專利名稱：利用激光誘導(dǎo)效應(yīng)改變鐵磁體CrO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改變鐵磁體CrO2薄膜磁性的方法，尤其涉及一種在室溫下利用激光誘導(dǎo)效應(yīng)改變鐵磁體CrO2薄膜磁性的方法。
背景技術(shù)：
光誘導(dǎo)磁相變研究是目前廣為關(guān)注的前沿領(lǐng)域之一。它既為研究激發(fā)態(tài)電子與局域電子自旋、晶格等相互作用提供了一個(gè)非常好的舞臺(tái)，同時(shí)，光誘導(dǎo)磁相變研究又具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)推動(dòng)高密度光存貯材料的開發(fā)以及高性能分子電子器件的研制都具有重大的意義。日本在2004年度就有三個(gè)重大研究項(xiàng)目涉及該領(lǐng)域光對(duì)物質(zhì)的制御(日本科技振興機(jī)構(gòu)項(xiàng)目)、光誘導(dǎo)相變及其動(dòng)力學(xué)研究(日本文部科學(xué)省重大項(xiàng)目)及光輻照效應(yīng)及其協(xié)同現(xiàn)象(日本學(xué)術(shù)振興會(huì)重大項(xiàng)目)，研究經(jīng)費(fèi)達(dá)上百億日元。在歐美，光誘導(dǎo)磁相變的研究不僅受到學(xué)術(shù)界的重視，而且也受到企業(yè)界的廣泛關(guān)注。2003年以前，僅發(fā)現(xiàn)十多種材料具有光誘導(dǎo)磁相變現(xiàn)象，如一些鈣鈦礦型錳酸化合物、Fe-Co氰化物、Fe(II)有機(jī)配合物及一些混合原子價(jià)化合物。近兩年來，國際上有關(guān)光誘導(dǎo)磁相變的研究取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。在液晶、納米材料、有機(jī)晶體、金屬化合物中也發(fā)現(xiàn)新的光誘導(dǎo)磁相變現(xiàn)象。國內(nèi)目前在這方面的研究還處于探索階段。盡管在國際上光誘導(dǎo)磁相變的研究已取得較大的進(jìn)展，然而光誘導(dǎo)磁相變研究中還存在著許多問題，其中最主要的問題是在目前廣泛應(yīng)用的功能材料中還未見具有光誘導(dǎo)磁相變現(xiàn)象的材料，另外，大多數(shù)材料發(fā)生光誘導(dǎo)磁相變現(xiàn)象的溫度太低(＜50K)，影響了光誘導(dǎo)磁相變現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)上述存在的問題，探索具有高溫光誘導(dǎo)磁效應(yīng)現(xiàn)象的材料，成為光誘導(dǎo)磁相變研究的關(guān)鍵。它不僅有助于闡明光誘導(dǎo)磁相變的物理機(jī)制，而且對(duì)開發(fā)新一代高密度光存貯材料和光控制器件具有重大意義。強(qiáng)關(guān)聯(lián)磁性化合物，CrO2，由于具有較高的磁相變溫度(～390K)，因而在現(xiàn)實(shí)生活中作為磁記錄材料得到了廣泛的應(yīng)用。然而，其光誘導(dǎo)磁性效應(yīng)一直沒有引起人們的重視，因而，在光電子學(xué)領(lǐng)域也無法得到進(jìn)一步的應(yīng)用。CrO2在常溫下是一種我們熟知的半金屬鐵磁體(鐵磁-順磁相變溫度Tc為390K)，其自旋向上的電子呈現(xiàn)巡游態(tài)，使CrO2呈金屬性；其自旋向下的電子呈局域態(tài)，使CrO2呈鐵磁性。在低溫下(<100K>，CrO2的分子磁矩約為2μB，具有100％的自旋極化率。日本學(xué)者山本等人利用光譜學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)CrO2x薄膜在1.55eV附近的光吸收與薄膜的磁性存在著直接的關(guān)系。由于，CrOx2為強(qiáng)關(guān)聯(lián)磁性化合物，其電子、局域電子自旋以及晶格之間存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)，Cr離子中不同電子之間也存在著較強(qiáng)的洪德耦合效應(yīng)和局域電子之間的雙重交換作用。如果利用激光激發(fā)CrO2中氧離子的電子躍遷到自旋向上的Cr3deg軌道，由于較強(qiáng)的在位洪德耦合效應(yīng)，將導(dǎo)致自旋向下的局域Cr3dt2g電子的自旋紊亂。同時(shí)，由于局域電子之間的雙重交換作用，少量自旋紊亂的局域電子將導(dǎo)致整個(gè)自旋系統(tǒng)的紊亂，并進(jìn)而改變CrO2薄膜的磁性。因而，可以利用特定波長(zhǎng)光輻照的方法改變CrO2薄膜的磁性。此外，由于外加電場(chǎng)能夠保持局域電子自旋方向的平行，因而利用外加電場(chǎng)可以抵消激光誘導(dǎo)CrO2薄膜磁性的變化。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種在室溫下利用激光誘導(dǎo)效應(yīng)改變鐵磁體CrO2薄膜磁性的方法。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本方法為在室溫下，利用光子能量為2.0eV-3.5eV的脈沖激光輻照鐵磁體CrO2薄膜，其中脈沖激光器的脈沖寬度為8ns；在進(jìn)行上述步驟的同時(shí)，可對(duì)鐵磁體CrO2薄膜施加外加電場(chǎng)，以調(diào)控在激光誘導(dǎo)下CrO2薄膜磁性的變化量以及相應(yīng)的阻抗的變化。
本發(fā)明方法的原理是在室溫下利用不同強(qiáng)度的脈沖激光輻照CrO2薄膜，當(dāng)脈沖激光的光子能量大于2.0eV時(shí)，激光激發(fā)CrO2中O2p電子躍遷到Cr3deg↓(自旋向下)的電子軌道上，由于強(qiáng)的在位洪德耦合能，受激發(fā)的自旋向下的電子使得自旋向上的局域電子的自旋方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，同時(shí)由于局域電子之間的雙重交換作用，導(dǎo)致局域態(tài)電子中形成自旋密度波。這樣，CrO2薄膜在室溫下由于脈沖激光的輻照作用，其鐵磁性瞬間發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變。
此外，由于需要對(duì)CrO2薄膜磁性進(jìn)行調(diào)控，因此，還可以對(duì)CrO2薄膜外加電場(chǎng)，較強(qiáng)的外加電場(chǎng)能夠?qū)е旅}沖激光誘導(dǎo)下CrO2薄膜磁性改變量的減弱，同時(shí)，由于磁性的改變而導(dǎo)致的阻抗的變化也相應(yīng)發(fā)生變化。具體地說，在脈沖激光輻照下CrO2薄膜局域電子自旋方向發(fā)生改變的同時(shí)，外加電場(chǎng)能夠保持局域電子自旋方向的平行，因而可以抵消激光誘導(dǎo)CrO2薄膜磁性的變化，使脈沖激光誘導(dǎo)下CrOx2薄膜磁性改變量減弱。
CrO2薄膜中光誘導(dǎo)磁性的變化非常難以檢測(cè)，日本學(xué)者山本等人利用光譜學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)CrO2薄膜在1.2eV-1.75eV范圍內(nèi)的光吸收系數(shù) 與1-(M/Ms)2成正比關(guān)系，其中M和Ms分別是光誘導(dǎo)磁矩和飽和磁矩(引自Electronic structure of half-metallic CrO2asinvestigated by optical spectroscopy，R.Yamamoto，Y.Moritomo and A.Nakamura，Phys.Rev.B 56，5062(2000))，本發(fā)明利用這種關(guān)系，通過觀察光吸收系數(shù)(或透過率)的變化來檢測(cè)CrO2薄膜磁性的變化。本發(fā)明中，可利用這種透過率與磁性的關(guān)系，檢測(cè)CrO2薄膜在特定波長(zhǎng)激光誘導(dǎo)下的磁性改變，該檢測(cè)方法為采用連續(xù)光探測(cè)激光輻照下CrO2薄膜的透過率，并利用上述透過率與磁性的關(guān)系檢測(cè)得到脈沖激光輻照下CrO2薄膜的磁性改變。在測(cè)量過程中，利用快速光電二極管探測(cè)薄膜的透射光的變化，檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過高頻數(shù)字示波器的分析，最后再轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧さ拇判愿淖儭?br> 3、有益效果通過本發(fā)明所述方法，我們?cè)谑覝叵吕眉す庹T導(dǎo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了鐵磁材料CrO2薄膜的磁性改變及其外加電場(chǎng)調(diào)控(1)CrO2是一種技術(shù)上非常重要的過渡金屬氧化物鐵磁材料，而且針狀CrO2磁粉已被廣泛應(yīng)用于磁記錄材料，本發(fā)明的方法在室溫下首次通過特定波長(zhǎng)(光子能量介于2.0eV和3.5eV之間)的激光輻照來改變CrO2薄膜的磁性，其效果如圖1所示，本方法不僅有助于闡明光誘導(dǎo)磁相變的物理機(jī)制，而且對(duì)開發(fā)新型的光存儲(chǔ)磁性器件以及光控制器件具有重要意義；(2)由于CrO2薄膜中光誘導(dǎo)磁性變化的檢測(cè)比較困難，本方法采用CrO2薄膜在能量范圍為1.2-1.75eV內(nèi)的光吸收的變化(或透過率的變化)來表征激光誘導(dǎo)下CrO2薄膜的磁性變化，為測(cè)量并研究CrO2薄膜的磁性改變提供了簡(jiǎn)單方便的途徑；(3)在室溫下CrO2薄膜在特定波長(zhǎng)的脈沖激光輻照下，其磁性發(fā)生改變的同時(shí)，外加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)能夠調(diào)控CrO2薄膜在激光誘導(dǎo)下磁性的變化量。同時(shí)，由于磁性的改變而導(dǎo)致的阻抗的變化也發(fā)生相應(yīng)變化。因而，在室溫下可以利用外加電場(chǎng)來調(diào)控光誘導(dǎo)下CrO2薄膜磁性的變化量以及相應(yīng)的阻抗變化(見附圖2)，為設(shè)計(jì)新型光電磁性器件提供了一種新的途徑，具有廣泛的應(yīng)用前景。
四

圖1是鐵磁體CrO2薄膜在脈沖激光輻照下的磁性改變示意圖，其中，圖1(a)是探測(cè)光能量為1.55eV時(shí)CrO2薄膜在脈沖激光輻照下的磁性改變示意圖，三角形和圓形所示的曲線分別表示CrO2薄膜在溫度為450K(＜Tc～390K)和300K(＞Tc)時(shí)的光誘導(dǎo)磁性改變隨時(shí)間的變化(％)；圖1(b)是探測(cè)光能量為1.55eV時(shí)，CrO2薄膜的光誘導(dǎo)磁性幅值改變量(％)隨溫度變化的示意圖。
圖2是利用外加電場(chǎng)對(duì)脈沖激光輻照CrO2薄膜磁性改變進(jìn)行調(diào)控的光路、電路示意圖，其中L為聚焦透鏡，BS為分光鏡，PD為光電二極管，I為電流源，R為CrO2薄膜的阻抗。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本實(shí)施例為在室溫下運(yùn)用光子能量為3.2eV的脈沖激光輻照制備好的金紅石型半金屬鐵磁材料CrO2薄膜，其中CrO2薄膜是在雙區(qū)管式爐中采用化學(xué)氣相沉積法制備在ZrO2基片上；用一臺(tái)染料激光器作為脈沖激發(fā)源，其脈沖寬度和重復(fù)頻率分別是8ns和10Hz；利用能量為1.55eV的連續(xù)光探測(cè)在脈沖激光輻照下CrO2薄膜透過率的變化，并利用透過率與磁性的關(guān)系得到脈沖激光輻照下CrO2薄膜的磁性改變，如圖1(a)所示，三角形和圓形所示的曲線分別表示CrOx2薄膜在溫度為450K(＜Tc～390K)和300K(＞Tc)時(shí)的光誘導(dǎo)磁性改變隨時(shí)間的變化(％)。從圖中可以看出，CrO2薄膜的光誘導(dǎo)磁性改變最大約為0.70％(450K)和2.20％(300K)，這種瞬態(tài)的磁性改變?cè)诖蠹s100ns后消失。兩條實(shí)線分別是CrO2薄膜在溫度為450K(＜Tc～390K)和300K(＞Tc)的光誘導(dǎo)磁性改變的最佳擬合曲線，呈負(fù)指數(shù)衰減。
本實(shí)施例利用快速光電二極管探測(cè)薄膜的透射光的變化，檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過高頻數(shù)字示波器的分析，最后再轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧さ拇判愿淖?。探測(cè)光源激光能量為1.55eV的Ti:Al2O3的連續(xù)波激光器，輻照光源為準(zhǔn)分子激光器誘導(dǎo)的染料激光器(光子能量為2.0-3.5eV)。整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨精度是8ns。
如圖2所示，本實(shí)施例中，利用外加電場(chǎng)調(diào)控脈沖激光輻照下CrO2薄膜磁性改變的幅值及其阻抗的相應(yīng)變化。圖中染料激光器輸出的光脈沖由分光鏡分光，一束光經(jīng)光電二極管接收后觸發(fā)高頻數(shù)字示波器；另一束光輻照CrO2薄膜。其中的連續(xù)激光器作為探測(cè)光源，輻射能量為1.55eV的激光探測(cè)CrO2薄膜的透過率，而后由快速光電二極管探測(cè)薄膜的透射光的變化，檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過高頻數(shù)字示波器的分析，最后再轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧さ拇判愿淖?。其中利用外加電?chǎng)對(duì)光誘導(dǎo)CrO2薄膜磁性改變進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)由于磁性的改變而導(dǎo)致的阻抗的變化也相應(yīng)發(fā)生變化。因而，在室溫下能夠利用外加電場(chǎng)來調(diào)控光誘導(dǎo)下CrO2薄膜磁性的變化以及相應(yīng)的阻抗的變化。
如圖1(b)所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在室溫下，CrO2薄膜的光誘導(dǎo)磁性改變最大約為0.70％(450K)和2.20％(300K)，這種瞬態(tài)的磁性改變?cè)诖蠹s100ns后消失。CrO2薄膜的光誘導(dǎo)磁性幅值改變量隨著溫度的升高而逐漸減小。在溫度為380K時(shí)，磁性幅值改變減小至0.6％，當(dāng)溫度超過CrO2薄膜的鐵磁-順磁相變溫度Tc(～390K)時(shí)，磁性幅值改變隨溫度增加則基本不變。
實(shí)施例2在室溫下，運(yùn)用光子能量為3.5eV的脈沖激光輻照制備好的CrO2薄膜；本實(shí)施例中，檢測(cè)CrO2薄膜磁性利用能量為1.55eV的連續(xù)光探測(cè)激光誘導(dǎo)CrO2薄膜(Tc～390K)的磁電阻變化及其隨溫度的改變。
實(shí)施例3在室溫下，運(yùn)用光子能量為2.0eV的脈沖激光輻照制備好的CrO2薄膜；并且外加電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，與實(shí)施例1中的外加電場(chǎng)形式相同。
權(quán)利要求
1.一種利用激光誘導(dǎo)效應(yīng)改變鐵磁體CrO2薄膜磁性的方法，其特征在于，該方法步驟為(1)在室溫下，利用光子能量為2.0eV-3.5eV的脈沖激光輻照鐵磁體CrO2薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的利用激光誘導(dǎo)效應(yīng)改變鐵磁體CrO2薄膜磁性的方法，其特征在于，在進(jìn)行步驟(1)的同時(shí)，對(duì)鐵磁體CrO2薄膜施加外加電場(chǎng)，以調(diào)控在激光誘導(dǎo)下CrO2薄膜磁性的變化量以及相應(yīng)的阻抗的變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用激光誘導(dǎo)效應(yīng)改變鐵磁體CrO
文檔編號(hào)G11C11/14GK1929049SQ20061004131
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月14日
發(fā)明者劉曉峻, 吳雪煒, 程營(yíng), 吳大健 申請(qǐng)人:南京大學(xué)