量子点/钇铁石榴石薄膜体系磁光性能研究

论文摘要

磁光器件是指利用材料的磁光效应制作成的具有各种光信息功能的器件,最广为人知的是磁光存储器和磁光调制器。磁光存储器和调制器的原理是利用偏振光在磁光介质上发生透射或者反射使偏振面旋转来调制光束。磁光调制器也有很多种,最常用的是亚铁磁钇铁石榴石（YIG）单晶及其薄膜磁光调制器。在此类磁光调制器中,磁光功能材料是通过掺杂的方式代替稀土元素进入YIG晶体内部。这种生长方式形成的薄膜在表面磁光效应中表现出较大的局限性,工艺复杂且磁光信号强度受材料的厚度控制,二者呈正比。而本文是通过物理气相沉积法在钇铁石榴石单晶表面生长铋量子点阵,利用界面效应增强了YIG薄膜的表面磁光克尔效应。铋（Bi）元素是一种大原子序数的半金属,由于其无毒和化学性质稳定的特点被广泛地应用于磁光材料中。在亚铁磁钇铁石榴石型材料中,铋取代钇元素直接掺杂在YIG薄膜中成为体型磁光材料,这种材料在波长为可见光/近红外范围内具有显著的磁光效应,其磁光效应起源于铋引起的铁的能级劈裂,当时被人们公认为有应用前景的磁光材料之一。然而随着二维集成光电子系统的不断发展,我需要寻找一种表面效应显著的新型磁光材料体系。因此,我将铋半金属生长于亚铁磁钇铁石榴石表面,形成具有局域表面等离子共振效应的量子点阵列,期望通过铋量子点阵的增强光学吸收特性和低维量子反常霍尔效应来提高YIG/Bi量子点体系的表面磁光效应。首先,本文通过直流磁控溅射及转移超薄AAO模板的方法在YIG单晶薄膜表面制备出有序的铋量子点阵,研究了YIG/Bi量子点阵体系的表面形貌、磁学性能以及光学性能。由于超薄AAO模板极薄甚至达到了纳米量级,因此本文对于如何更好的转移超薄AAO模板做了详细的研究。同时在生长结束后如何剥离模板才能不损坏铋量子点本文也做了探究并得出用撕除法剥离是最优选择。随后,通过铁磁共振测试、拉曼测试和表面磁光克尔效应测试等对其进行了磁学方面和光学方面的性能表征。研究结果发现,此种方式得到的薄膜的表面磁光克尔效应增强明显,最大磁光克尔旋转角增强可达900%。其次,本文通过超高真空分子束外延（MBE）自组装的方式在YIG单晶薄膜表面制备出无序的铋量子点阵,通过SEM测试、STEM测试、拉曼测试、VNA-FMR测试、EELS测试等研究了YIG/Bi量子点体系的表面形貌、界面微结构、磁学性能、光学性能以及表面等离子体的纳米尺度分布图。研究结果发现,此种方式得到的薄膜的表面磁光克尔效应同样有着显著的磁光增强效应,磁光克尔旋转角增强可达150%,最后,我从表面等离子激元共振增强光吸收的角度解释表面磁光克尔效应增强。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究意义与背景
•   1.2 表面磁光克尔效应的研究综述
•   1.3 表面等离子激元的研究综述
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 磁学性能和光学性能的相关理论基础
•   2.1 铁磁共振的磁化动力学
•     2.1.1 LandauLifshitz-Gilbert方程
•     2.1.2 铁磁共振
•   2.2 磁光效应
•     2.2.1 磁畴
•     2.2.2 表面磁光克尔效应
•   2.3 表面等离子激元
•     2.3.1 金属的光学特性
•     2.3.2 传播型表面等离子激元
•     2.3.3 局域型表面等离子激元
•   2.4 本章小结
• 第三章 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的制备及磁光增强效应
•   3.1 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的生长方法及原理
•   3.2 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的制备
•     3.2.1 转移超薄AAO模板
•     3.2.2 磁控溅射制备有序量子点阵
•     3.2.3 剥离超薄AAO模板
•   3.3 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的微结构表征
•     3.3.1 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的SEM形貌研究
•     3.3.2 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的拉曼光谱分析
•   3.4 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的磁性能研究
•   3.5 钇铁石榴石/铋有序量子点阵的磁光增强研究
•   3.6 本章小结
• 第四章 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的制备及磁光增强效应
•   4.1 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的生长方法及原理
•   4.2 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的制备
•   4.3 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的微结构表征
•     4.3.1 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的AFM形貌研究
•     4.3.2 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的拉曼光谱分析
•     4.3.3 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的STEM图研究
•   4.4 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的磁性能研究
•   4.5 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的磁光性能研究
•     4.5.1 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的傅里叶变换红外光谱图研究
•     4.5.2 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的光致荧光发光光谱图研究
•     4.5.3 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的局域表面等离子共振研究
•     4.5.4 钇铁石榴石/铋无序量子点阵的表面磁光克尔效应研究
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李佳璐

导师: 金立川

关键词: 钇铁石榴石,铋量子点阵,超薄模板,表面磁光克尔效应,表面等离子激元

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,材料科学,工业通用技术及设备

单位: 电子科技大学

分类号: O482.5;TB383.2

总页数: 58

文件大小: 5141K

下载量: 90