AFM磁學測量

磁學測量

磁性納米結構和材料在高密度磁存儲、自旋電子學等領域有著廣泛的應用前景，高空間分辨的磁成像和磁測量技術將有利于推動磁性納米結構和材料的研究。基于掃描探針及其相關技術，發展出一系列納米磁性成像與測量的技術和方法，包括磁力顯微術、磁交換力顯微術、掃描霍爾顯微術、掃描超導量子干涉器件顯微術、掃描磁共振顯微術以及自旋極化掃描隧道顯微術等。

磁力顯微術(magnetic force microscopy，MFM)，是實現磁性材料表面微區磁結構測量的重要技術，但在測量中由于磁場勢的矢量性以及樣品和針尖的磁結構狀態會相互影響，因此MFM測量結果的清晰解讀是非常困難的。為解決這一問題，將磁場測量微器件，如超導量子干涉器件(SQUID)及霍爾型器件等，集成在微懸臂探針上， 即掃描SQUID 顯微術和掃描霍爾顯微術(scanning Hall probe microscopy，SHPM)，可用于樣品表面微區磁場分布的定量化圖像分析，空間分辨率可達幾十納米，并可進行微區磁化性能曲線測量，實時磁現象的動態測量等。這幾種磁探測技術獲得的圖像分辨率一般為幾十納米，可以用來研究鐵磁樣品的磁疇結構等。如果想進一步研究磁疇結構內部的原子自旋排列，就需要能夠在原子尺度下實現疇結構和單個原子的磁成像，可通過自旋極化掃描隧道顯微術(spin polarized-STM，SP-STM)、磁交換力顯微術(magnetic exchange force microscopy，MExFM)、以及磁共振力顯微術(magnetic resonance force microscopy，MRFM)等來實現。2013 年，基于qPlus 型原子力傳感器的MExFM，利用強磁各向異性的金屬SmCo 針尖，實現了反鐵磁絕緣體NiO(001)表面鎳原子的自旋有序結構成像，測量得到的針尖—樣品原子間交換相互作用強度為~1 meV，衰減常數為~18 pm[3]。磁共振力顯微術是具有三維空間分辨能力的磁共振技術與AFM的結合，基本原理如圖1(a)所示，可在原子尺度上實現三維樣品(如蛋白質等生物大分子)的空間成像，具有單自旋的探測精度[4]，還可以作為量子比特的讀出器件，用于量子計算、存儲等量子工程學中，但通常需要比較苛刻的低溫和真空環境等。