纳米材料的磁光性能磁光效应磁光效应就是指极化光与磁性物质交互作用后所产生的一种效应。

它分为Faraday效应和Kerr效应。

1846年，Faraday发现在玻璃样品上加上磁场时，透射光的极化面发生旋转，这就是Faraday效应。

如图1(a)所示，红色表示加在物质上的磁场或磁化作用，黄线表示极化光，极化光通过被磁化的物质后产生Faraday效应。

注意，所加磁场的方向与光束行进的方向平行。

1877年Kerr在观察极化光束从磁性物质反射后，光束的极化以及强度有了改变，这就是磁光科尔效应(magneto-ptical Kerr effect, MOKE)。

如图1(b)所示。

图 1随着铁磁物质磁化强度矢量M的方向相对于材料的表面和人射光束的人射平面的取向，MOKE实际上分为3种效应:纵向MOKE、极性MOKE(Polar MOKE)和横向MOKE。

可以用图形清晰地分别表示如下。

纵向MOKE是由于磁化强度矢量处于材料的表面内并平行于入射平面，如图2(a)所示。

通常用s极化和P极化分别表示垂直和平行于入射平面光的极化。

纵向MOKE简单，其人射光束或者只在s平面或者只在P平面极化，因此其反射光就转变为椭圆极化光。

椭圆的主轴常常围绕着主平面有些微的旋转，称之为Kerr旋转。

这种椭圆率称为Kerr椭圆率。

透射中也存在着同样的效应，当然通常这只能在薄膜中才看得到，因为绝大多数磁物质在磁光活跃的区域是不透明的。

这些效应的符号和数量比例于M和它的方向。

在垂直人射方向没有观察到什么效应。

图(b)所示的为横向MOKE梗概图，此时磁化强度垂直于外加磁场和人射平面。

与纵向MOKE 不同，第一，它只是在P 平面内极化；第二，反射光仍然保持线性极化，只有反射振幅的变化，即M 的变化只是从+M 变为-M ，反射率从R+∆R 变为R-∆R 。

在垂直人射上没有什么效应。

图(c)所示的是极化MOKE 梗概图，此时磁化矢量垂直于样品表面。

像纵向MOKE 一样，它只是在p 平面或s 平面内发生。

这种效应中的人射光处于这些线性极化态的一种，反射时转化为椭圆极化光。

在垂直人射方向可观察到效应。

金属纳米粒子和纳米粒子薄膜的磁光效应Menendez 等制备了嵌人于非晶态Al 2O 3层中的Fe 纳米粒子A ，B 和C 三种样品，它们的粒径分别为2.4nm ，4nm 和8nm ，含量分别为10%，30%和40% ， Al 2O 3层的厚度分别17nm ，18nm 和18.5nm ，测定了它们的MOKE 。

图3是这三个样品的Kerr 椭圆率和旋转角与能量关系的测定结果。

最明显的特点是在所有的样品中，不论是椭圆率还是旋转角谱，由于干涉的作用，都在4--4.5 e V 附近出现峰值。

作者应用不同的有效媒介近似的广义方法描述了实验结果，从理论与实验符合程度发现，在纳米平均粒径大于4 nm 时，两则符合得较好，而在粒径为约2nm 时，两者的偏差大。

这就说明，在粒径小于4nm 时，纳米粒子的磁光性能，因为其电子结构与体材的不同。

图 2Sepulveda等在MgO(001)衬底上高真空溅射和激光法淀积10nm厚的MgO缓冲层，在其上镀制0.5--50nm的Fe膜，然后再镀3nm厚的MgO覆盖层。

用Xe灯所发射的P极化光经样品反射后，通过一单色器，所产生的单色光由光二极管检测，并由锁相放大器处理。

在频率置时，锁相放大器就检测其反射率的变化，这与磁化强度成线性依赖关系，而二次依赖关系由二级谐振给出。

图4表示了所测定的不同Fe 厚度样品的P-P 极化光反射率随磁化强度线性变化(linear magnetization variations of reflectivity, LMVR)与光能量的关系。

反射谱是在人射角为45度时得到的。

可以看到，在约2eV 处出现峰值，且随着样品Fe 厚度的减小。

峰值强度和形状减少和变宽。

图中的实线，虚线和点线理论计算结果。

图3 三种Fe 纳米粒子样品的极性Kerr 椭圆率(a)和旋转角(b), A 为空心圆圈，B 为实心三角，C 为实心方块图4 MgO 衬底上Fe 纳米膜的LMVR 测定结果。

图(a)中□，○和△分别表示对50, 5和2. 5nm膜的测定值，实线，虚线和点线则是3种膜的计算值；(b)中○和□表示对1和0. 5nm Fe 膜的实测值，实线和虚线是它们的计算值，-+-+-+-和-|-|-|- 线是自恰媒介方法对纳米粒子的计算结果模拟计算中使用了4*4转变矩阵，并假定Fe膜连续，具有Fe体材的光学和磁光常数。

显然，对于较厚的样品(厚于1nm)，理论与实验测定符合得很好，不仅没有改变样品绕z轴旋转反射谱的形状，而且数值也相合。

但是在样品Fe膜厚度小至 1 nm和0.5nm后，图b中实线和虚线所表示的模拟结果与实验测定的明显不合。

这种差别可能来源于Fe的量子限制效应所引起的电子结构的变化，但也可能来源于这些极薄膜的不同形貌。

实验已经清楚的是，对于较小的覆盖，室温下生长随后退火会导致与连续纳米晶厚膜具有同样晶体取向的晶体岛形成，而且，这种超薄膜的饱和磁场比厚膜的为高。

因此，磁行为与这种膜的形貌变化一致。

作者们于是使用自恰有效媒介方法所导出的公式研究了形貌对于磁光性能的影响。

他们仍然采用Fe体材的有关光学和磁光常数，但计算的是纳米粒子而不是连续的纳米薄膜，结果如图4 (b）中的，-+-+-+-和-|-|-|-线所表示的，粒度不论是1 nm还是小至0.5nm，都与实验结果符合很好了。

这些作者还对上述同样样品测定了反射率二次磁化强度变化(quadratic magnetization variations of reflectivity, QMVR)，测试中样品的放置一是[100]轴垂直于人射平面，二是[110]轴垂直于人射平面两种情况。

结果表明，两者的QMVR谱明显不同，说明在这种立方晶系样品中QMVR存在着很强的磁光各向异性。

而且与上述LMVR的情况相反，50nm Fe膜的QMVR，不论是[100]还是[110]方向都比5和2. 5nm的弱些。

这种行为是由于磁层与衬底和覆盖层之间介电常数明显不同所引起的光学效应所致。

还发现，这两种晶体取向QMVR谱的图5 (a)和(b)分别是Fe膜为1和0. 5 nm时的QMVR谱的实验测定和理论模拟结果差别5和2. 5nm Fe的比50nm膜的大一些。

对这些较厚Fe纳米膜理论模拟结果与测定的符合。

有意思的是对于两种很薄膜的测定结果和模拟计算结果，如图 5 1nm(a)与0.5nm(b) Fe纳米膜的[100]和[110]方向QMRV的测量结果分别用■和□表示，实线和虚线则是连续膜的计算值，显然，与实验结果明显不合，这比上述LMVR 不符合的情况还要严重得多。

有可能是QMVR对形貌远比LMVR更为敏感的缘故。

也像LMVR一样，如果使用自恰有效媒介对纳米粒子进行模拟，得到的-+-+-+-和-|-|-|-线(分别代表[100]和[110]方向样品的)则与实验结果一致了。

这证明了形貌在QMVR谱中起着重要的作用。

因此，这里的实验和理论结果表明，Fe 纳米岛的电子结构与体材的电子结构是一样的，有关磁光系数的修改是由于样品的形貌所致。

这与上面Menendez等Fe纳米粒子在粒度小于4nm后的电子结构与体材的不同的结论刚好相反。

Kalska等在Si和AI衬底上淀积了粒度为8nm，10nm和12nm的Co粒子，并在室温下于0.8--4.8eV的光能量范围内测定了MOKE，结果如图6所示。

可以看出，MOKE与粒度相关，8nm粒子的Kerr旋转很小，在所测定的光能量范围内小于0.03度。

结构和化学分析表明，这种膜上有1--2ML的CoO，减小了芯部磁性Co粒子的尺度，即小于8nm，因此，整个粒子基本上没有显示出磁性。

10nm图6(a) Co纳米粒子粒度为8nm,10nm和12 nm膜的MOKE，(b) Co参考膜的MOKE，(c)膜中粒子浓度对MOKE的影响粒子的在约1eV 处有一负的峰，在约3eV 处正Kerr 旋转角达到极大，约为0.20度，这些作者通过分析指出，10nm 粒子的有效磁芯粒径为(4.5±0. 1)nm ，表现出超顺磁性。

12nm 粒子MOKE 的与在超高真空中生长的100nm 的Co 。

参考膜(图b)的形状类似，符号则相反。

它的正Kerr 旋转角最大约为0. 25度，比10nm 粒度的为大。

此时显示出铁磁性。

图(c)表示了粒子粒径相同但膜中粒子浓度不同(相差5倍)对MOKE 的影响，与想象的MOKE 旋转应当与衬底中的Co 粒子数成比例相反，实验结果表明，两种Kerr 谱的形状相似，在低光能量几乎重合，在高光能量峰值向下平移。

Al 衬底吸收了Co 粒子后形成了复杂的光学系统，光学性质不仅由反射也由散射来决定。

但到底怎样解释，仍然是个问题。

Huttel 等在2004年也研究了淀积在5 nm 厚的氮化铝(Aluminium nitride, A1N)/蓝宝石衬底上和嵌人在AlN 基体中Co 纳米粒子的磁光性能，发现AlN 对于磁光性能有着强烈的影响。

Melle 等用AAO 模板制备了两种六角形排列的Ni 纳米丝，第一种(样品A)的纳米丝直径d=35nm ，长L=1. 4um 和丝间距a=105nm 。

这种样品显示出长度约2. 5um 的长程有序的多区域。

第二种(样品B)的d=180nm, L=4um 和a=500nm。

图7 Ni 纳米丝极性(a)和横向(b) MOKE 的实验测定结果、模拟值和体材Ni 的测定结果这种样品显示出大小约为1. 25um六角有序区域。

Kerr效应测量中，AAO固定在Si衬底上。

图8. 30是这两个样品极性MOKE效应(Kerr旋转角)(a)和横向Kerr 效应(反射率的相对变化)(b)的测定结果，分别用●和■表示A和B样品的。

图中虚线是体Ni膜的谱。

可以看出，小直径纳米丝的极性旋转角谱在3. 1eV附近有强烈的峰值出现，与体Ni的峰值重合，具有同样的数值，虽然纳米丝样品中所含Ni的数量只有约15000因此，是由于纳米丝中几何上对Ni的限制，提高了围绕着峰值位置的数值。

Ni纳米丝Kerr旋转角的绝对数值小于0. 20，比上述Fe, C。

的都要小些。

至于△R/R，虽然A样品的峰值数值与体Ni的相同，但是，曲线形状根本不同。

从图还可清楚地看出，大直径纳米丝样品B，无论是Kerr旋转谱还是相对反射率，都与样品A的明显不同，虽然两种样品都含有约15%的Ni。

样品B 的旋转谱变宽，向低能量移动，并增加了在红外区的旋转。

同样B样品的相对反射率谱也强烈地变宽，并减小了数值。

作者们也应用Menendez的自恰有效媒介方法进行了模拟，计算的结果对A和B样品，分别都用粗黑和细灰色实线表示。