溅射仪器制备Py/NM薄膜，Ta/Py/Ta，d=25-500A的制备，尝试使用光刻的方法在制备的样品上实现Hall Bar结构。

实验完成了对Ta/Py/Ta，d=25-500A的磁滞回线的测量，弥补了原有的测量设备（VSM）的无法测量绝缘物体的缺点。理论上研究了磁光霍尔效应测量自旋霍尔效应的方法和实验过程。

关键词：磁光克尔效应，Py/NM薄膜，磁滞回线，自旋霍尔效应

Abstract

In this paper, we designed and built a magneto-optical kerr effect measurement system and completed the design of an excitation coil. We have an good observation of the three modes of magneto-optical effect. What’s more, we also observed the magneto-optical effect of a series of films.

Through magnetron sputtering equipment, we prepared Ta/Py/Ta，d=25-500A. We tried to carve the Hall bar on the sample by photolithography method.

We have completed the measurement of the hsteresis loop of Ta/Py/Ta，d=25-500A. Therefore, this work made up for the original measuring equipment (VSM).At last, we have Theoretical and experimental study of the process of the magneto-optical Hall effect measurement spin Hall effect.

Key Words：Magneto-optical Kerr effect, Py / NM films, hysteresis loop, spin Hall effect

目录

摘要 2

Abstract 3

第一章 绪论 5

1.1磁学的发展历程 5

1.2磁滞回线 6

1.3磁性材料 7

1.4霍尔效应 7

1.4.1 自旋霍尔效应 8

1.4.2自旋霍尔效应的理论解释 9

1.5磁光效应 9

1.5.1 磁光效应的分类 9

1.5.2克尔磁光效应 10

1.5.3 磁光现象的理论解释 10

1.6感应测量来研究微米样品的磁动力学 13

第二章 实验仪器和原理 18

2.1磁控溅射仪 18

2.1.1 磁控溅射仪的基本原理 18

2.1.2 直流磁控溅射技术 18

2.1.3 射频磁控溅射技术 19

2.2振动样品磁强计（VSM） 20

2.2.1振动样品磁强计的工作原理 20

2.2.2振动样品磁强计的结构 21

2.2.3振动样品磁强计的用途 21

2.3磁电阻测量装置 21

第三章 MOKE实验平台建设 23

3.1引言 23

3.2 SMOKE的实验装置 24

3.2.1原理简介： 24

3.2.2测量装置实物图 25

3.3磁场部分的设计 28

3.3.1励磁线圈的设计 28

3.4 采用MOKE测量自旋-轨道转矩 29

第四章 薄膜的制备 31

4.1薄膜的制备 31

4.2 磁光Kerr效应（MOKE）研究 31

4. 3 Hall bar制备 35

参考文献（Reference） 38

致谢 40

第一章 绪论

1.1磁学的发展历程

公元前5000多年，人类发现了天然的磁石，并逐渐对磁石开始应用，例如公元前2000年左右，中国人把天然的磁石打磨成了勺子的形状，放置在水平面上，受地磁场的影响，勺柄指南，曰“司南”，世界上第一个指南针就此诞生，人们第一次对磁性有了简单的应用。

但是在很长的一段时间里，人们对磁学和磁性材料的应用知识停留在很简单的程度，因为人们并没有上理解磁学和磁性材料的性质。真正意义上开始对磁学进行研究，开启磁学新纪元的要从1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应开始。紧接着，法国物理学家安培在对电流之间的相互作用进行大量研究的基础上提出了“分子电流”是物质磁性起源的假说，用最简单的方式解释了磁性的来源。随后，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，使人们认识到磁和电的统一的可能性，给人们研究磁学又指明了一个新的方向。最终，英国物理学家麦克斯韦在他的著作“论电和磁”中完成了电与磁的统一的理论。

在这个基础上，人们又对磁学进行了大量的深刻的研究，磁学方面的发现也不断地涌现出来。例如法国物理学家居里夫人发现了铁性物质在特定的温度下转换为为顺磁性的现象，并且在实验的基础上，提出了居里顺磁性和居里抗磁性定理。随后，法国物理学家郎之万在统计力学的规律的基础上导出了材料顺磁性温度变化的规律（居里定律），随后法国物理学家外斯又在其基础上，提出了分子场理论。1921年，奥地利物理学家泡利提出把玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位[1]。与此同时，康普顿觉得不仅原子有磁矩，电子也具有相应的自选磁矩。英国物理学家狄拉克凭借其对相对论量子力学的深刻的理解，近乎完美地解释了电子的内禀自旋和磁矩的含义。并且与德国物理学家海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在，为现在磁学的发展奠定了基础。著名的前苏联物理学家郎道完成了著作“理论物理学教程”，论述了现代现代电磁学和现代铁磁学的发展脉络。1936-1948法国物理学家奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性的概念和理论，并在随后多年的研究中深化了对物质磁性的认识。奥地利物理学家斯奈特在量子磁学的指导下发现了磁能积空前高的稀土磁体(SmCo5)，从而揭开了永磁材料发展的新篇章。1991，德国物理学家克内勒提出了双相复合磁体交换作用的理论基础，指出了纳米晶磁体的发展前景。

1.2磁滞回线

图1.2强磁物质的磁滞回线

如图1.2所示，将磁性材料样品从剩余磁化强度开始，逐渐增大磁化场的磁场强度H，磁性材料的磁化强度M将沿图1.2中OAB曲线变化，直至到达磁饱和状态B。继续增大H，样品的磁化达到了饱和值，所以磁化状态将几乎保持不变，几乎保持水平。OAB曲线称为起始磁化曲线。

然后逐渐减小磁化场的强度，磁化曲线从并不沿原来的磁化曲线返回，而是表现出磁化强度M的变化滞后于H的变化，这种滞后的现象称为磁滞。当H逐渐减小为零时，M并没有变为0，而是出现了剩余磁化强度。只有外加反向磁化场加强到时，磁化强度才变为零，称为矫顽力。继续增大反向磁化场到时，样品将沿反方向磁化到达饱和状态E，相应的磁化强度饱和值为。同样，继续增加反向磁化场强度，样品的此话状态也几乎保持不变，与正向磁化情况完全一样。

反向磁化场减小到零，然后又沿正方向增加，样品磁化状态将沿曲线EGKB回到正向饱和磁化状态B[1]。由此看出，当磁化场由Hs变到-Hs，再从-Hs变到Hs反复变化时，样品的磁化状态变化经历着由BNDEGKB闭合回线描述的循环过程，曲线BNDEGKB称为磁滞回线。BC及EF两段相应于可逆磁化过程，M为H的单值函数。由于磁滞现象，磁滞回线上任一给定的H，对应有两个M值。可以证明，B-H磁滞回线所包围的面积正比于在一次循环磁化中的能量损耗。

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