磁力顯微鏡

磁力顯微鏡（Magnetic force microscope.MFM）是一種原子力顯微鏡，通過磁性探針掃描磁性樣品，檢測探針和磁性樣品表面的相互作用以重構樣品表面的磁性結構。很多種類的磁性相互作用可以通過磁力顯微鏡測量，包括磁偶相互作用。磁力顯微鏡掃描經常使用非接觸式的模式。

基本介紹

• 中文名：磁力顯微鏡
• 外文名：Magnetic Force Microscope
• 縮寫：MFM
• 領域：光學、磁學
• 學科：光學、磁學
• 屬性：原子力顯微鏡

簡介

在磁力顯微鏡的測量中，樣品和探針之間的磁力可表述為

其中是探針的磁矩，是樣品表面雜散磁場的磁，µ₀是自由空間的磁導率。

由於樣本的雜散磁場可以影響探針的磁性狀態，而探針的磁場也影響樣本，磁力顯微鏡測量的解釋並不是簡單。例如，磁化探針的幾何形狀必須確定以便做定量分析。

典型的解析度可以達到30nm ,儘管10到20nm 也可以實現。

重要日期

磁力顯微鏡的發展基於以下發明的推動:

1982 -掃描隧道顯微鏡(STM)

• 探針和樣品之間的隧道電流被用作信號。
• 探針和樣品必須都是導體。

1986 -原子力顯微鏡(AFM)

• 探針和樣品之間的力 (原子/靜電) 可以通過一個靈敏的槓桿（懸臂）的偏轉檢測。
• 懸臂探針通常懸掛在樣品相距幾十納米的上方。

1987 - 磁力顯微鏡 (MFM)

• 源於原子力顯微鏡。探針和樣品之間的磁力可以測量。

• 雜散磁場的圖像可以通過磁化探針在樣品表面進行的光柵掃描獲得。

磁力顯微鏡結構

磁力顯微鏡的主要結構:壓電掃瞄器

• 在x,y和z方向上移動樣品。
• 通過不同方向上的電極施加電壓。通常，每1到10nm1伏特。
• 圖像通過在樣品表面進行緩慢的光柵掃描得以形成。
• 掃描區域從幾個到200微米。
• 成像時間從幾分鐘到30分鐘。
• 根據懸臂材料的不同，懸臂恢復力常數從0.01到100N/m。

磁性探針在靈敏的槓桿（懸臂）的一端，通常是塗油磁性材料的AFM探針。

• 在過去，探針通過蝕刻鎳之類的磁性材料獲得。
• 現在, 探針（探針懸臂）通過結合微加工和光刻技術來製造。因此，更小的探針得以製造，並且具有更好的操控性。
• 懸臂可以由單晶矽，二氧化矽(SiO₂), 或氮化矽(Si₃N₄)製造。 氮化矽懸臂探針模組通常更耐用，並且有更小的恢復力常數 (k)。
• 探針被一層很薄（< 50nm） 的磁性薄膜（比如鎳或鈷），通常具有高抗磁性,因此探針的磁性狀態（磁化強度M）不會在成像過程中改變。
• 探針懸臂模組由共振頻率相近的壓電晶體以通常10K赫茲到1M赫茲的頻率驅動。

掃描過程

磁力顯微鏡的掃描方法被稱為“提升高度”法。當探針以小距離（< 10nm）掃描樣品表面時, 檢查到的不僅有磁力，還有原子力和靜電力。 提升高度法通過如下手段提高磁力的精確度:

• 首先，各條掃描線測量生成剖面。探針的測的的是樣品接近於AFM測量的結果。
• 提升磁性探針高度，離樣品更遠一些。
• 重複測量, 從中提取出磁性信號。

掃描探針產品

掃描探針顯微鏡(SPM)不僅可以獲得樣品的表面形貌，藉助特殊的探針和檢測技術，還可用以分析與作用力相關的樣品表面性質。CSPM5500磁力顯微鏡(MFM)可以檢測樣品表面的磁疇分布，用於各種磁性材料的分析和測試；CSPM5500靜電力顯微鏡(EFM)可以檢測樣品的表面電勢、電場分布、薄膜的介電常數和沉積電荷等信息。