[发明专利]一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁电子学技术领域，尤其涉及一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法，特别适合于测量磁电子学材料的自旋相关光性质、电性质等，以及变化外加磁场会引起物理量改变的实验应用。

背景技术

自从1988年巨磁电阻效应在铁/铬多层结构中被发现后，20多年来，旨在利用电子的另一内禀属性自旋来扮演电子电荷在现代信息技术领域中类似角色的新兴学科——磁电子学，无论在实验室还是工业界都取得了令人惊异的长足发展。

在磁电子学的研究中，让样品处于磁场下的环境，自然是不可或缺的实验条件；同样重要的是，使这个磁场在一定范围内强度以及方向可变，从而获得物理量随磁场变化的信息。

对掺锰砷化镓一类的所谓稀磁半导体，由于塞曼效应的存在，能级在外加磁场下会产生分裂而具有不同的能量和自旋取向，这种能级分裂随磁场变化有显著的改变。

对铁/砷化镓一类的铁磁金属/半导体结构，在进行自旋注入或自旋滤波等研究时，如利用自旋发光二极管结构进行光学的自旋探测，或利用极化圆偏振光泵浦的方法进行光学的自旋注入，则在光学选择定则的限制下，需要铁磁金属薄膜的磁化强度方向平行于样品生长方向，这通常要求一个很大的磁场。并且不同磁场强度下，铁磁金属薄膜的磁化方向翻转出样品平面的程度不同。通过改变磁场强度，可以分析铁磁金属薄膜在此类结构中扮演的角色。

对铁磁金属/半导体结构，也可以通过所谓的自旋阀配置，进行磁电阻的测量，以研究自旋的注入、在半导体中的输运，以及探测等问题。在这种配置下，铁磁金属薄膜通过光刻等工艺形成不同长宽比的条状电极，这些电极的磁化强度沿长轴方向而有不同的矫顽力。改变沿长轴方向的磁场，在某个很窄的磁场区间(通常只有几到几十个奥斯特)，不同电极的磁化方向反平行，此时可以测到显著的磁电阻变化。可以精确控制强度的磁场，在这里更是举足轻重的实验条件。

现阶段，实验室中主要是通过液氦温度下的超导线圈，或者电磁铁米获取可变的磁场。对于前者，一个显而易见的缺点是其对液氦这种价格昂贵、难以获取的稀缺资源的依赖性；对于后者，使用者往往又不得不忍受其庞大体积、巨大功耗带来的一系列问题。而本发明中使用的钕铁硼永磁体，能够全天候、无耗能地为实验提供强磁场环境，并且拥有和电磁铁相比微小的体积，节省了宝贵的实验室超净空间。然而，对于永磁体自身来说，并不能使其提供的磁场可变，这是其天生的缺点。如果能够基于钕铁硼永磁体，实现一种可以进行磁场扫描的实验结构，无疑将对与磁性相关的实验研究有很大的益处。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法，通过改变所使用的钕铁硼永磁体与待测样品间的相对距离，来改变样品感受到的磁场强度及磁场方向。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于永磁体实现磁场扫描的结构，该结构包括一钕铁硼永磁体、一一维电动平移台及其控制器，其中钕铁硼永磁体通过自制加工件固定在一维电动平移台的台面上。

上述方案中，所述钕铁硼永磁体为一具有同心孔洞的圆柱体，孔洞中的磁场沿轴向变化，并且在轴向中心有数毫米尺度的均匀磁场区域，在该区域磁场强度达到最大。

上述方案中，所述一维电动平移台由直线导轨、滚珠丝杠及可移动台面构成，用以承载钕铁硼永磁体，其分辨率为1微米，并且可编程通过步进电机控制器控制其运动。

上述方案中，该结构还包括一激光器、一物镜、一分光平片、一摄像头、一显示器和一高斯计，其中该激光器和该物镜构成入射光路，该分光平片、该摄像头和该显示器构成监视光路，用以观察入射光路在高斯计探头上的聚焦情况，以确定高斯计的位置，保证高斯计探头的位置与之后放置的待测样品的位置重合。

本发明还提供了一种基于永磁体实现磁场扫描的方法，该方法包括：

步骤1：调节高斯计的位置，通过该监视光路观察，使入射光聚焦到高斯计探头顶端，固定高斯计；

步骤2：控制该一维电动平移台，移动该钕铁硼永磁体，记录每个永磁体位置下的高斯计读数；

步骤3：移走高斯计，将待测样品置于之前高斯计探头的位置，从步骤2所得数据中选取合适的永磁体位置范围，通过程序控制一维电动平移台移动，同时进行测量，获取测量值-磁场强度曲线。

上述方案中，放置待测样品时，通过该监视光路观察，使该入射光路的光聚焦到样品表面。

(三)有益效果