GdFeCo磁光薄膜飛秒激光感應(yīng)反常磁滯回線研究*

徐初東，陳如麒，朱貴文，熊萬(wàn)杰

(1．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，廣東 廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 廣東 廣州 510642；3. 廣東藥學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院， 廣東 廣州 510006 )

鑒于發(fā)展超快磁光記錄的需要,GdFeCo,TbFeCo等稀土(RE)-過(guò)渡(TM)金屬磁光薄膜材料由于其所特有的鐵磁補(bǔ)償溫度的性質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)居里點(diǎn)寫入的熱輔助磁記錄和潛在更快的磁化反轉(zhuǎn)速度,引起研究者的強(qiáng)烈興趣[1-5]。其中Rasing小組[3]通過(guò)飛秒激光超快加熱GdFeCo磁光薄膜,測(cè)得了與常規(guī)的磁滯回線形狀明顯不同的反?；鼐€,并以此作為樣品溫度跨越磁化補(bǔ)償溫度的直接證據(jù)。在文中,作者雖然對(duì)反?；鼐€作了初步的解釋,然而對(duì)回線的具體產(chǎn)生緣由沒(méi)有提及。 本文對(duì)反?；鼐€形成起源做出詳細(xì)研究,其結(jié)果對(duì)磁光記錄材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

本文利用飛秒時(shí)間分辨磁光克爾泵浦-探測(cè)技術(shù)測(cè)量了GdFeCo磁光薄膜的激光感應(yīng)反?？藸柣鼐€,對(duì)其回線的演化和形成進(jìn)行詳細(xì)地研究。

1 實(shí)驗(yàn)描述

脈沖寬度約150 fs,中心波長(zhǎng)800 nm,脈沖序列的重復(fù)頻率為1.14 kHz的線偏振飛秒激光脈沖序列由鈦寶石飛秒激光器產(chǎn)生,經(jīng)由鈦寶石再生放大器放大并輸出進(jìn)入實(shí)驗(yàn)光路,經(jīng)分束片分為泵浦光和探測(cè)光。其中泵浦光通過(guò)可控光學(xué)延遲線,控制與探測(cè)光之間的時(shí)間延遲。經(jīng)延遲的泵浦光和探測(cè)光再經(jīng)凸透鏡聚焦到樣品的同一點(diǎn)上,其中泵浦光垂直入射,而探測(cè)光以小角度入射。實(shí)驗(yàn)過(guò)程,設(shè)置泵浦與探測(cè)光強(qiáng)度比大于40,泵浦光斑尺寸與探測(cè)光斑尺寸比大于2。從樣品反射的探測(cè)光的極克爾轉(zhuǎn)角由光電對(duì)管組成的平衡光橋進(jìn)行測(cè)量,差分輸出信號(hào)由鎖相放大器放大、檢測(cè)。測(cè)量過(guò)程中,光學(xué)斬波器以約340 Hz頻率調(diào)制探測(cè)光,并同步鎖相放大器。

本文研究的GdFeCo樣品采用磁控濺射方法制備,具有以下多層結(jié)構(gòu)：glass/Al(10 nm)/SiN(5 nm) /Gd23.5Fe73.2Co3.3(30 nm)/SiN(20 nm),其中g(shù)lass層作為基底層,Al層作為散熱襯底層,上下兩層的SiN層作為保護(hù)層,同時(shí)保證GdFeCo薄膜層兩側(cè)的邊界條件一致GdFeCo層具有較強(qiáng)的垂直磁各向異性,居里溫度約為510 K,磁化補(bǔ)償溫度約為400 K。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用飛秒時(shí)間分辨磁光克爾泵浦-探測(cè)技術(shù)測(cè)量GdFeCo磁光薄膜極克爾回線,如圖1所示。其中黑線為沒(méi)有泵浦光作用的克爾回線(No pump),與用傳統(tǒng)磁學(xué)方法測(cè)量的磁滯回線形狀相似,并且形狀方正,表征樣品具有高的垂直磁晶各向異性。方塊線和圓點(diǎn)線表示外場(chǎng)掃描方向不同時(shí)泵浦激光感應(yīng)的磁滯回線,對(duì)應(yīng)激發(fā)脈沖能量密度為8 mJ/cm2。圖1中探測(cè)時(shí)刻為-5 ps表示探測(cè)光比泵浦光先到達(dá),相當(dāng)于上一個(gè)泵浦脈沖激發(fā)后約一個(gè)脈沖周期時(shí)間0.88 ms。

圖1 GdFeCo薄膜的磁光克爾磁滯回線Fig.1 Magneto-optical Kerr hysteresis loops of GdFeCo film

2.1 反?？藸柣鼐€起源

把反?？藸柣鼐€按外加磁場(chǎng)的數(shù)值范圍分成以下四部分進(jìn)行分段研究,以外場(chǎng)的掃描方向從負(fù)飽和磁場(chǎng)至正飽和磁場(chǎng)所得的回線進(jìn)行具體分析。需要強(qiáng)調(diào)的是,800 nm探測(cè)光波的磁光克爾信號(hào)反映的主要是TM磁矩的狀態(tài)[10]。

外場(chǎng)范圍處于大于正向暖矯頑力(+)至正飽和場(chǎng)部分,對(duì)應(yīng)圖1反?？藸柣鼐€D部分。在此部分,樣品的磁化態(tài)在飛秒激光泵浦后發(fā)生的過(guò)程和回線環(huán)的A部分相似,同樣經(jīng)歷了兩次磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程后回到初始的正飽和磁化態(tài)。

2.2 反常克爾回線包含的信息

以上是對(duì)反?？藸柣鼐€起源的初步解釋,而對(duì)于反常克爾回線包含的一些細(xì)節(jié)信息,我們進(jìn)一步測(cè)量了不同激發(fā)功率下-5 ps反?？藸柣鼐€,如圖2(a)所示；以及采用初始化外加磁場(chǎng)的外場(chǎng)掃描方式結(jié)合可控泵浦脈沖的探測(cè)技術(shù)測(cè)量的不同泵浦脈沖數(shù)下- 5 ps反?？藸柣鼐€,如圖2(b)所示,進(jìn)一步對(duì)圖1反?？藸柣鼐€的形成起源作深入解析如下。

圖2 (a)不同激發(fā)功率的磁光克爾回線 (b)不同激發(fā)脈沖數(shù)的磁光克爾回線Fig.2 (a) Magneto-optical Kerr loops of GdFeCo amorphous film under different fluencies, (b) the magneto-optical Kerr loops of GdFeCo amorphous film under different pump pulses

圖1中反?？藸柣鼐€的暖矯頑力略大于No pump回線的室溫矯頑力.這是因?yàn)榧す饷}沖的熱作用使樣品的平衡溫度升高,在經(jīng)過(guò)0.88 ms的延遲時(shí)間后仍保持溫度稍高于室溫,按照RE-TM磁光材料矯頑力的溫度依賴關(guān)系[11],樣品此時(shí)的溫度低于磁化補(bǔ)償溫度(約為400 K),矯頑力隨溫度升高而增大,由此體現(xiàn)出此溫度下的暖矯頑力略大于室溫矯頑力。由圖2(a)可以看出,隨激發(fā)功率增大,樣品溫度升高,暖矯頑力增大,也進(jìn)一步說(shuō)明樣品的溫度在磁化補(bǔ)償溫度之下。

在圖1反?？藸柣鼐€中,相同外場(chǎng)下不同掃描方向所得到回線B部分對(duì)應(yīng)的磁化強(qiáng)度不同,這部分被稱為“剩余磁滯現(xiàn)象” (residual hysteresis)[3].由于激光脈沖的加熱作用不均勻?qū)е略谔綔y(cè)區(qū)域內(nèi)溫度不均勻,并不能夠保證此時(shí)的外加磁場(chǎng)滿足大于探測(cè)區(qū)域內(nèi)所有溫度所對(duì)應(yīng)的矯頑力,因而出現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)不完全的結(jié)果。當(dāng)進(jìn)一步加大激發(fā)功率之后,探測(cè)區(qū)域的溫度也隨之升高,對(duì)應(yīng)的熱矯頑力也會(huì)隨之減小,可以觀測(cè)到該部分的磁化反轉(zhuǎn)程度也隨之增大,如圖2(a)所示。

在圖1反?？藸柣鼐€中,A部分的飽和磁化強(qiáng)度比C部分的飽和磁化強(qiáng)度小.這種差異源于GdFeCo亞鐵磁耦合系統(tǒng)中RE與TM反平行子系統(tǒng)非完全剛性耦合的特性[6],即磁場(chǎng)作用直接驅(qū)動(dòng)RE或TM磁矩使其完全反轉(zhuǎn),并不能保證與之處于被迫反平行耦合的TM或RE磁矩也隨之完全反轉(zhuǎn)。因?yàn)樵贏部分,RE磁矩平行于外磁場(chǎng),磁場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)RE子系統(tǒng)將其飽和磁化,而TM子系統(tǒng)的磁化則是通過(guò)反平行耦合被迫隨之反轉(zhuǎn)的,所以此處的TM磁化反轉(zhuǎn)是不完全的。由于探測(cè)到的克爾信號(hào)主要反映TM子系統(tǒng)的磁化狀態(tài),A部分的飽和磁化強(qiáng)度小于C部分,表明TM子系統(tǒng)的被迫磁化反轉(zhuǎn)是不完全的。

在圖1反?？藸柣鼐€B部分,隨著外加磁場(chǎng)的增大,根據(jù)此類RE-TM磁光材料外加反向磁場(chǎng)作用下,反向磁疇的形核和疇壁遷移的磁化反轉(zhuǎn)機(jī)制[12],其磁化反轉(zhuǎn)程度應(yīng)與外加磁場(chǎng)成正比,也應(yīng)隨之增大。但是在此部分反轉(zhuǎn)的磁化強(qiáng)度數(shù)值卻基本保持不變,此結(jié)果的產(chǎn)生源于外場(chǎng)磁化史的記憶效應(yīng)[8]以及連續(xù)多脈沖激發(fā)所引起的積累效應(yīng)[8],并且隨著激發(fā)脈沖數(shù)增加,磁化反轉(zhuǎn)程度增加,如圖2(b)所示,最終在連續(xù)脈沖激發(fā)下達(dá)到飽和磁化(圖2(b)continuous pulses回線所示)。

3 結(jié) 論

利用飛秒時(shí)間分辨磁光克爾泵浦-探測(cè)技術(shù)測(cè)量了GdFeCo磁光薄膜的激光感應(yīng)磁滯回線,對(duì)反?；鼐€的形成原因作了詳細(xì)的分析,回線的反常部分源于樣品在激光加熱后,溫度跨越鐵磁補(bǔ)償溫度,凈磁矩方向發(fā)生轉(zhuǎn)變而引起的磁化反轉(zhuǎn),以及回線所包含的外場(chǎng)磁化史的記憶效應(yīng)和連續(xù)多脈沖激發(fā)的積累效應(yīng)。研究結(jié)果對(duì)深入理解GdFeCo合金薄膜在激光激發(fā)后的磁光響應(yīng)特性以及RE-TM系統(tǒng)磁化反轉(zhuǎn)機(jī)理具有重要意義。

感謝中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院賴天樹(shù)教授的指導(dǎo),感謝中山大學(xué)李樹(shù)發(fā)和廣州大學(xué)陳志峰博士的討論,感謝復(fù)旦大學(xué)周仕明教授提供的樣品。

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