CN1929049A - 利用激光诱导效应改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光诱导效应改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法，该方法为：在室温下，利用光子能量为2.0eV－3.5eV的脉冲激光辐照铁磁体CrO2薄膜；在进行上述步骤的同时，对铁磁体CrO2薄膜施加外加电场，以调控在激光诱导下CrO2薄膜磁性的变化量以及相应的阻抗的变化。本发明不仅有助于阐明光诱导磁相变的物理机制，而且对开发新型的光存储磁性器件以及光控制器件具有重要意义；本方法可采用CrO2薄膜在能量范围为1.2－1.75eV内的光吸收或透过率的变化来表征CrO2薄膜的磁性变化，为测量并研究CrO2薄膜的磁性改变提供了简单方便的途径；本方法为设计新型光电磁性器件提供了一种新的途径，具有广泛的应用前景。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法，尤其涉及一种在室温下利用激光诱导效应改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法。
二、背景技术
光诱导磁相变研究是目前广为关注的前沿领域之一。它既为研究激发态电子与局域电子自旋、晶格等相互作用提供了一个非常好的舞台，同时，光诱导磁相变研究又具有非常重要的应用价值，对推动高密度光存贮材料的开发以及高性能分子电子器件的研制都具有重大的意义。日本在2004年度就有三个重大研究项目涉及该领域：光对物质的制御(日本科技振兴机构项目)、光诱导相变及其动力学研究(日本文部科学省重大项目)及光辐照效应及其协同现象(日本学术振兴会重大项目)，研究经费达上百亿日元。在欧美，光诱导磁相变的研究不仅受到学术界的重视，而且也受到企业界的广泛关注。2003年以前，仅发现十多种材料具有光诱导磁相变现象，如一些钙钛矿型锰酸化合物、Fe-Co氰化物、Fe(II)有机配合物及一些混合原子价化合物。近两年来，国际上有关光诱导磁相变的研究取得长足的进展。在液晶、纳米材料、有机晶体、金属化合物中也发现新的光诱导磁相变现象。国内目前在这方面的研究还处于探索阶段。尽管在国际上光诱导磁相变的研究已取得较大的进展，然而光诱导磁相变研究中还存在着许多问题，其中最主要的问题是在目前广泛应用的功能材料中还未见具有光诱导磁相变现象的材料，另外，大多数材料发生光诱导磁相变现象的温度太低(＜50K)，影响了光诱导磁相变现象的实际应用。
针对上述存在的问题，探索具有高温光诱导磁效应现象的材料，成为光诱导磁相变研究的关键。它不仅有助于阐明光诱导磁相变的物理机制，而且对开发新一代高密度光存贮材料和光控制器件具有重大意义。强关联磁性化合物，CrO2，由于具有较高的磁相变温度(～390K)，因而在现实生活中作为磁记录材料得到了广泛的应用。然而，其光诱导磁性效应一直没有引起人们的重视，因而，在光电子学领域也无法得到进一步的应用。CrO2在常温下是一种我们熟知的半金属铁磁体(铁磁-顺磁相变温度Tc为390K)，其自旋向上的电子呈现巡游态，使CrO2呈金属性；其自旋向下的电子呈局域态，使CrO2呈铁磁性。在低温下(<100K>，CrO2的分子磁矩约为2μB，具有100％的自旋极化率。日本学者山本等人利用光谱学的方法发现CrO2x薄膜在1.55eV附近的光吸收与薄膜的磁性存在着直接的关系。由于，CrOx2为强关联磁性化合物，其电子、局域电子自旋以及晶格之间存在着关联关系，同时，Cr离子中不同电子之间也存在着较强的洪德耦合效应和局域电子之间的双重交换作用。如果利用激光激发CrO2中氧离子的电子跃迁到自旋向上的Cr3deg轨道，由于较强的在位洪德耦合效应，将导致自旋向下的局域Cr3dt2g电子的自旋紊乱。同时，由于局域电子之间的双重交换作用，少量自旋紊乱的局域电子将导致整个自旋系统的紊乱，并进而改变CrO2薄膜的磁性。因而，可以利用特定波长光辐照的方法改变CrO2薄膜的磁性。此外，由于外加电场能够保持局域电子自旋方向的平行，因而利用外加电场可以抵消激光诱导CrO2薄膜磁性的变化。
三、发明内容
1、发明目的
本发明的目的是提供一种在室温下利用激光诱导效应改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法。
2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本方法为在室温下，利用光子能量为2.0eV-3.5eV的脉冲激光辐照铁磁体CrO2薄膜，其中脉冲激光器的脉冲宽度为8ns；
在进行上述步骤的同时，可对铁磁体CrO2薄膜施加外加电场，以调控在激光诱导下CrO2薄膜磁性的变化量以及相应的阻抗的变化。
本发明方法的原理是：在室温下利用不同强度的脉冲激光辐照CrO2薄膜，当脉冲激光的光子能量大于2.0eV时，激光激发CrO2中O2p电子跃迁到Cr3deg↓(自旋向下)的电子轨道上，由于强的在位洪德耦合能，受激发的自旋向下的电子使得自旋向上的局域电子的自旋方向发生反转，同时由于局域电子之间的双重交换作用，导致局域态电子中形成自旋密度波。这样，CrO2薄膜在室温下由于脉冲激光的辐照作用，其铁磁性瞬间发生磁性转变。
此外，由于需要对CrO2薄膜磁性进行调控，因此，还可以对CrO2薄膜外加电场，较强的外加电场能够导致脉冲激光诱导下CrO2薄膜磁性改变量的减弱，同时，由于磁性的改变而导致的阻抗的变化也相应发生变化。具体地说，在脉冲激光辐照下CrO2薄膜局域电子自旋方向发生改变的同时，外加电场能够保持局域电子自旋方向的平行，因而可以抵消激光诱导CrO2薄膜磁性的变化，使脉冲激光诱导下CrOx2薄膜磁性改变量减弱。
CrO2薄膜中光诱导磁性的变化非常难以检测，日本学者山本等人利用光谱学的方法发现CrO2薄膜在1.2eV-1.75eV范围内的光吸收系数
与1-(M/Ms)2成正比关系，其中M和Ms分别是光诱导磁矩和饱和磁矩(引自Electronic structure of half-metallic CrO2 asinvestigated by optical spectroscopy，R.Yamamoto，Y.Moritomo and A.Nakamura，Phys.Rev.B 56，5062(2000))，本发明利用这种关系，通过观察光吸收系数(或透过率)的变化来检测CrO2薄膜磁性的变化。本发明中，可利用这种透过率与磁性的关系，检测CrO2薄膜在特定波长激光诱导下的磁性改变，该检测方法为采用连续光探测激光辐照下CrO2薄膜的透过率，并利用上述透过率与磁性的关系检测得到脉冲激光辐照下CrO2薄膜的磁性改变。在测量过程中，利用快速光电二极管探测薄膜的透射光的变化，检测到的信号经过高频数字示波器的分析，最后再转变为薄膜的磁性改变。
3、有益效果：通过本发明所述方法，我们在室温下利用激光诱导效应实现了铁磁材料CrO2薄膜的磁性改变及其外加电场调控：
(1)CrO2是一种技术上非常重要的过渡金属氧化物铁磁材料，而且针状CrO2磁粉已被广泛应用于磁记录材料，本发明的方法在室温下首次通过特定波长(光子能量介于2.0eV和3.5eV之间)的激光辐照来改变CrO2薄膜的磁性，其效果如图1所示，本方法不仅有助于阐明光诱导磁相变的物理机制，而且对开发新型的光存储磁性器件以及光控制器件具有重要意义；
(2)由于CrO2薄膜中光诱导磁性变化的检测比较困难，本方法采用CrO2薄膜在能量范围为1.2-1.75eV内的光吸收的变化(或透过率的变化)来表征激光诱导下CrO2薄膜的磁性变化，为测量并研究CrO2薄膜的磁性改变提供了简单方便的途径；
(3)在室温下CrO2薄膜在特定波长的脉冲激光辐照下，其磁性发生改变的同时，外加一定强度的电场能够调控CrO2薄膜在激光诱导下磁性的变化量。同时，由于磁性的改变而导致的阻抗的变化也发生相应变化。因而，在室温下可以利用外加电场来调控光诱导下CrO2薄膜磁性的变化量以及相应的阻抗变化(见附图2)，为设计新型光电磁性器件提供了一种新的途径，具有广泛的应用前景。
四、附图说明
图1是铁磁体CrO2薄膜在脉冲激光辐照下的磁性改变示意图，其中，图1(a)是探测光能量为1.55eV时CrO2薄膜在脉冲激光辐照下的磁性改变示意图，三角形和圆形所示的曲线分别表示CrO2薄膜在温度为450K(＜Tc～390K)和300K(＞Tc)时的光诱导磁性改变随时间的变化(％)；图1(b)是探测光能量为1.55eV时，CrO2薄膜的光诱导磁性幅值改变量(％)随温度变化的示意图。
图2是利用外加电场对脉冲激光辐照CrO2薄膜磁性改变进行调控的光路、电路示意图，其中L为聚焦透镜，BS为分光镜，PD为光电二极管，I为电流源，R为CrO2薄膜的阻抗。
五、具体实施方式
实施例1：
本实施例为：在室温下运用光子能量为3.2eV的脉冲激光辐照制备好的金红石型半金属铁磁材料CrO2薄膜，其中CrO2薄膜是在双区管式炉中采用化学气相沉积法制备在ZrO2基片上；用一台染料激光器作为脉冲激发源，其脉冲宽度和重复频率分别是8ns和10Hz；
利用能量为1.55eV的连续光探测在脉冲激光辐照下CrO2薄膜透过率的变化，并利用透过率与磁性的关系得到脉冲激光辐照下CrO2薄膜的磁性改变，如图1(a)所示，三角形和圆形所示的曲线分别表示CrOx2薄膜在温度为450K(＜Tc～390K)和300K(＞Tc)时的光诱导磁性改变随时间的变化(％)。从图中可以看出，CrO2薄膜的光诱导磁性改变最大约为0.70％(450K)和2.20％(300K)，这种瞬态的磁性改变在大约100ns后消失。两条实线分别是CrO2薄膜在温度为450K(＜Tc～390K)和300K(＞Tc)的光诱导磁性改变的最佳拟合曲线，呈负指数衰减。
本实施例利用快速光电二极管探测薄膜的透射光的变化，检测到的信号经过高频数字示波器的分析，最后再转变为薄膜的磁性改变。探测光源激光能量为1.55eV的Ti:Al2O3的连续波激光器，辐照光源为准分子激光器诱导的染料激光器(光子能量为2.0-3.5eV)。整个探测系统的时间分辨精度是8ns。
如图2所示，本实施例中，利用外加电场调控脉冲激光辐照下CrO2薄膜磁性改变的幅值及其阻抗的相应变化。图中染料激光器输出的光脉冲由分光镜分光，一束光经光电二极管接收后触发高频数字示波器；另一束光辐照CrO2薄膜。其中的连续激光器作为探测光源，辐射能量为1.55eV的激光探测CrO2薄膜的透过率，而后由快速光电二极管探测薄膜的透射光的变化，检测到的信号经过高频数字示波器的分析，最后再转变为薄膜的磁性改变。其中利用外加电场对光诱导CrO2薄膜磁性改变进行调控，同时由于磁性的改变而导致的阻抗的变化也相应发生变化。因而，在室温下能够利用外加电场来调控光诱导下CrO2薄膜磁性的变化以及相应的阻抗的变化。
如图1(b)所示的实验结果显示：在室温下，CrO2薄膜的光诱导磁性改变最大约为0.70％(450K)和2.20％(300K)，这种瞬态的磁性改变在大约100ns后消失。CrO2薄膜的光诱导磁性幅值改变量随着温度的升高而逐渐减小。在温度为380K时，磁性幅值改变减小至0.6％，当温度超过CrO2薄膜的铁磁-顺磁相变温度Tc(～390K)时，磁性幅值改变随温度增加则基本不变。
实施例2：在室温下，运用光子能量为3.5eV的脉冲激光辐照制备好的CrO2薄膜；本实施例中，检测CrO2薄膜磁性利用能量为1.55eV的连续光探测激光诱导CrO2薄膜(Tc～390K)的磁电阻变化及其随温度的改变。
实施例3：在室温下，运用光子能量为2.0eV的脉冲激光辐照制备好的CrO2薄膜；并且外加电场进行调控，与实施例1中的外加电场形式相同。
Claims (2)
1、一种利用激光诱导效应改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法，其特征在于，该方法步骤为：
(1)在室温下，利用光子能量为2.0eV-3.5eV的脉冲激光辐照铁磁体CrO2薄膜。
2、如权利要求1所述的利用激光诱导效应改变铁磁体CrO2薄膜磁性的方法，其特征在于，在进行步骤(1)的同时，对铁磁体CrO2薄膜施加外加电场，以调控在激光诱导下CrO2薄膜磁性的变化量以及相应的阻抗的变化。
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