Magneto-optical studies of Co-doped NiO thin films

Abstract

In this work, we carried out magneto-optical measurements on transparent insu- lating thin films. We used a monochromator with a Xenon lamp source to generate monochromatic linearly polarized light. Combining this source with sensitive polar- ization modulation techniques enabled us to obtain magneto-optical spectra for the thin films. For this thesis, the focus is on Magnetic Circular Dichroism (MCD) and Faraday rotation. As the material to study we used several samples of Co-doped NiO thin films deposited through the spin-coating technique on quartz substrates. The spectral and temperature dependence of the magneto-optical phenomena for each of the Co-doped NiO thin films was studied in the energy region from the UV to the visible. After an extensive and meticulous study, we found that Co-doped thin films NiO did not exhibit any of the magneto-optical effects we attempted to measure: MCD and magnetic birefringence (Faraday rotation) in the wavelength range between 200 nm to 600 nm. However, we could not effectively explore MCD for wavelengths below 350, because of the high experimental dispersion caused by a low system optical throughput. The energy gap usually reported for NiO is ∼4 eV, corresponding to a wavelength of about 310 nm. Apart from the negative results obtained in out measurements, we learned some interesting lessons to keep in mind for future measurements in our laboratory, such as the existence of background effects produced by the whole optical system at zero applied magnetic field, which need to be eliminated in the computations. Some of these effects are sensitive to variations of the magnetic field on the quartz substrate. These effects must be taken into account in any attempt to measure MCD on thin films, in order to identify the response of the sample itself.

En este trabajo se realizaron mediciones magneto-ópticas sobre películas delgadas transparentes y aislantes. Nosotros utilizamos un monocromador acoplado a una lámpara de Xenon para generar luz monocromática linealmente polarizada. La combinación de esta fuente de luz con técnicas sensibles a la modulación de polarización nos permitió obtener los espectros magneto-óticos para las películas delgadas. Para esta tesis, la atención se centra en estudios de Dicroísmo Magnético Circular (MCD) y rotación de Faraday. Como el material de estudio se utilizaron varias muestras de películas delgadas de NiO dopadas con Cobalto, depositadas a través de la técnica de “spin coating” sobre sustratos de cuarzo. La dependencia espectral y con la temperatura, de los fenómenos magneto-ópticos en cada una de las películas, fue estudiada en la región de energía desde los rayos UV hasta el visible. Después de un estudio extenso y minucioso, encontramos que las películas delgadas de NiO dopadas con Cobalto no presentaron ninguno de los efectos magneto-ópticos que pretendíamos medir: MCD y birrefringencia magnética (rotación de Faraday) en el rango de longitudes de onda entre 200 nm y 600 nm. Sin embargo, no hemos podido explorar efectivamente el efecto MCD para longitudes de onda inferiores a 350 nm, debido a la alta dispersión experimental causada por un sistema de bajo rendimiento óptico. Usualmente la banda prohibida “band gap” para NiO es ∼ 4 eV, correspondiente a una longitude de onda de unos 310 nm. Aparte de los resultados negativos obtenidos en las mediciones a llevadas a cabo, hemos aprendido algunas lecciones interesantes para tener en cuenta en futuras mediciones en nuestro laboratorio, tales como la existencia de efectos de fondo producidos por el sistema óptico con cero campo magnético aplicado, y los cuales necesitan eliminarse en los cálculos. Algunos de estos efectos son sensitivos a las variaciones de campo magnético sobre el sustrato de cuarzo. Esos efectos hay que tenerlos en cuenta en cualquier intento de medir MCD sobre películas delgadas, con el fin de identificar la respuesta de la muestra en sí misma.