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磁力顯微鏡

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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。
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

目錄

  1. 1 簡介
  2. 2 重要日期
  3. 3 磁力顯微鏡結構
  4. 4 掃描過程
  5. 5 掃描探針產品

磁力顯微鏡簡介

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。
典型的分辨率可以達到30nm ,儘管10到20nm 也可以實現。 [1] 

磁力顯微鏡重要日期

磁力顯微鏡的發展基於以下發明的推動: [2] 
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。
  • 懸臂可以由單晶硅，二氧化硅(SiO2), 或氮化硅(Si3N4)製造。 氮化硅懸臂探針模塊通常更耐用，並且有更小的恢復力常數 (k)。 [3] 
  • 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。

磁力顯微鏡掃描過程

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。

磁力顯微鏡掃描探針產品

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佈，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、電場分佈、薄膜的介電常數和沉積電荷等信息。
參考資料
  • 1.    D. Jiles. 15. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials 2. Springer. 1998.
  • 2.    M. De Graef, and Y. Zhu. 3. Magnetic Imaging and Its Applications to Materials: Experimental Methods in the Physical Sciences 36. Academic Press. 2001
  • 3.    A. Winkler, T. Mühl, S. Menzel; 等. Magnetic Force Microscopy Sensors using Iron-filled Carbon Nanotubes. J. Appl. Phys. 2006, 99 (10): 104905.