專利名稱：一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)及 方法，特別適合于測(cè)量磁電子學(xué)材料的自旋相關(guān)光性質(zhì)、電性質(zhì)等，以及變化外加磁場(chǎng)會(huì)引 起物理量改變的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自從1988年巨磁電阻效應(yīng)在鐵/鉻多層結(jié)構(gòu)中被發(fā)現(xiàn)后，20多年來(lái)，旨在利用電 子的另一內(nèi)稟屬性自旋來(lái)扮演電子電荷在現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域中類似角色的新興學(xué)科—— 磁電子學(xué)，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室還是工業(yè)界都取得了令人^C異的長(zhǎng)足發(fā)展。在磁電子學(xué)的研究中，讓樣品處于磁場(chǎng)下的環(huán)境，自然是不可或缺的實(shí)驗(yàn)條件；同 樣重要的是，使這個(gè)磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)強(qiáng)度以及方向可變，從而獲得物理量隨磁場(chǎng)變化的 fn息o對(duì)摻錳砷化鎵一類的所謂稀磁半導(dǎo)體，由于塞曼效應(yīng)的存在，能級(jí)在外加磁場(chǎng)下 會(huì)產(chǎn)生分裂而具有不同的能量和自旋取向，這種能級(jí)分裂隨磁場(chǎng)變化有顯著的改變。對(duì)鐵/砷化鎵一類的鐵磁金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行自旋注入或自旋濾波等研究 時(shí)，如利用自旋發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)的自旋探測(cè)，或利用極化圓偏振光泵浦的方法進(jìn) 行光學(xué)的自旋注入，則在光學(xué)選擇定則的限制下，需要鐵磁金屬薄膜的磁化強(qiáng)度方向平行 于樣品生長(zhǎng)方向，這通常要求一個(gè)很大的磁場(chǎng)。并且不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，鐵磁金屬薄膜的磁化 方向翻轉(zhuǎn)出樣品平面的程度不同。通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以分析鐵磁金屬薄膜在此類結(jié)構(gòu) 中扮演的角色。對(duì)鐵磁金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)所謂的自旋閥配置，進(jìn)行磁電阻的測(cè)量，以 研究自旋的注入、在半導(dǎo)體中的輸運(yùn)，以及探測(cè)等問(wèn)題。在這種配置下，鐵磁金屬薄膜通過(guò) 光刻等工藝形成不同長(zhǎng)寬比的條狀電極，這些電極的磁化強(qiáng)度沿長(zhǎng)軸方向而有不同的矯頑 力。改變沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)，在某個(gè)很窄的磁場(chǎng)區(qū)間(通常只有幾到幾十個(gè)奧斯特)，不同 電極的磁化方向反平行，此時(shí)可以測(cè)到顯著的磁電阻變化?？梢跃_控制強(qiáng)度的磁場(chǎng)，在這 里更是舉足輕重的實(shí)驗(yàn)條件?，F(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)室中主要是通過(guò)液氦溫度下的超導(dǎo)線圈，或者電磁鐵米獲取可變的 磁場(chǎng)。對(duì)于前者，一個(gè)顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是其對(duì)液氦這種價(jià)格昂貴、難以獲取的稀缺資源的依 賴性；對(duì)于后者，使用者往往又不得不忍受其龐大體積、巨大功耗帶來(lái)的一系列問(wèn)題。而本 發(fā)明中使用的釹鐵硼永磁體，能夠全天候、無(wú)耗能地為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，并且擁有和電 磁鐵相比微小的體積，節(jié)省了寶貴的實(shí)驗(yàn)室超凈空間。然而，對(duì)于永磁體自身來(lái)說(shuō)，并不能 使其提供的磁場(chǎng)可變，這是其天生的缺點(diǎn)。如果能夠基于釹鐵硼永磁體，實(shí)現(xiàn)一種可以進(jìn)行 磁場(chǎng)掃描的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，無(wú)疑將對(duì)與磁性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究有很大的益處。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于永磁體實(shí)現(xiàn) 磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)及方 法，通過(guò)改變所使用的釹鐵硼永磁體與待測(cè)樣品間的相對(duì)距離，來(lái)改變樣品感受到的磁場(chǎng) 強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包 括一釹鐵硼永磁體、一一維電動(dòng)平移臺(tái)及其控制器，其中釹鐵硼永磁體通過(guò)自制加工件固 定在一維電動(dòng)平移臺(tái)的臺(tái)面上。上述方案中，所述釹鐵硼永磁體為一具有同心孔洞的圓柱體，孔洞中的磁場(chǎng)沿軸 向變化，并且在軸向中心有數(shù)毫米尺度的均勻磁場(chǎng)區(qū)域，在該區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。上述方案中，所述一維電動(dòng)平移臺(tái)由直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠及可移動(dòng)臺(tái)面構(gòu)成，用以 承載釹鐵硼永磁體，其分辨率為1微米，并且可編程通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制其運(yùn)動(dòng)。上述方案中，該結(jié)構(gòu)還包括一激光器、一物鏡、一分光平片、一攝像頭、一顯示器和 一高斯計(jì)，其中該激光器和該物鏡構(gòu)成入射光路，該分光平片、該攝像頭和該顯示器構(gòu)成監(jiān) 視光路，用以觀察入射光路在高斯計(jì)探頭上的聚焦情況，以確定高斯計(jì)的位置，保證高斯計(jì) 探頭的位置與之后放置的待測(cè)樣品的位置重合。本發(fā)明還提供了一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的方法，該方法包括步驟1 調(diào)節(jié)高斯計(jì)的位置，通過(guò)該監(jiān)視光路觀察，使入射光聚焦到高斯計(jì)探頭頂 端，固定高斯計(jì)；步驟2 控制該一維電動(dòng)平移臺(tái)，移動(dòng)該釹鐵硼永磁體，記錄每個(gè)永磁體位置下的 高斯計(jì)讀數(shù)；步驟3 移走高斯計(jì)，將待測(cè)樣品置于之前高斯計(jì)探頭的位置，從步驟2所得數(shù)據(jù) 中選取合適的永磁體位置范圍，通過(guò)程序控制一維電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，獲取測(cè) 量值-磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。上述方案中，放置待測(cè)樣品時(shí)，通過(guò)該監(jiān)視光路觀察，使該入射光路的光聚焦到樣
品表面。(三)有益效果本發(fā)明提供的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)及方法，利用釹鐵硼永磁體實(shí)現(xiàn)了 一種可以掃描磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)。利用本發(fā)明，可以緊湊、全天候、無(wú)消耗地為實(shí)驗(yàn)提供 一個(gè)可變的磁場(chǎng)環(huán)境。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的 詳細(xì)描述，其中圖1是基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。圖2是具體實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)移動(dòng)釹鐵硼永磁體和讀取高斯計(jì)讀數(shù)得到的“磁體 位置_待測(cè)樣品處磁場(chǎng)強(qiáng)度”曲線。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參閱圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)示意圖。 該結(jié)構(gòu)的核心部分為一釹鐵硼永磁體MG和一一維電動(dòng)平移臺(tái)MV及其控制器。該結(jié)構(gòu)還涉 及一激光器L、一物鏡0L、一分光平片BS、一攝像頭C、一顯示器M和一高斯計(jì)GM。其中釹鐵硼永磁體MG為一有同心孔洞的圓柱體，其外徑約150毫米，內(nèi)徑約30毫 米，高約120毫米。同心孔洞中的磁場(chǎng)沿軸向近線性變化，并且在軸向中心有數(shù)毫米尺度的 均勻磁場(chǎng)區(qū)域，在該區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。其中一維電動(dòng)平移臺(tái)MV由直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠及可移動(dòng)臺(tái)面組成，有很大的負(fù)載 能力(大于20千克)，以承載釹鐵硼永磁體MG ；其分辨率可達(dá)到1微米，以保證磁場(chǎng)變化的 程度足夠精細(xì)；并且可以通過(guò)編程，由步進(jìn)電機(jī)控制器控制一維電動(dòng)平移臺(tái)MV的運(yùn)動(dòng)，以 滿足掃描磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)要求。其中釹鐵硼永磁體MG通過(guò)自制的加工件固定在一維電動(dòng)平移臺(tái)MV的臺(tái)面上。其中由激光器L和物鏡OL組成入射光路，由分光平片BS、攝像頭C和顯示器M組 成監(jiān)視光路，用監(jiān)視光路觀察入射光路在高斯計(jì)GM探頭上的聚焦情況，以確定高斯計(jì)GM的 位置，從而保證高斯計(jì)GM探頭的位置與之后放置的待測(cè)樣品的位置重合。本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程包括以下步驟步驟一調(diào)節(jié)高斯計(jì)GM的位置，通過(guò)監(jiān)視光路觀察，使入射光路的光聚焦到高斯 計(jì)GM的探頭，之后固定高斯計(jì)GM的位置。此時(shí)高斯計(jì)GM探頭的位置與將要放置的待測(cè)樣 品位置重合，從而高斯計(jì)GM所讀出的磁場(chǎng)就是待測(cè)樣品將感受到的磁場(chǎng)。步驟二 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制一維電動(dòng)平移臺(tái)MV，以單步的方式，從零位置 到最大位置移動(dòng)釹鐵硼永磁體MG，或者手動(dòng)記錄、或者由高斯計(jì)GM輸出釹鐵硼永磁體MG的 每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的的高斯計(jì)GM讀數(shù)。這樣，得到一條“磁體位置-待測(cè)樣品處磁場(chǎng)強(qiáng)度”曲 線，具體結(jié)果請(qǐng)參考圖2。步驟三移走高斯計(jì)GM，同樣通過(guò)監(jiān)測(cè)光路觀察入射光路在待測(cè)樣品上聚焦，將 待測(cè)樣品置于之前高斯計(jì)GM探頭的位置。步驟四從步驟二所得“磁體位置_待測(cè)樣品處磁場(chǎng)強(qiáng)度”曲線中選取合適的釹鐵 硼永磁體MG位置范圍在該范圍中，待測(cè)樣品處磁場(chǎng)近似線性地從正向最大磁場(chǎng)變化到反 向最大磁場(chǎng)。在這里我們選取從140毫米到200. 5毫米的釹鐵硼永磁體MG位置范圍，待測(cè) 樣品處磁場(chǎng)強(qiáng)度從-13120高斯變化到+7330高斯。具體結(jié)果請(qǐng)參考圖2。步驟五通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器，程控一維電動(dòng)平移臺(tái)MV按步驟四中選取的位置范 圍(140毫米到200. 5毫米)移動(dòng)。同時(shí)，在移動(dòng)的每一步，對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)期的各種測(cè) 量，得到“測(cè)量值-磁體位置”曲線。將這條曲線與步驟二所得的“磁體位置-待測(cè)樣品處 磁場(chǎng)強(qiáng)度”曲線對(duì)比，即得到一條完整的“測(cè)量值-待測(cè)樣品處磁場(chǎng)強(qiáng)度”曲線。綜上所述，通過(guò)控制釹鐵硼永磁體MG的位置，可以在待測(cè)樣品處實(shí)現(xiàn)從-13120高 斯到+7330高斯的磁場(chǎng)掃描。以上實(shí)施辦法說(shuō)明，本發(fā)明基于釹鐵硼永磁體，實(shí)現(xiàn)了一種可以進(jìn)行磁場(chǎng)掃描的 緊湊、無(wú)消耗、全天候的測(cè)量結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)確實(shí)可以給待測(cè)樣品提供一個(gè)可掃描的磁場(chǎng) 環(huán)境，可以作為液氦超導(dǎo)磁體或電磁體裝置的備用甚至替代系統(tǒng)。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一釹鐵硼永磁體、一一維電動(dòng)平移臺(tái)及其控制器，其中釹鐵硼永磁體通過(guò)自制加工件固定在一維電動(dòng)平移臺(tái)的臺(tái)面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述釹鐵硼 永磁體為一具有同心孔洞的圓柱體，孔洞中的磁場(chǎng)沿軸向變化，并且在軸向中心有數(shù)毫米 尺度的均勻磁場(chǎng)區(qū)域，在該區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述一維電 動(dòng)平移臺(tái)由直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠及可移動(dòng)臺(tái)面構(gòu)成，用以承載釹鐵硼永磁體，其分辨率為1 微米，并且可編程通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制其運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)還包 括一激光器、一物鏡、一分光平片、一攝像頭、一顯示器和一高斯計(jì)，其中該激光器和該物鏡 構(gòu)成入射光路，該分光平片、該攝像頭和該顯示器構(gòu)成監(jiān)視光路，用以觀察入射光路在高斯 計(jì)探頭上的聚焦情況，以確定高斯計(jì)的位置，保證高斯計(jì)探頭的位置與之后放置的待測(cè)樣 品的位置重合。
5.一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的方法，應(yīng)用于權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于， 該方法包括步驟1 調(diào)節(jié)高斯計(jì)的位置，通過(guò)該監(jiān)視光路觀察，使入射光聚焦到高斯計(jì)探頭頂端， 固定高斯計(jì)；步驟2 控制該一維電動(dòng)平移臺(tái)，移動(dòng)該釹鐵硼永磁體，記錄每個(gè)永磁體位置下的高斯 計(jì)讀數(shù)；步驟3 移走高斯計(jì)，將待測(cè)樣品置于之前高斯計(jì)探頭的位置，從步驟2所得數(shù)據(jù)中選 取合適的永磁體位置范圍，通過(guò)程序控制一維電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，獲取測(cè)量 值-磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的方法，其特征在于，放置待測(cè)樣 品時(shí)，通過(guò)該監(jiān)視光路觀察，使該入射光路的光聚焦到樣品表面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)及方法。該結(jié)構(gòu)包括一釹鐵硼永磁體、一一維電動(dòng)平移臺(tái)及其控制器，其中釹鐵硼永磁體通過(guò)自制加工件固定在一維電動(dòng)平移臺(tái)的臺(tái)面上。本發(fā)明提供的基于永磁體實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)掃描的結(jié)構(gòu)及方法，利用釹鐵硼永磁體和一維電動(dòng)平移臺(tái)的組合實(shí)現(xiàn)了一種可以掃描磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)。利用本發(fā)明，可以緊湊、全天候、無(wú)消耗地為實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)可變的磁場(chǎng)環(huán)境。
文檔編號(hào)G01R33/038GK101833072SQ20101016248
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者吳昊, 朱匯, 章昊, 鄭厚植 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所