磁力显微镜的历史、原理和运用.pdf

磁力显微镜的历史、原理和运用 卜 韩 宝 善 中国科学院物理 所磁学国家重点实验室， 北京1 0 0 0 8 0 摘 要磁 力显微镜( MF M.) 的 分辨率高达2 0 - 5 0 n m ， 是纳米尺度 磁性材料表面磁结构研究 新的有力的 工具.本文简单介绍了MF M的历 史、 原理、运作和 应用 ，并介绍了中科院物 理所 一 年来的MF M研究，举了两个 实例.最后， 对MF M研究的 重要问 题作了评论. 卜 1发展历史 要了 解磁力显微镜( M F M ) , 必须从扫描隧道显微镜( S T M ) 谈起.S T M是由H i n n i g和 R o h re r 于‘ 9 8 2 年 发 明 的 [[ I 1, 是 扫 描 探 针 显 微 镜 (S P M ) 家 族 中 的 第 一 个 成 鼻 ·S T M 基 于 量 子隧道效应， 当 一个原子尺度的金属针尖非常接近样品， 在有外电场存在时， 就有隧道电 流I t 发生.I t 强烈地 依赖于针尖与 样品之间的 距离， 因而探测It 就能得到具有原子分辨率 的样品表面三 维图 像. S T M 能 获得 表面电子结构 信息，可在大 气、真空、低温， 及液体 覆盖下使用， 因而已被广泛应用于 表面 科学、 材料科学、 生命科学及微电 子技 术等领域， 极 大地推动了纳米科技的发展.然而，由于在操作中需要施加偏电压，因而 S T M 只能用于 导 体和半导体.1 9 8 6 年问世的原子力显微镜( A F M ) 是S P M家族中的第二 个成员[ 2 1 ， 其原 理是当 针尖顶部原子的电 子云 压迫 样品表面原子的电子云时， 会产生微弱的排 斥力， 如范 德瓦尔斯( V a n d e r Wa a l s ) 力、静电力等，且力随样品表面 形貌而变化. 如果用激光束探测 针尖悬臂位移的 方法 来探测该原子力，就能得到原子分辨率的样品形貌图象.由于 A F M 不需要加偏压，所以 适用于包括绝缘体在内的所有材料，应用领域广阔. 更重要的是由 A F M可派生出一系列的力显 微镜，1 9 8 7 年发明的 磁力显微镜[ 3 1 是其中 之一 2 原理 众 所 周 知， 磁相 互作 用 是 长 程的 磁 偶 极 作 用， 因 而 如 果A F M的 探 针 是 铁 磁 性 的 ， 而 且磁针尖在磁性材料表面上方以 恒定的高度扫描， 就能感受到磁性材料 表面的杂散磁场的 磁作用力. 因而，探测磁力梯度的 分布就能得到产生杂散磁场的表面磁畴结构、表面磁 体、写人的 磁斑等表面磁结构的信息，这就是M F M.纳米尺度的磁针尖加 上纳米尺度的 扫描高度使磁性材料表面磁结构的探测精细到纳米尺度，这就是M F M这个 新工具的特点 和意义.目 前，M F M的横向分辨率能达到2 0 - 5 0 n m，比 通常 观察磁畴的偏光 显微 镜高十 倍以 上，而且可在大 气、常温下 测量 ，因而 成为 表面磁结 构研究新的 有力的工 具. 图] ( a )和 ((b )分 别 是M F M 的 示 意 图 和 磁 力 探 测 原 理 图 . 图1( a ) 中 可 见 一 根 细 小 的 悬 臂 上有一个磁针尖，其下方的 样品固 定在一 个压电 扫描器上 .磁针尖和磁 性样品的相互作用 弓 ! 起的悬臂的 偏转，由在悬臂上反射的激光 束和一 个光电二 极管组探测 悬臂和磁针尖的 运动，压电扫 描器的 操作，以及探测信号的分析由 计算机和 S P M 控制器 控制完成，所得 到形貌和磁力图 则由 显示器显示. 2 1 5 教 光 探 洲 器探测器激光器 慈嘴 磁针尖( m ) H( 杂散 磁场 ) 压 电扫 描 器 喊| ( a } - - P - { -4- b ) ~ 补 1' ' *-{ - P } 磁性样品表面的磁结构 图卫M F P V I 示意图伍 ) 和磁力探测原 理图 ( } ) 磁 化强度为M的铁磁性材料 表面上存在着由表面磁结构的 AM或M-n 产生的杂散 磁场 H ( n 为 法 线矢 量 ) . H 作用 于 磁 针 尖 局 域 磁 矩m上的 磁力 为F 封V ( m - H ) d V ， 其中 积 分是 对磁针尖的磁膜体积V进行的. 在点磁荷模型下， 引起悬臂转的F 的z分量可表示为 F = mD H ,d a z + m y a H V 灸+ m , a H ,1 0 z ( 1 ) 通常磁针尖是垂直磁化的 ( m , x 0 ) ， 在这种情况下M F M 只对杂散磁场的z分IH 二 及其微 商a H .1 o z敏感.在动态检测的 情形下，磁针尖和H的 相互作用 使针尖的共振频率f o 和位 相小 改变.如 保持A b 不变，则频率 位移 A f 和磁力梯度P: 的 关系为 1 盯=f , F, / 2 k ,( 2 ) 其中k是悬臂的弹性系数.结合方程 ( 1 ) 可知，探测A f ，即探测磁力梯度 P: ，就能 得 到表面 磁结构的 信息. 同样， 如 保持A f 不变， 探侧幼也行但( 2 ) 式应改为 A } = Q F ' } } k . 其中Q是悬臂的品质因 数. 典型的M F M产品 是美国D I 公司 的N a n o S c o p e I l l a . N a n o S c o p e I l l a 采用动态检测的 方法，使磁针尖以6 0 - 1 0 0 k H z 的频率 ( f o ) 上下振荡，并采用轻敲(T a p p i n g ) A F M模式和抬举 ( L i f t ) 模式进行两次扫描， 能同 时测出样品同一面积上的形 貌和磁力图. 3 应用 由于磁记录介质有较高的 剩磁B ， 和矫 顽力H } ， 所以表面有较大的 杂散磁场，容易得到 高反差的磁力图、因而用M F M特 别合适.事 实上 ，在M F M发展 初期，MF h , 首先用于各 种磁记录介质和 磁头 ，仔细研究和分析写人的磁斑，记录 的轨道， 磁头 磁场分布等.现在， M F M业已成为高密度 磁盘常 规测试的工具.图2 ( a ) 和( b ) 分别示出 我们用D I 公司M F M 测 出的S O N Y视频录像带标样典型的形貌图和磁力图.图2 ( a ) 标出 ” 数据类型”( D a t a ty p e ) 为 ” 高度 ” ( H e ig h t ) ， 表明这是一幅反映 样品表面真实高度变化的形貌图. 色标( Z r a n g e ) 为 “ 5 0 n m “ 则表示图中白 点高，黑点低，白 黑反差相应的高度变化在5 0 n m以内.图2 ( b ) 则是用相位变 化A $ 侧量的 磁力图 ( D a t a t y p e P h a s e ) ，其中平行的黑白条为写人的 纵向 磁记录信息，一个 周期表示一 ” 位 ” ， 白区的d “ 为正，黑区的d “ 为负 ，a } 的变化色标在2 0 度以内.图2 ( b ) 左 2 匆 3 图2视频录 像带典型的形 貌图 ( a ) 和磁力图 ( b ) 边 还有一块空白区 没有写人磁信息 九十年代以 来，超高密度( 1 0 - 1 0 0 W in ) 磁 存储技术 发展 很快， 超高 密度磁存储技术的 发展要求在纳米尺度研究磁性晶体的 微结 构及探测磁性 晶粒的单畴 性， 因而必须采用M F M. 其次， 随着纳米 科技的 快速发展，磁学领域性能卓越 的 纳米晶磁 性材料不断出现， 例如，F e 基的F e C u N b S i B 纳米软磁材料， 纳米N d F e B 一 。

F e ( 或 F e 3 B ) 双相 粘结永磁， 及纳米巨磁阻颗粒 膜等. 在它们的纳米尺度 磁性 研究中M F M起着 重 要的 作用.对于应用广泛的 稀土 永磁材料来说 最重要的 参量之一的体矫顽力受磁壁在 微晶粒 边界 扎等微磁过程的 影响很 大 运用M F M能直接观察到微晶 粒， 测出 微晶粒内外的 磁畴结构，因而M F M研究可用 来优化和比 较稀土 永磁材料的 制备工艺， 如烧结， 熔体淬火 等 最后，需要介绍的是运用M F M这个 有力的工 具已经 发现了 不少纳米尺 度的微磁结构， 初步 揭示了 与经典磁 学理论 ，如 现有的磁畴理论、微磁学的矛盾，从而给纳米尺度介观磁 学的发展提供了重要的线索. 4 物理所的MF M 研究和实例 物 理 所 磁 学国 家 重点实 验 室 在1 9 9 6 年 进口 了N a n o S c o p e I I l a M F M , 、 并 在九 月 初成 了 国内专门从事磁性材料研究的第一个 MF M实验室.通过一年多的运行， { 累 了 经 验 ， 开 展 了 用 于 超 高 密 度 磁 记 录 的 磁 性 多 层 膜 》 如[IP tC U /C O 1213 , { M/ C o l 2 o , MN I / C (1 2 0 , I R A U / C o i l O 等， 稀土 过渡族金属间化合物( 包括 提高了技术，积 [ A u / C o l , , , 稀土 永磁) ， 如 多 M “ N d ( F e M o ) 1 2 N . .R单晶T b 2 F c i 7 ; El性材料表a 1 磁性的研究开 祷了 一 个新的天地 、 各种: v f 的微细的 去面 } is 结构在不断发现之中 为了 fE理论1 : 描述这 w r w 结钩 发 展纲沐 V- k 学住M F M的6j t 7 } 中 ，磁 结构的 理论 分析 和计算机模拟是必不可 少的甲 论权实验相拓台的研究对提i' M Bi 研究的 水平， 发展 纳米尺度的 介观磁学具有 y + 要的 盘 义 参考文献 1 . G. B i n n i g . H . R o h , e r e t a ! P h y s . R e v . L e tt . 4 9 ( 1 9 8 2 ) 5 7 2 . G . B m n i g , C F . Q o a t e - a n d C . G e r b e r , P h y s . R e v . L e tt . 5 6 ( 1 9 8 6 ) 9 3 0 3、 ’ M a r t i n a n d H .K . W i c h r a m a s h i n g h e , A p p i . P b y s . L e tt . 5 0 ( 1 9 8 7 ) , 1 4 5 5 4 J i n b o Y a n g , Y in g c h a n g Y a n g , H a i X u , B a o s h a n H a n e t a l . , A p p l . P h y s . L e tt . 7 1 ( 1 9 9 7 ) , 3 2 9 0 . 5 徐海，韩宝善，杨今波，杨应昌， ，已呈交论文_ 1 马 9 7 2 4 9 。