磁疇是鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中，為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域。它的研究可將材料的基本物理性質(zhì)、宏觀性質(zhì)和應(yīng)用聯(lián)系起來。近年來，由于材料的日益完善和器件的小型化，人們對(duì)磁疇分析的興趣與日俱增。目前市面上主要的磁疇觀測(cè)設(shè)備有磁光克爾顯微鏡、磁力顯微鏡、洛倫茲電鏡、以及近興起的NV色心超分辨磁學(xué)顯微鏡等，其中，磁光克爾顯微鏡可以靈活的結(jié)合外加磁場(chǎng)、電流及溫度環(huán)境等來對(duì)材料進(jìn)行面內(nèi)、面外的動(dòng)態(tài)磁疇觀測(cè)，成為目前常用的磁疇觀測(cè)設(shè)備，可用于多種磁性材料的研究，如鐵磁或亞鐵磁薄膜、釹鐵硼等硬磁材料、硅鋼等軟磁材料。
2020年11月，Quantum Design中國與致真精密儀器（青島）有限公司簽署了中國區(qū)戰(zhàn)略合作協(xié)議，合作推出多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)。通過此次戰(zhàn)略合作，Quantum Design中國希望能夠?yàn)榇艑W(xué)及自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的研究提供更多的可能。
圖1 多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)
多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)由北京航空航天大學(xué)集成電路學(xué)院張學(xué)瑩老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)多年的磁疇動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技巧積累和新的磁學(xué)及自旋電子學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題研究需求研發(fā)。它采用先進(jìn)的點(diǎn)陣LED光源技術(shù)，能夠在不切換機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，同時(shí)進(jìn)行向和縱向克爾成像，不僅能同時(shí)檢測(cè)樣品垂直方向和面內(nèi)方向的磁性，成像分辨率還能夠達(dá)到270 nm，逼近光學(xué)衍射限。與傳統(tǒng)的磁光克爾顯微鏡相比，多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)配置了多功能磁鐵探針臺(tái)，能夠在保證450 nm高分辨率的前提下，向被測(cè)樣品同時(shí)施加面磁場(chǎng)、垂直磁場(chǎng)、電流和微波信號(hào)。
此外，多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)擁有專門的智能控制系統(tǒng)，用戶界面友好，無需復(fù)雜設(shè)置，一鍵觸發(fā)既能實(shí)現(xiàn)多維度磁場(chǎng)、電學(xué)信號(hào)與克爾圖像的同步操控。該系統(tǒng)的另一亮點(diǎn)是配置了反應(yīng)速度高達(dá)1 μs的超快磁場(chǎng)，為微米器件中磁疇的產(chǎn)生、磁疇的高速運(yùn)動(dòng)捕捉等提供了可能。
張學(xué)瑩老師師從北航趙巍勝教授和法國巴黎薩克雷大學(xué)Nicolas Vernier教授，從2015年開始研究磁光克爾成像技術(shù)和磁疇動(dòng)力學(xué)，其有關(guān)磁性材料性質(zhì)的論文獲得北京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文。經(jīng)過3年潛心研究，該團(tuán)隊(duì)于2018年完成了臺(tái)克爾顯微鏡樣機(jī)的集成，并創(chuàng)立致真精密儀器（青島）有限公司。至2020年初，在北航青島研究院和北航集成電路學(xué)院經(jīng)過兩輪迭代和打磨，已經(jīng)完成了產(chǎn)品的穩(wěn)定性驗(yàn)證，目前，該設(shè)備已經(jīng)被清華大學(xué)、中科院物理所、北京工業(yè)大學(xué)等多家單位采購。
產(chǎn)品磁疇成像照片案例
圖2 CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5)薄膜中的迷宮疇
圖3 斯格明子磁疇觀測(cè)
多重信號(hào)的疊加，能夠滿足客戶多種前沿課題的實(shí)驗(yàn)需求
面內(nèi)磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)的疊加可以進(jìn)行Dzyaloshinskii-Moriya作用（DMI）的測(cè)試[1,2]
圖4 樣品Pt(4 nm)/Co(1 nm)/MgO(t nm)/Pt(4 nm)的DMI作用測(cè)量[1]
自旋軌道矩（spin-orbit torque,簡(jiǎn)稱SOT）是近年來發(fā)展起來的新一代電流驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)技術(shù)，如何更好的表征SOT翻轉(zhuǎn)，在當(dāng)今自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。 多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)配置的面內(nèi)磁場(chǎng)和電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的電學(xué)測(cè)試，還可以利用相機(jī)與信號(hào)采集卡同步的功能，逐點(diǎn)解析翻轉(zhuǎn)曲線對(duì)應(yīng)的磁疇狀態(tài)[3,4]。
圖5 面內(nèi)磁場(chǎng)和電流的疊加用于SOT驅(qū)動(dòng)的磁性變化過程研究
在某些材料中，無法觀測(cè)到純電流驅(qū)動(dòng)的磁疇壁運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，可以利用多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)微秒別的超快磁場(chǎng)脈沖與電流同步，觀測(cè)垂直磁場(chǎng)與電流共同驅(qū)動(dòng)的疇壁運(yùn)動(dòng)，從而解析多種物理效應(yīng)，如重金屬/ 鐵磁體系的自旋化率由于自旋散射降低的效應(yīng)[5]。
圖6 垂直磁場(chǎng)和電流的疊加可用于觀測(cè)單磁場(chǎng)或者電流無法驅(qū)動(dòng)的磁性動(dòng)力學(xué)過程
克爾成像下磁場(chǎng)和微波的疊加則能夠?yàn)樽孕ê痛女牨诘南嗷プ饔醚芯刻峁┛赡?nbsp;[6]。
圖7 自旋波驅(qū)動(dòng)的磁疇壁運(yùn)動(dòng)[6]
多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)還可進(jìn)行多種磁性參數(shù)的微區(qū)測(cè)量
局部飽和磁化強(qiáng)度Ms表征[7]
由于偶作用，磁疇壁在靠近時(shí)會(huì)相互排斥。通過觀察不同磁場(chǎng)下磁疇壁的距離，可以提取局部區(qū)域的飽和磁化強(qiáng)度MS。此方法由巴黎- 薩克雷大學(xué)Nicolas Vernier 教授（致真技術(shù)顧問）在2014 年先提出并驗(yàn)證，與VSM 測(cè)量結(jié)果得到良好吻合。
圖8 局部飽和磁化強(qiáng)度Ms表征及與其他測(cè)試方法Ms結(jié)果對(duì)比
海森堡交換作用剛度[8]
采用系統(tǒng)的磁場(chǎng)“自定義波形”功能，將樣品震蕩退磁，再將得到的迷宮疇圖片進(jìn)行傅里葉變換，能夠得知磁疇寬度，從而提取海森堡交換作用剛度Aex。
圖9 海森堡交換作用剛度提取
自旋電子薄膜質(zhì)量的表征、自旋電子器件的損壞檢測(cè)等[9]
圖10 磁性薄膜質(zhì)量檢測(cè)
除此之外，該系統(tǒng)還開發(fā)了性價(jià)比超高的變溫系統(tǒng)。針對(duì)永磁材料研究的用戶，開發(fā)了能夠兼容克爾成像的高溫強(qiáng)磁場(chǎng)模塊。針對(duì)硅鋼等軟磁材料研究用戶，開發(fā)了大視野面內(nèi)克爾顯微鏡。
動(dòng)態(tài)磁疇成像案例
圖11 CoFeB薄膜動(dòng)態(tài)磁疇
圖12 SOT磁場(chǎng)+電流驅(qū)動(dòng)磁疇翻轉(zhuǎn)
圖13 釹鐵硼永磁動(dòng)態(tài)磁疇觀測(cè)
圖14 磁性材料內(nèi)釘扎點(diǎn)的觀測(cè)，可與巴克豪森噪聲同步匹配
產(chǎn)品基本參數(shù)
? 向和縱向克爾成像分辨率可達(dá)300 nm；
? 配置二維磁場(chǎng)探針臺(tái)，面內(nèi)磁場(chǎng)高達(dá)1 T，垂直磁場(chǎng)高達(dá)0.3 T（配置磁場(chǎng)增強(qiáng)模塊后可達(dá)1.5 T）；
? 快速磁場(chǎng)選件磁場(chǎng)反應(yīng)速度可達(dá)1 μs；
? 可根據(jù)需要選配直流/ 高頻探針座及探針；
? 可選配二次諧波、鐵磁共振等輸運(yùn)測(cè)試；
? 配置智能控制和圖像處理系統(tǒng)，可同時(shí)施加面內(nèi)磁場(chǎng)、垂直磁場(chǎng)和電學(xué)信號(hào)同步觀測(cè)磁疇翻轉(zhuǎn)；
? 4K~800K，80K~500K 變溫選件可選。
小結(jié)
多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)除了擁有超高分辨的動(dòng)態(tài)磁疇觀測(cè)能力外，還能結(jié)合多功能磁場(chǎng)探針臺(tái)提供的外加電流、面內(nèi)/面外磁場(chǎng)等對(duì)多種磁學(xué)參數(shù)進(jìn)行提取。
樣機(jī)體驗(yàn)
目前，致真精密儀器（青島）有限公司可對(duì)相關(guān)領(lǐng)域感興趣的科學(xué)工作者提供了測(cè)樣體驗(yàn)，歡迎感興趣的老師或同學(xué)通過撥打電話010-85120280或發(fā)送郵件至info@qd-china.com體驗(yàn)磁光克爾顯微成像全新技術(shù)！
參考文獻(xiàn)
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[2] A. Cao et al., Nanotechnology 31, 155705 (2020).
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[6] J. Han et al., Science (80-. ). 366, 1121 (2019).
[7] N. Vernier et al., Appl. Phys. Lett. 104, 122404 (2014).
[8] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011).
[9] Y. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).
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