CN201561829U - 一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置 - Google Patents

Abstract

一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，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。

Description

一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。

背景技术

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、磁致伸缩效应、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：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=\mathrm{\σ}(\mathrm{\ϵ},H,T)\\ B=B(\mathrm{\ϵ},H,T)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中σ是薄膜应力张量，B是磁感应强度矢量，ε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，)

${\mathrm{\σ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2\mathrm{\κ}}{6h_f(1-v_s)}---\left(2\right)$

其中σ(f)是薄膜应力，E_s，v_s分别是基体的弹性模量与泊松比，h_f，h_s分别是薄膜厚度和基体厚度，κ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发明(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发明(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。

实用新型内容

本实用新型提供一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，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。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型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；

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型所述的第一激光器与第二激光器采用不同频率的激光器。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：实现对处于力场，热场、磁场耦合作用下的铁磁薄膜的应力状态的测量，同时可绘制薄膜的磁滞回线，从而得到薄膜在力热磁耦合作用下的磁性性能；利用两片光栅对从薄膜表面反射的光束进行剪切干涉，干涉后的光束通过透镜成像得到干涉条纹，分析条纹的疏密及条纹级数沿着坐标方向的变化率就可获得薄膜基体结构的全场非均匀曲率，继而得到薄膜全场非均匀应力；由于可进行曲率的实时测量，通过改变加热温度和外加磁场强度可实现对铁磁薄膜在加热过程中和外加磁场变化时的实时监测；该装置可实现薄膜基体结构曲率的全场、在线、实时、非接触、非介入的测量，同时可避免振动对曲率测量的影响。

附图说明

图1是本实用新型铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置示意图。

图中：1a-第一激光器；1b-第二激光器；2a-第一扩束镜；2b-第二扩束镜；3-分光镜；4a-第一反光镜；4b-第二反光镜；4c-第三反光镜；5a-第一光栅；5b-第二光栅；6-透镜；7-过滤屏；8-CCD相机；9-起偏镜；10-检偏镜；11-光电检测器；12-亥姆霍兹线圈；13-电源；14-试件加热台；15-热电偶；16-力加载结构；17-调节支架；18-试件；19a-第一支架；19b-第二支架。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体结构和实施方式，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

图1是本实用新型铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置示意图。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。

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；所述的第一激光器1a可提供单色性好且均匀的光束；所述的第一扩束镜2a可将第一激光器发出的光束扩束并保持其均匀性；所述的分光镜3将从第一激光器1a发射并经第一扩束镜2a扩束后的激光束反射到试件18，第一激光器1a、第一扩束镜2a和分光镜3位于同一光轴上；从试件18表面反射回来的光束通过分光镜3到达第一反光镜4a，试件18、分光镜3和第一反光镜4a位于同一光轴上；由第一反光镜4a反射的光束到达第一光栅5a，经第一光栅5a衍射后的光束入射到第二光栅5b，第一光栅5a和第二光栅5b对光束进行剪切干涉，所述的第一光栅5a和第二光栅5b是具有相同光栅常数的Ronchi光栅；所述的透镜6将从第二光栅5b透过的光束会聚成像；所述的过滤屏7将经过透镜6会聚得到的图像的无用信息成分过滤掉；所述的CCD相机8将过滤屏7过滤得到的干涉图像记录下来；第二反光镜4b、第一光栅5a、第二光栅5b、透镜6、过滤屏7和CCD相机8位于同一光轴上，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。

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，此线偏振光照射到第二反光镜4b，第二激光器1b、第二扩束镜2b、起偏镜9和第二反光镜4b位于同一光轴上；经第二反光镜4b反射的光束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，第三反光镜4c、检偏镜10和光电检测器11位于同一光轴上；

本实用新型所述的亥姆霍兹线圈12可为试件18提供均匀的磁场，并通过调节电源13改变磁场强度的大小；

本实用新型所述的力加载结构16置于试件加热台14上，所述的调节支架17置于试件加热台14底部，试件加热台14可对试件18进行加热，力加载结构16可对试件进行力加载，调节支架17可调整试件的安放角度，利用热电偶15可测量加热温度；

本实用新型所述的第一反光镜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；

本实用新型所述的第一激光器1a与第二激光器1b采用不同频率的激光器。

本实用新型的工作原理如下；

若要研究铁磁薄膜在力热磁耦合作用下的力学性能和磁性性能，就要能够对处于力场、热场、磁场耦合作用下的铁磁薄膜的应力和磁滞回线同时进行测量，最便利和可行的实现途径是采用激光剪切干涉方法来测量薄膜基体结构的曲率，通过曲率与条纹级数的关系确定基体的曲率分布，再通过曲率与薄膜基体结构非均匀应力的关系确定铁磁薄膜的应力，同时，利用表面克尔磁光(Kerr)效应测量铁磁薄膜的磁滞回线，借此实现铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测。

试件表面曲率与干涉条纹级数之间的关系如(3)、(4)两式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right),$ n^(y)＝0，±1，±2L  (3)

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂x}\right),$ n^(y)＝0，±1，±2L  (4)

n^(y)是干涉条纹级数，(3)式中κ_yy是试件表面曲率的y方向分量，(4)式中κ_yx是试件表面扭率。

将两光栅在光栅面内绕垂直光栅平面的轴线旋转90°，可得试件表面曲率x方向的分量：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right),$ n^(x)＝0，±1，±2L      (5)

(5)式中κ_xx是试件表面曲率的x方向分量，n^(x)是将光栅旋转九十度后得到的干涉条纹级数。

由(3)、(4)、(5)式就可到试件表面曲率的全场信息：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂x}\right)\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(y\right)}}{\∂y}\right)\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{{\∂n}^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)\end{array}\right.,,\begin{array}{c}{n}^{\left(x\right)}=0,\±1,\±2L\\ n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2L\end{array}---\left(6\right)$

(6)式中κ_xx是试件表面曲率的x方向分量，κ_yy是试件表面曲率的y方向分量，κ_xy是试件表面的扭率，n^(x)代表在x方向剪切干涉的条纹级数，n^(y)代表在y方向剪切干涉的条纹级数，与其它曲率测量方法相比，这种曲率测量方法的优点是：实现了曲率全场(得到κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)、在线、实时的测量，且不受振动干扰。

由(6)式已获得试件表面曲率(κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)，经过更精确的分析得到薄膜在加热状态下的非均匀应力与曲率的关系如(7)式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)h_f}\{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}+[\frac{1-v_s}{1+v_s}-\frac{(1-v_f){\mathrm{\α}}_s}{(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-(1-v_f){\mathrm{\α}}_f}\left]({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})\right\}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2{\mathrm{\α}}_s(1-v_f)}{6(1-v_s)h_f[(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-(1+v_f){\mathrm{\α}}_f]}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\\ \mathrm{\τ}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{d}{\mathrm{dr}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})\end{array}\right.---\left(7\right)$

(7)式中，σ_rr ^(f)，σ_θθ ^(f)分别是薄膜中的径向应力和周向应力，τ是薄膜与基体界面之间的切应力，E_f，v_f分别是薄膜的弹性模量与泊松比，E_s，v_s分别是基体的弹性模量与泊松比，α_f，α_s分别是薄膜和基体的热膨胀系数，h_f，h_s分别是薄膜厚度和基体厚度，κ_rr，κ_θθ分别是薄膜基体结构曲率的径向分量与周向分量，可通过(6)式中的直角坐标系下曲率经坐标转换得到，κ_rr+κ_θθ表示κ_rr+κ_θθ在全域内的平均值，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数。由(7)式可知，只要实现薄膜基体结构曲率的全场测量(即κ_rr，κ_θθ的测量)，就可实现薄膜非均匀应力的测量。

根据铁磁薄膜表面的克尔磁光(Kerr)效应，当线偏振光入射到磁化后的铁磁薄膜表面上，由表面反射的光束的偏振状态发生改变，通过检偏棱镜的光强也发生变化，在一阶近似下光强的变化和被测材料磁感应强度呈正比，实际测量时，由光电检测器11测量反射光强I，再利用标准的已知磁化性质的样品代替试件18，测得反射光强I′，由于样品的磁化性质是已知的，由外加磁场强度H计算样品的磁感应强度B′，试件的磁感应强度可通过(8)式计算，

$B=\frac{I}{I^{\′}}{B}^{\′}---\left(8\right)$

由此得到试件18的磁感应强度B，改变外加磁场强度，测量出在不同外加磁场强度下试件的磁感应强度，从而绘制试件的磁滞回线。

所述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12及其电源13，试件加热台14与热电偶15。

Claims (4)

1.一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(1a)、第二激光器(1b)、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(1a)与第二激光器(1b)采用不同频率的激光器。

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