Recently, numerous important studies have been made in the field of magnetism with the current vacuum technologies and there has been a renaissance in magnetism. One of the most important field in magnetism is magneto-optical Kerr effects(MOKE). It has been attracting much attention due to applications of them as a tool in probing magnetism as well as a readout mechanism in high-density digital magneto-optical recording. Therefore, studying MOKE is very useful to understand the magnetic properties of novel magnetic materials and to implement the magneto-optical recording.
In this study, we have designed and fabricated the magneto-optical and ellipsometric spectrometer, which was essential to study magneto-optical and magnetic properties. We have combined two equipments, magneto-optic Kerr spectrometer and spectroscopic ellipsometer, into one system. Therefore, the abilities of the system were divided by two parts ;the part for the measurement of magneto-optical Kerr rotation angle and ellipticity, and the other part for determination of the complex refractive index of a sample.
Since the system was adopting a photoelastic modulator(PEM), we have studied the effects of the imperfect polarizer and analyzer in the phase-modulated magneto-optical Kerr spectrometer and spectroscopic ellipsometer using Jones matrices to represent the imperfection of the polarizer and analyzer. We have found that the polarizer and analyzer imperfections in the magneto-optical Kerr spectrometer were eliminated within the first-order approximation, because of the applied magnetic field independence. Furthermore, the polarizer and analyzer imperfections and the incorrect setting of the amplitude of the phase-modulation in the spectroscopic ellipsometer were also canceled within the first-order approximation by zone average.
We have found some new measurement methods for MOKE. First of them is to determine the off-diagonal element of the dielectric tensor, without measuring the ellipticity. Second is a new method that could determine all elements of the dielectric tensor of magneto-optical materials using only a Kerr spectrometer. Above two methods can be applied to a sample deposited on a transparent substrate and normal incident measurement case.
For the oblique incidence beam, we have derived simplified analytic formulae for various kinds of MOKE. Using these formulae, we could derive a novel method that determining the off-diagonal element of the dielectric tensor, without measuring the ellipticity for oblique incident beam, and could determine all elements of the dielectric tensor of magneto-optical materials for thick or ultrathin magnetic films. Furthermore, we have found a new method to determine the direction cosines of the magnetization vector with these formulae.
We have studied the microstructural dependence of the magneto-optical and optical spectra. To this study, we have modified the Bruggeman's effective medium theory(EMT) for a magnetic material having an off-diagonal elements of the dielectric tensor. We show that the experimental data of thick and ultrathin magnetic materials could be well explained by the present method than any other existing theories.
최근 진공 기술의 발달과 더불어 자성체의 연구에 있어서 르네상스라고 할 정도로 많은 중요한 연구가 진행되고 있다. 이중 광자기 Kerr 효과(MOKE)는 편광된 빛이 자성체의 표면에서 반사될때 일어나는 편광상태나 세기의 변화를 의미하는데, 이는 스핀 편극된 전자들의 띠구조와 밀접한 관계가 있다. 따라서,MOKE를 연구하는 것은 최근 활발히 연구되고 있는 자성체의 자기적 성질을 연구하는데 매우 유용하다 할 수 있다.
이 연구를 위해 광자기 타원 분광기를 직접 설계 및 제작 하였고, 이를 이용하여 자성체의 자기 광학적 성질 및 자기적 성질에 관한 연구를 하였다. 이 장비는 두가지 다른 장비를 합친 것으로, 하나는 광자기 Kerr 회전각과 타원률을 측정 할 수 있는 광자기 Kerr 분광기이고, 다른 하나는 시료의 복소 굴절율을 측정 할 수 있는 타원 분광기이다.
이 장비는 photoelastic modulator(PEM)을 사용하므로, PEM을 사용하는 위상 변조 방식의 광자기 Kerr 분광기와 타원 분광기에 있어서 편광자과 검광자의 결함의 효과에 대해 Jones 행렬을 이용해 그 결함을 나타내어 연구하였다. 연구결과, 광자기 Kerr 분광기의 경우 일차근사 범위내에서 인가 자기장에 대한 독립성 때문에 편ㆍ검광자의 결함은 제거됨을 밝혔고, 위상 변조 방식의 타원 분광기의 경우 편ㆍ검광자의 결함 뿐만 아니라 PEM 의 위상 변조의 크기의 오차도 구역 평균(zone average)을 통해서 일차 근사 범위내에서 제거됨을 밝혔다.
이 연구를 통해서 수직 입사시의 MOKE에 대한 새로운 측정 방법을 개발하였다. 먼저 자기광학효과의 원인이 되는 유전율 텐서의 비대각성분을 타원률의 측정없이 결정 할 수 있는 방법을 개발하였고, 또한 Kerr 회전각과 타원률을 측정 할 수 있는 경우 유전율 텐서의 모든 성분을 별도의 측정없이 결정 할 수 있음을 보였다. 이 두가지 새로운 방법은 투명한 기판에 증착된 시료에 수직입사로 측정한 경우에 대해서 적용이 가능하다.
수직입사가 아닌 경사각으로 빛이 입사하는 경우에 대해서는 여러가지 경우의 MOKE에 대해서 단순화된 관계식을 유도하였다. 또한 이 단순화된 관계식을 이용해, 타원률의 측정 없이 사각입사에 대한 경우 유전율 텐서 비대각 성분을 결정하는 방법과, 유전율 텐서의 모든 성분을 결정 할 수 있는 방법을 개발하였다. 또한 이 단순화된 관계식을 이용해서 자화 벡터의 방향 벡터의 성분을 벡터적으로 결정 할 수 있는 새로운 방법도 개발하였다.
또한, 자성체의 광자기 및 광학적 빛 띠의 미세구조 의존성에 대한 연구를 위해서 Bruggeman의 유효매질이론(effective medium theory)를 비대각 성분을 가진 자성체의 유전율 텐서에 대해 확장하였다. 이 확장된 유효매질이론은 두껍거나 매우 얇은 자성체의 실험적 결과를 기존의 다른 이론에 비해서 더 잘 설명할 수 있음을 보일 수 있었다.
