一种铁磁薄膜的磁弹性性能同时在线检测方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该方法包括测量铁磁薄膜非均匀应力光路和测量薄膜磁滞回线光路，薄膜非均匀应力测量光路包括激光器、扩束镜、光栅，透镜、过滤屏、ＣＣＤ相机；测量薄膜磁滞回线光路包括激光器、扩束镜、起偏镜、检偏镜、光电检测器。利用剪切干涉测量铁磁薄膜表面的非均匀曲率，由曲率得到薄膜中的非均匀应力，利用铁磁薄膜表面的磁光克尔效应测量薄膜的磁滞回线。该方法可同时在线测量铁磁薄膜的非均匀应力和磁滞回线，从而为铁磁薄膜的磁弹性耦合行为的研究提供了实验基础。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于工程材料、结构形变及 力学实验
技术介绍
铁磁薄膜材料是微电子与信息技术中重要的一类功能材料，具有多种独特的物理特性， 如磁各向异性、磁致伸縮效应、磁光效应、磁致电阻效应等，在很多方面得到了广泛的应用， 随着人类社会高技术的发展，要求研制越来越多的新型磁性薄膜材料和器件。铁磁薄膜也由 于其优异的力磁耦合特性，在微机电系统(MEMS)得到广泛的应用，例如，磁性微驱动器、各种微传感器、基于磁电阻效应的微型磁阀门传感器等。近年来，已有许多国内外学者对薄膜基底磁弹性系统在理论、数值模拟和实验测量方面 进行了研究。Sander详细综述了铁磁薄膜中应力与磁各向异性的关系，论述了基于晶体结构 的磁弹性描述，并通过Kerr磁光效应测量了磁弹性耦合系数(Sander D., 1999. The correlation between mechanical stress and magnetic anisotropy in ultrathin films. Rep. Prog. Phys., 62: 809-858. ); Shick等人(Shick A. B.,NovikovD丄.and Freeman A丄1997. Relativistic spin-polarized theory of magnetoelastic coupling and magnetic anisotropy strain dependence: Application to Co/Cu(001). Phys. Rev. B 56: R14 259-R14262.)基于磁各向异性能量密度计算了 Co单层膜的磁弹性耦合系数；Lacheisserie (du Tr'emolet de Lacheisserie E., 1995. Definition and measurement of the surface magnetoelastic coupling coefficients in thin films and multilayers. Phys. Rev. B, 51: 15925-15932.)讨论了表面效应对磁弹性耦合的影响，并研究了表面对磁弹 性耦合系数的贡献。上述的工作多是从物理的角度考虑磁弹性耦合行为，缺乏力一磁耦合的 系统化表述，尤其缺乏力学的严格推导。在实验测量方面，当前对铁磁薄膜磁弹性应力的测量有两种方式 一种是基于X射线衍 射法直接测量薄膜的应变(Vreeland, T., Dommann, A" Tsai, C,J. andNicolet, M,A.,1988. X-ray Diffraction Determination of Stresses in Thin Films. Mater. Res. Soc. Symp. Proc.. 30: 3-12.)，由应 变根据弹性本构关系得到薄膜应力，Thomas等和Dho等采用X射线方法研究了薄膜内失配 应力改变膜内的磁畴分布和状态(Thomas O., Shen Q., Schieffer P. et al, 2003. Inte卬lay between Anisotropic Strain Relaxation and Uniaxial Interface Magnetic Anisotropy in Epitaxial Fe Films on (001) GaAs, Phys. Rev. Lett., 90: 17205-17209.);另一种是测量基底的曲率，通过弹性力学理 论建立曲率和薄膜应力的关系，这种方法在磁弹性耦合测量中得到广泛的应用(Sander D,Enders A. and Kirschner J. 1999. Magnetoelastic coupling and epitaxial misfit stress in ultrathin Fe(lOO)-films on W(IOO). J. Magn. Magn. Mater. 198-199: 519-521.)。 X射线衍射技术具有非破 坏性，并不要求特殊的试件构型，且可以测量涂层中的所有应力分量。X射线法最大的限制 是要求所测标度和曲率与参考样本的标度相关，由于需要移动样品，这种方法难以用于在线 测量；另外该方法也是严格的逐点测量(point-wise),不能实现全场的、宏观的测量。对于 曲率测量方法，需要通过Stoney公式建立薄膜应力与曲率关系(Stoney, G. G. The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis. Proceedings of the Royal Society, A82(1909): 172-175，)(1)式中(7(/)是薄膜应力，A， K分别是基体的弹性模量与泊松比，/V，&分别是薄膜厚度 和基体厚度，/C是通过实验测量得到的薄膜基体结构曲率。它基于以下基本假设薄膜与基体厚度均匀；薄膜与基体均是小变形；薄膜与基体均是 均匀线弹性材料；应力和曲率分布均匀且为等双轴状态。这种等双轴应力状态和应力和曲率 分布均匀的假设在实际情况当中都是不能满足的，因此，利用Stoney公式只能由曲率得到薄 膜的均匀应力分布。铁磁薄膜中应力状态影响了薄膜的磁性性质，人们逐渐意识到磁弹性耦合和磁各向异性 内在机制的物理含义是深远的。深刻理解铁磁薄膜的磁弹性将会有效改善铁磁薄膜的物理性 能、使用寿命与可靠性，而且建立一套经济、实用、精确的磁弹性耦合行为测试方法和技术 以及铁磁薄膜的磁弹性理论体系，为铁磁薄膜的制备、使用和优化设计提供依据。因此，从 实验方法和理论分析两个方面研究铁磁薄膜中的应力状态以及磁弹性便成为当前铁电薄膜研 究中的重要课题。
技术实现思路
本专利技术提供，该方法可克服上述现有技术 的不足，同时在线测量铁磁薄膜的非均匀应力和磁滞回线。 本专利技术的技术方案如下，其特征在于利用剪切干涉测量薄膜表 面的非均匀曲率，由曲率与薄膜非均匀应力之间的关系计算应力，利用铁磁薄膜表面的磁光 克尔(Kerr)效应，测量从薄膜表面反射的光束光强来确定薄膜的磁化强度。本专利技术提供的铁磁薄膜的磁弹性性能同时在线检测方法，该方法利用测量铁磁薄膜非均 匀应力光路和测量薄膜磁滞回线光路两条光路进行在线检测，所述的薄膜非均匀应力测量光 路包括第一激光器la、第一扩束镜2a、第一光栅4a、第二光栅4b、透镜5、过滤屏6和CCD 相机7;所述的测量薄膜磁滞回线光路包括第二激光器lb、第二扩束镜2b、起偏镜8、检偏镜9和光电检测器10，其检测方法包括如下步骤a. 利用外加磁场使试样3磁化，并记录外加磁场强度//;b. 打开第一激光器la，使第一激光器发出的光束通过第一扩束镜2a，并调节第一扩束镜 2a，使从第一激光器发出的激光扩束并保持均匀性；c. 由第一扩束镜2a扩束后的光束照射到试样3表面，从试样表面反射的光束依次通过第 一光栅4a、第二光栅4b、透镜5、过滤屏6和CCD相机7;d. 将第一光栅4a和第二光栅4b的主轴方向设置成竖直方向，调整透镜5、过滤屏6和 CCD相机7之间的距离，得到清本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种铁磁薄膜的磁弹性性能同时在线检测方法，其特征在于：该方法利用测量铁磁薄膜非均匀应力光路和测量薄膜磁滞回线光路两条光路进行在线检测，所述的薄膜非均匀应力测量光路包括第一激光器（１ａ）、第一扩束镜（２ａ）、第一光栅（４ａ）、第二光栅（４ｂ）、透镜（５）、过滤屏（６）和ＣＣＤ相机（７）；所述的测量薄膜磁滞回线光路包括第二激光器（１ｂ）、第二扩束镜（２ｂ）、起偏镜（８）、检偏镜（９）和光电检测器（１０），其检测方法包括如下步骤： ａ．利用外加磁场使试样（３）磁化，并记录外加 磁场强度Ｈ； ｂ．打开第一激光器（１ａ），使第一激光器发出的光束通过第一扩束镜（２ａ），并调节第一扩束镜（２ａ），使从第一激光器发出的激光扩束并保持均匀性； ｃ．由第一扩束镜（２ａ）扩束后的光束照射到试样（３）表面，从试样表面反 射的光束依次通过第一光栅（４ａ）、第二光栅（４ｂ）、透镜（５）、过滤屏（６）和ＣＣＤ相机（７）； ｄ．将第一光栅（４ａ）和第二光栅（４ｂ）的主轴方向设置成竖直方向，调整透镜（５）、过滤屏（６）和ＣＣＤ相机（７）之间的距离，得到清晰的干 涉图像； ｅ．提取干涉条纹中心线，计算条纹级数变化梯度＊ｎ↑［（ｙ）］／ｙ和＊ｎ↑［（ｙ）］／ｘ，ｎ↑［（ｙ）］是干涉条纹级数，通过下式： κ↓［ｙｙ］≈ｐ／２Δ（＊ｎ↑［（ｙ）］／＊ｙ），κ↓［ｘｙ］≈ｐ／２Δ（＊ｎ↑［（ｙ） ］／＊ｙ） 计算得到试样表面ｙ方向曲率κ↓［ｙｙ］和旋转曲率κ↓［ｘｙ］，上式中ｐ是光栅常数，Δ是两光栅间距； ｆ．将第一光栅（４ａ）和第二光栅（４ｂ）在光栅面内绕垂直光栅平面的轴线向相同方向旋转９０°，得到干涉条纹，提取干涉条 纹中心线，条纹级数记作ｎ↑［（ｘ）］，计算条纹级数变化梯度＊ｎ↑［（ｘ）］／ｘ由下式： κ↓［ｘｘ］≈ｐ／２Δ（＊ｎ↑［（ｘ）］／＊ｘ） 计算得到试样表面ｘ方向曲率κ↓［ｘｘ］； ｇ．通过坐标转换公式将直角坐标下的曲率κ↓ ［ｘｘ］，κ↓［ｙｙ］，κ↓［ｘｙ］转换成柱坐标下的曲率κ↓［ｒｒ］，κ↓［θθ］，通过下式： ＊＊＊ 计算σ↓［ｒｒ］↑［（ｆ）］，σ↓［θθ］↑［（ｆ）］和τ得到试样的非均匀应力，上式中Ｅ↓［ｆ］是薄膜弹性模量，ｖ↓［ｆ］是 薄膜泊松比，Ｅ↓［ｓ］是基体弹性模量，ｖ↓［ｓ］是基体泊松比，ｈ↓［ｆ］是薄膜厚度，ｈ↓［ｓ］是基体厚度，σ↓［ｒｒ］↑［（ｆ...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，董雪林，黄克智，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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