一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置及方法制造方法及图纸

一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置及方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该装置包括铁磁薄膜非均匀应力测量光路，薄膜磁滞回线测量光路，亥姆霍兹线圈及其电源，试件加热台，热电偶，力加载结构和调节支架。薄膜非均匀应力测量光路包括激光器、扩束镜、分光镜、反光镜、光栅、透镜、过滤屏、ＣＣＤ相机；薄膜磁滞回线测量光路包括激光器、扩束镜、反光镜、起偏镜、检偏镜、光电检测器。该方法利用亥姆霍兹线圈为铁磁薄膜提供均匀磁场，利用试件加热台对薄膜进行加热，利用力加载结构对薄膜进行力加载，利用剪切干涉测量薄膜表面的非均匀曲率，由曲率得到薄膜中的应力，利用铁磁薄膜表面的磁光克尔效应测量薄膜的磁滞回线。

【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一种非常重要的功能材料，具有多种独特的 物理特性，如磁各向异性、磁光效应、磁致伸縮效应、磁致电阻效应等，因此它在很多方面都 得到了广泛的应用。在通常情况下，铁磁薄膜的力学性能往往决定了由它制备的各种器件 的可用性与可靠性，铁磁薄膜在受到应力作用时(这种应力可以是失配应变、残余应力、外 加载荷或薄膜温度变化引起的)，薄膜的微观结构即晶体结构将发生改变，这种改变会影响 原子或离子的自旋与轨道耦合作用，如果再考虑到外部磁场的变化对薄膜磁各向异性的影 响，此时，铁磁薄膜就处于力学加载，热环境以及磁场作用等多场耦合的状态。因此，研究如 何检测处于多场耦合作用下铁磁薄膜的力学行为的方法对其应用有着至关重要的意义。 对处于力热磁耦合作用下的铁磁薄膜，应力和磁感应强度可以表述为<formula>formula see original document page 5</formula> 其中o是薄膜应力张量，B是磁感应强度矢量，e是薄膜应变张量(与薄膜曲 率有关)，H是磁场强度矢量，T是绝对温度。目前，已有许多国内外学者对铁磁薄膜的力 学性能与磁性性能在理论、数值模拟和实验测量方面进行了研究。在实验测量方面，针 对薄膜基体结构，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 方法同样可以用于处在力热磁耦合作用下的铁磁薄膜的应力测量中(Sander D， Enders A. and Kirschner J. 1999. Magnetoelastic coupling and epitaxial misfit stress in ultrathin Fe (100)-films on W(100). J. Magn. Magn. Mater. 198—199 :519—521.)。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 ofthe Royal Society, A82(1909) :172-175，)<formula>formula see original document page 5</formula> 其中o (f)是薄膜应力，Es，、分别是基体的弹性模量与泊松比，hf，hs分别是薄膜厚 度和基体厚度，k是通过实验测量得到的薄膜基体结构曲率。然而利用Stoney公式只能由 曲率得到薄膜的均匀应力分布。所以，需要更精确的分析和更符合实际的假设条件来获得 薄膜中的非均匀应力。冯雪等于2008年申请的薄膜非均匀应力在线测量的方法及装置的 专利技术(专利申请号200810116824X)可对在受到外加载荷作用的薄膜进行应力测量，但此装 置只能实现处于力学加载状态的薄膜应力测量，缺乏对其它外部因素对薄膜工作状态影响 的考虑；冯雪等提出一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置的专利技术(专利申请号200810222813X)考虑温度场对薄膜的影响，实现了薄膜处于力热耦合作用下的应力测量，然而薄膜器件尤其是铁磁薄膜器件所处的实际工作环境不仅包括力场、热场的作用，还有对铁磁薄膜磁性有重要影响的磁场环境，因此，要模拟铁磁薄膜实际的工作环境，以研究各种因素对薄膜力学、磁学性质的影响，就需要一种可以使薄膜能够处于力、热、磁耦合作用下的实验装置和方法，以此为薄膜的理论研究和实际应用提供实验手段和依据。 铁磁薄膜中应力状态影响了薄膜的磁性性质，因此对铁磁薄膜的力热磁耦合行为和磁各向异性内在机制的研究的意义是深远的，对于有效改善铁磁薄膜的物理性能、使用寿命与可靠性具有重要的指导作用，而且建立一套经济、实用、精确的铁磁薄膜的力热磁耦合行为测试方法和装置，可以为铁磁薄膜的制备、使用和优化设计提供重要依据。因此，从实验方法和理论分析两个方面研究铁磁薄膜在力场、热场、磁场耦合作用下的应力状态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，该装置及方法可实现力场、热场和磁场耦合作用下的铁磁薄膜非均匀应力的在线、实时、全场测量，并同时测量铁磁薄膜的磁滞回线。 本专利技术的技术方案如下 本专利技术提供的铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，该装置包括 铁磁薄膜非均匀应力测量光路、薄膜磁滞回线测量光路、亥姆霍兹线圈及其电源、试件加热 台、热电偶、力加载结构和调节支架，所述的试件加热台和力加载结构设置在亥姆霍兹线圈 所形成的磁场内； 本专利技术所述的铁磁薄膜非均匀应力测量光路依次包括第一激光器、第一扩束镜、分光镜、第一反光镜、第一光栅、第二光栅、透镜、过滤屏以及CCD相机；所述的第一激光器发出的激光经过第一扩束镜后照射到分光镜，由分光镜反射的光束到达放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件，经试件反射的光束透过分光镜到达第一反光镜，由第一反光镜反射的光束依次经过所述的第一光栅、第二光栅、透镜、过滤屏到达CCD相机，所述的第一光栅和第二光栅通过旋转结构能够在光栅所在的平面内绕第一反光镜反射的光束旋转。 本专利技术所述的铁磁薄膜磁滞回线测量光路依次包括第二激光器、第二扩束镜、起偏镜、第二反光镜、第三反光镜、检偏镜以及光电检测器，所述的第二激光器发出的激光经过第二扩束镜后经过起偏镜变成线偏振光，此线偏振光经第二反光镜反射后，照射到放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件，经试件反射的光束到达第三反光镜，由第三反光镜反射的光束经过检偏镜到达光电检测器，光电检测器测量接收到的光束强度。 在所述的试件加热台两侧放置第一支架和第二支架，第一激光器、第二激光器、第 一扩束镜、第二扩束镜、第一反光镜、第二反光镜以及起偏镜分别与第一支架相连；所述的 分光镜、第一光栅、第二光栅、透镜、过虑屏、CCD相机、第三反光镜、检偏镜以及光电检测器 分别与第二支架相连。 本专利技术所述的第一反光镜通过转动副安置在第一支架上，所述的第二反光镜的两 端通过转动副安置在第一支架上，所述的第三反光镜的两端通过转动副安置在第二支架 上。利用力加载结构对试件进行力加载，并记录施加载荷的大小F ;利用试件加热台对试件进行加热，待试件的温度稳定后，利用热电偶测量试件 本专利技术所述的第一激光器与第二激光器采用不同频率的激光器。 本专利技术还提供了铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测方法，其特征在于，该方法利 用所述的铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置进行测量包括如下步骤 a.利用亥姆霍兹线圈给试件提供均匀磁场，使试件磁化，并记录外加磁场的磁场 强度H; b. c. 的温度T ; d.打开第一激光器，使第一激光器发出的光束通过第一扩束镜，并调节第一扩束 镜，使从第一激光器发出的激光扩束并保持均匀性； e.调整分光镜、第一反光镜和调节支架，使由第一扩束镜扩束后的光束通过分光 镜反射到试件表面，从试件表面反射的光束通过分光镜到达第一反光镜，由第一反光镜反 射的光束依次通过第一光栅、第二光栅、透镜、过滤屏和CCD相机； f.将第一光栅和第二光栅的栅线方向调整至相互平行，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，该装置包括铁磁薄膜非均匀应力测量光路、薄膜磁滞回线测量光路、亥姆霍兹线圈（１２）及其电源（１３）、试件加热台（１４）、热电偶（１５）、力加载结构（１６）和调节支架（１７），所述的试件加热台和力加载结构设置在亥姆霍兹线圈所形成的磁场内；　　　　所述的铁磁薄膜非均匀应力测量光路依次包括第一激光器（１ａ）、第一扩束镜（２ａ）、分光镜（３）、第一反光镜（４ａ）、第一光栅（５ａ）、第二光栅（５ｂ）、透镜（６）、过滤屏（７）以及ＣＣＤ相机（８）；所述的第一激光器（１ａ）发出的激光经过第一扩束镜（２ａ）后照射到分光镜（３），由分光镜（３）反射的光束到达放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件（１８），经试件反射的光束透过分光镜（３）到达第一反光镜（４ａ），由第一反光镜（４ａ）反射的光束依次经过所述的第一光栅（５ａ）、第二光栅（５ｂ）、透镜（６）、过滤屏（７）到达ＣＣＤ相机（８）；所述的第一光栅（５ａ）和第二光栅（５ｂ）通过旋转结构能够在光栅所在的平面内绕第一反光镜（４ａ）反射的光束旋转；　　　　所述的铁磁薄膜磁滞回线测量光路依次包括第二激光器（１ｂ）、第二扩束镜（２ｂ）、起偏镜（９）、第二反光镜（４ｂ）、第三反光镜（４ｃ）、检偏镜（１０）以及光电检测器（１１），所述的第二激光器（１ｂ）发出的激光经过第二扩束镜（２ｂ）后经过起偏镜（９）变成线偏振光，此线偏振光经第二反光镜（４ｂ）反射后，照射到放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件（１８），经试件（１８）反射的光束到达第三反光镜（４ｃ），由第三反光镜（４ｃ）反射的光束经过检偏镜（１０）到达光电检测器（１１），光电检测器（１１）测量接收到的光束强度。...

【技术特征摘要】
一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，该装置包括铁磁薄膜非均匀应力测量光路、薄膜磁滞回线测量光路、亥姆霍兹线圈(12)及其电源(13)、试件加热台(14)、热电偶(15)、力加载结构(16)和调节支架(17)，所述的试件加热台和力加载结构设置在亥姆霍兹线圈所形成的磁场内；所述的铁磁薄膜非均匀应力测量光路依次包括第一激光器(1a)、第一扩束镜(2a)、分光镜(3)、第一反光镜(4a)、第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(6)、过滤屏(7)以及CCD相机(8)；所述的第一激光器(1a)发出的激光经过第一扩束镜(2a)后照射到分光镜(3)，由分光镜(3)反射的光束到达放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件(18)，经试件反射的光束透过分光镜(3)到达第一反光镜(4a)，由第一反光镜(4a)反射的光束依次经过所述的第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(6)、过滤屏(7)到达CCD相机(8)；所述的第一光栅(5a)和第二光栅(5b)通过旋转结构能够在光栅所在的平面内绕第一反光镜(4a)反射的光束旋转；所述的铁磁薄膜磁滞回线测量光路依次包括第二激光器(1b)、第二扩束镜(2b)、起偏镜(9)、第二反光镜(4b)、第三反光镜(4c)、检偏镜(10)以及光电检测器(11)，所述的第二激光器(1b)发出的激光经过第二扩束镜(2b)后经过起偏镜(9)变成线偏振光，此线偏振光经第二反光镜(4b)反射后，照射到放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件(18)，经试件(18)反射的光束到达第三反光镜(4c)，由第三反光镜(4c)反射的光束经过检偏镜(10)到达光电检测器(11)，光电检测器(11)测量接收到的光束强度。2. 按照权利要求1所述的一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于， 所述的装置还包括第一支架(19a)和第二支架(19b)，所述的第一激光器(la)、第二激光器 (lb)、第一扩束镜(2a)、第二扩束镜(2b)、第一反光镜(4a)、第二反光镜(4b)以及起偏镜 (9)分别与第一支架(19a)相连接；所述的分光镜(3)、第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜 (6)、过虑屏(7)、CCD相机(8)、第三反光镜(4c)、检偏镜(10)以及光电检测器(11)分别与 第二支架(19b)相连接。3. 按照权利要求2所述的一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于， 所述的第一反光镜(4a)通过转动副安置在第一支架(19a)上，所述的第二反光镜(4b)的 两端通过转动副安置在第一支架(19a)上，所述的第三反光镜(4c)的两端通过转动副安置 在第二支架(19b)上。4. 按照权利要求1所述的一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于， 所述的第一激光器(la)与第二激光器(lb)采用不同频率的激光器。5. —种采用如权利要求1所述装置的铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测方法，其特征 在于该方法包括如下步骤a. 利用亥姆霍兹线圈给试件提供均匀磁场，使试件磁化，并记录外加磁场的磁场强度H ;b. 利用力加载结构对...

【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]