Setup of a Kerr microscope for the investigation and characterization of magnetic specimens

Magnetic domain imaging of magnetic materials and nanostructures plays a fundamental role in the study of micromagnetic phenomena. Among the different instruments for the study of magnetic domains, the magneto-optical Kerr microscope presents the advantage of allowing the study of thin-film multilayer structures addressing the different magnetic layers. The magneto-optical Kerr microscope is an extension of a polarization contrast microscope and is based on the magneto-optical Kerr effect (MOKE). There are two different types of magneto-optical Kerr microscopes: wide-field MOKE microscope and laser-scanning MOKE microscope. The wide-field MOKE microscope illuminates the specimen evenly allowing the visualization of a large area. Whereas, the laser-scanning MOKE microscope employs a pulsed laser beam allowing to study the characteristics of the specimen locally. This master thesis consists in the design, implementation and characterization of a wide-field MOKE microscope. Moreover, the outcome of the project will represent a basis for the future implementation of a laser-scanning MOKE microscope. The following steps were undertaken during the process: first, a Zeiss-AXIOMAT was set up as a wide-field MOKE microscope through the improvement of the light source and the addition of a CCD camera. Second, better objectives control was obtained through a positioning system with graphical user interface. For achieving this purpose, the DC motor was substituted with a stepper motor and a driver, a magnetic encoder and a touch screen were added. Third, the improvement of the microscope performance and magnetic domains imaging were verified through the comparison of the initial magnetic domain images obtained by the Zeiss-AXIOMAT prior the configuration and the magnetic domain images obtained after the configuration as wide-field MOKE microscope. The images obtained after the configuration presented magnetic domains with a better defined shape and better contrast in comparison with the initial images. Alongside the activities conducted in each phase of the project, the laser-scanning MOKE microscope as well as its future implementation were also considered.

La visualizzazione dei domini magnetici ha un ruolo fondamentale nello studio dei fenomeni micromagnetici. Tra i diversi strumenti per lo studio di questi fenomeni, il microscopio Kerr presenta il vantaggio di permettere la visualizzazione di strutture multistrato focalizzandosi sui diversi strati magnetici. Il microscopio Kerr è un’estensione del microscopio in luce polarizzazata e si basa sull’effetto Kerr magneto-ottico (MOKE). Ci sono due diversi tipi di microscopi Kerr: microscopio MOKE a campo largo e a scansione laser. Il microscopio MOKE a campo largo illumina i campioni in modo omogeneo permettendo la visualizzazione di una vasta area. Invece, il microscopio MOKE a scansione laser impiega un raggio laser che permette di studiare le caratteristiche del campione localmente. Questa tesi riguarda la progettazione, implementazione e caratterizzazione di un microscopio MOKE a campo largo. Inoltre, i risultati del progetto permetteranno anche la futura implementazione di un microscopio MOKE a scansione laser. La tesi si è svolta come segue. In primo luogo, un microscopio Zeiss-AXIOMAT è stato configurato come microscopio MOKE a campo largo migliorando la sorgente luminosa e aggiungendo una CCD camera. In secondo luogo, un migliore controllo degli obiettivi è stato ottenuto attraverso un sistema di posizionamento con interfaccia grafica. Per raggiungere questo scopo, il motore DC è stato sostituito con un motore passo a passo e il suo controllore. Quindi, sono stati aggiunti un codificatore magnetico e uno schermo touch. Infine, è stato verificato il miglioramento delle prestazioni del microscopio e la visualizzazione dei domini magnetici attraverso il confronto delle immagini iniziali dei domini magnetici, ottenute dallo Zeiss-AXIOMAT prima della configurazione, e delle immagini finali, ottenute dopo la sua configurazione come microscopio MOKE a campo largo. Le immagini finali hanno presentato dei domini magnetici con una forma ben definita e un miglior contrasto rispetto alle immagini iniziali. Durante le attività condotte in ciascuna fase del progetto, è stato considerato anche il microscopio MOKE a scansione laser e la sua futura implementazione.