Assembly and characterization of the magneto-optical Kerr effect magnetometer

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Resumo

Um dos passos mais importantes na indústria de dispositivos magnetoresistivos é a caracterização do comportamento magnético de multi-camadas de filmes através de curvas de histerese. É necessário quantificar várias propriedades magnéticas para a fabricação bem controlada de novas aplicações, como anisotropia magnética, acoplamento de troca, etc, que são críticos para a operação de dispositivos.

Estas são determinadas por técnicas sensíveis de magnetometria, uma das quais sendo o efeito magneto-óptico de Kerr que faz uso de luz polarizada. Tal montagem possui a vantagem, por exemplo, de ser capaz de realizar medidas locais com boa resolução espacial, em contraste com o magnetómetro de amostra vibrante ou o dispositivo de interferência quântica supercondutora, com tempos de aquisição rápidos e requerendo nada mais que uma montagem simples de bancada. Desta forma, este é o magnetómetro ideal para complementar as capacidades e objetivos de investigação do INESC MN.


De modo a conceber a montagem, uma análise teórica juntamente com simulações numéricas foram realizadas para provar que a medida de uma curva de histerese era possível e como esta se relacionava com a intensidade do sinal, a rotação de Kerr e a elipticidade de Kerr. Para além disso, estas também cobriram os requisitos necessários à montagem em termos de ruído, estrutura de amostras e eletroíman. Concluiu-se que a medida ideal deverá ser realizada através de uma medida diferencial com amplificador lock-in, usando usando uma camada até 30 nm no topo da hetero-estrutura. Para além disso, verificou-se que, por forma a obter campos magnéticos fortes, da mesma ordem que os campos de inversão em junções de efeito de túnel, a solução de eletroíman a implementar deverá incluir um núcleo ferromagnético.

Depois, o magnetómetro foi construído nas geometrias transversal e longitudinal de acordo com a análise anterior. A presença de obstáculos relacionados com o ruído nos circuitos de aquisição DC e AC propostos, levaram uma vez mais à aplicação de um amplificador lock-in na montagem.

Para validar as montagens construídas, amostras de NiFe foram depositadas e medidas nas mesmas, demonstrando a sua sensibilidade a variações da magnetização das amostras. No entanto, a rotação de Kerr não foi possível medir na geometria longitudinal, muito provavelmente devido a ruído proveniente do divisor de feixe polarizado. Adicionalmente, observou-se que a deposição de CoFe/Ta e CoFe/Ru para espessura variável da camada de topo e a sua subsequente medida na montagem longitudinal, coincidiam muito bem com os resultados das simulações.

Apesar de ainda apresentar espaço para melhorias, a montagem tem vindo a mostrar continuamente a sua precisão e utilidade na caracterização de estruturas magnéticas. Ademais, tem o potencial para a implementação de mais funções como o acréscimo de uma nova geometria, a inclusão de um ambiente controlado ou a observação de domínios magnéticos através de um dispositivo de carga acoplada.