磁力顯微鏡

磁力顯微鏡（英文：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。

概述

在磁力顯微鏡的測量中，樣品和探針之間的磁力可表述為^[1]^[2]

{\vec {F}}=\mu _{o}({\vec {m}}\cdot \nabla ){\vec {H}}\,\!

其中 ${\vec {m}}\,\!$ 是探針的磁矩， ${\vec {H}}\,\!$ 是樣品表面雜散磁場的磁，µ₀是自由空間磁導率。

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。

典型的解像度可以達到30 nm^[3]，儘管 10 到 20 nm 也可以實現。^[4]

重要日期

磁力顯微鏡的發展基於以下發明的推動^[1]^[5]^[6]：

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）^[7]

源於原子力顯微鏡。探針和樣品之間的磁力可以測量。^[8]^[9]
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。^[10]

磁力顯微鏡結構

磁力顯微鏡的主要結構：壓電掃描儀

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10 nm 1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。^[11]^[12]^[13]
懸臂可以由單晶矽、二氧化矽（SiO₂ ）或氮化矽 (Si₃N₄)製造。氮化矽懸臂探針模塊通常更耐用，並且有更小的恢復力常數（k）。
探針被一層很薄（< 50 nm）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。
探針懸臂模塊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。^[5]

掃描過程

磁力顯微鏡的掃描方法被稱為「提升高度」法。^[14]當探針以小距離（< 10 nm）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。^[15]

操作模式

靜態（DC）模式

動態（AC）模式

方法局限

MFM很大的一個缺點是探針與樣品之間存在較強的相互作用，這將導致掃描得出的磁圖像將會依賴於這些相互作用，而這些相互作用有可能會隨着探針形貌或者是樣品磁性質的不同而不同，這給定標帶來了困難，同時這些作用也可能影響樣品本身的磁性質，這些都增加了圖像解釋的困難程度。

另外，掃描的範圍小，掃描的圖像依賴於探針的高度，這也是MFM的缺點。

最後，MFM對系統的封裝要求可能比較高，外界的磁噪聲，振動以及氣體的流動等都可能影響最後圖像的質量。

參考文獻

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外部連結

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