利用磁光克尔效应可视化氢在磁膜中的扩散

正文

利用磁光克尔效应可视化氢在磁膜中的扩散

大多数研究都集中在氢化引起的可逆光学和电学性质变化上。氢致电阻率降低可以应用于氢传感，但不能提供材料中氢含量的空间分辨率。氢引起的光学性质的变化，特别是传输，提供了一种检测材料中氢扩散的非侵入性方法。

大多数研究分别使用YHx和VHx的反射率和透射率变化来可视化氢扩散。然而，研究氢在其他非透明金属材料中的扩散动力学仍然是一个挑战。除了已报道的光学研究外，还应考虑由氢吸收和解吸引起的铁磁薄膜磁性能的可逆变化。该方法可应用于各种氢敏磁性pd合金，尽管氢致反射率变化有限，但氢致磁性变化的检测是可行的。研究表明，在退火的Pd/Co/Pd三层和[Co/ Pd]多层中，由于Pd合金的界面效应，可以观察到氢化诱导的磁性调制。这是因为钯是氢分子解离的高效催化剂，而且钯氢化物的形成对能量有利。富pd磁合金薄膜中还可观察到明显的磁调制，这表明这种材料将用于制造气体传感器，尤其适用于空间分辨氢扩散。此外，磁光克尔效应(MOKE)源于材料的光学性质和磁性，由于具有极高的灵敏度和可行性，早已广泛应用于纳米尺度样品的磁测量。除了测量磁光克尔旋转和强度外，还可以测量磁性的固有特性，如磁重力Hc和方位比Mr/Ms。

图1

图1展示了一个带有测量几何图形的样例结构。50 nm厚的Co₂₅Pd₇₅合金条纹右侧被100 nm厚的ZnO薄膜完全覆盖。ZnO是透明的，因此可以很容易地通过厚厚的ZnO覆盖层进行Kerr测量。此外，ZnO/CoPd界面在室温下是稳定的;用ZnO覆盖CoPd膜不会引起磁性能的大变化(补充图1)。ZnO的原子结构非常致密，H2分子无法穿透。因此，ZnO覆盖层可以阻止氢从CoPd的覆盖表面直接接触和吸收电影。如图1c所示，CoPd膜的右侧被100nm厚的ZnO覆盖层完全覆盖，左侧为裸露。在H₂气体暴露过程中，氢气的吸收只发生在CoPd裸露表面，因此CoPd膜中的h含量从裸露部分(左)扩散到ZnO覆盖部分(右)。相反，当腔室被抽真空时，氢的解吸只发生在裸CoPd表面，因此h含量从ZnO覆盖部分(右)扩散到裸部分(左)。为了监测氢气的扩散，克尔显微镜聚焦于边界区域，视野为500 × 500μm²。使用合适的磁场记录顺序Kerr图像。通过对克尔图像中选定区域的强度进行积分可以得到每个区域的局部磁滞回线。因此，在氢气暴露或解吸过程中，可以实时监测Co₂₅Pd₇₅膜中的空间分辨磁性行为。

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