磁(ci)(ci)(ci)疇(chou)是(shi)鐵磁(ci)(ci)(ci)體材(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)自發磁(ci)(ci)(ci)化(hua)的(de)(de)過程中，為降低靜磁(ci)(ci)(ci)能而產生分(fen)化(hua)的(de)(de)方向各(ge)異的(de)(de)小(xiao)型磁(ci)(ci)(ci)化(hua)區域。它的(de)(de)研(yan)(yan)究可(ke)將材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)基本物理性(xing)質、宏觀性(xing)質和應用聯(lian)系起來(lai)。近年來(lai)，由于材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)日益完(wan)善和器件的(de)(de)小(xiao)型化(hua)，人(ren)們(men)對磁(ci)(ci)(ci)疇(chou)分(fen)析的(de)(de)興(xing)(xing)趣與日俱增。目(mu)(mu)前市面(mian)(mian)上主(zhu)要的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)疇(chou)觀測設備有磁(ci)(ci)(ci)光克(ke)爾顯(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡、磁(ci)(ci)(ci)力顯(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡、洛倫茲(zi)電(dian)鏡、以及(ji)近興(xing)(xing)起的(de)(de)NV色心(xin)超分(fen)辨磁(ci)(ci)(ci)學顯(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡等(deng)，其中，磁(ci)(ci)(ci)光克(ke)爾顯(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡可(ke)以靈活的(de)(de)結合外(wai)加磁(ci)(ci)(ci)場、電(dian)流及(ji)溫度環境(jing)等(deng)來(lai)對材(cai)料(liao)(liao)(liao)進行(xing)面(mian)(mian)內(nei)、面(mian)(mian)外(wai)的(de)(de)動態磁(ci)(ci)(ci)疇(chou)觀測，成為目(mu)(mu)前常用的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)疇(chou)觀測設備，可(ke)用于多種磁(ci)(ci)(ci)性(xing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)究，如鐵磁(ci)(ci)(ci)或(huo)亞鐵磁(ci)(ci)(ci)薄膜、釹鐵硼等(deng)硬磁(ci)(ci)(ci)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、硅鋼等(deng)軟磁(ci)(ci)(ci)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。

2020年(nian)11月，Quantum Design中(zhong)國(guo)與致真精(jing)密儀器（青(qing)島(dao)）有(you)限(xian)公司(si)簽署了中(zhong)國(guo)區戰略合作協議，合作推出多功能(neng)(neng)高分辨率(lv)磁(ci)光克爾顯微成(cheng)像系統。通過此(ci)次戰略合作，Quantum Design中(zhong)國(guo)希望能(neng)(neng)夠為磁(ci)學及自旋電子學等域的(de)研究提供更(geng)多的(de)可(ke)能(neng)(neng)。

圖1 多(duo)功能高分辨率磁光克爾顯(xian)微(wei)成像系統

多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統由北京航空航天大學集成電路學院張學瑩老師帶團隊，根據多年的磁疇動力學實驗技巧積累和新的磁學及自旋電子學域的熱點課題研究需求研發。它采用進的點陣LED光源技術，能夠在不切換機械結構的情況下，同時進行向和縱向克爾成像，不僅能同時檢測樣品垂直方向和面內方向的磁性，成像分辨率還能夠達到270 nm，逼近光學衍射限。與傳統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配置了多功能磁鐵探針臺，能夠在保證450 nm高分辨率的前提下，向被測樣品同時施加面磁場、垂直磁場、電流和微波信號。

此外，多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統擁有門的智能控制系統，用戶界面友好，無需復雜設置，鍵觸發既能實現多維度磁場、電學信號與克爾圖像的同步操控。該系統的另亮點是配置了反應速度高達1 μs的超快磁場，為微米器件中磁疇的產生、磁疇的高速運動捕捉等提供了可能。

張學(xue)瑩老(lao)師師從北(bei)航(hang)(hang)(hang)趙(zhao)巍勝(sheng)教(jiao)授和(he)(he)法國巴黎薩(sa)克(ke)雷大(da)學(xue)Nicolas Vernier教(jiao)授，從2015年開始研(yan)究(jiu)磁光克(ke)爾成(cheng)像技(ji)術(shu)和(he)(he)磁疇(chou)動(dong)力學(xue)，其有關(guan)磁性(xing)材料性(xing)質的論文獲得(de)北(bei)京航(hang)(hang)(hang)空航(hang)(hang)(hang)天(tian)大(da)學(xue)博士(shi)學(xue)位(wei)(wei)論文。經(jing)過3年潛(qian)心研(yan)究(jiu)，該團隊于2018年完成(cheng)了(le)*克(ke)爾顯微(wei)鏡(jing)樣機的集成(cheng)，并創立致真(zhen)精密儀器（青島(dao)(dao)）有限公司。至2020年初，在(zai)北(bei)航(hang)(hang)(hang)青島(dao)(dao)研(yan)究(jiu)院(yuan)和(he)(he)北(bei)航(hang)(hang)(hang)集成(cheng)電路學(xue)院(yuan)經(jing)過兩輪迭代和(he)(he)打磨，已經(jing)完成(cheng)了(le)產品的穩(wen)定性(xing)驗證，目前(qian)，該設備已經(jing)被清華(hua)大(da)學(xue)、中科院(yuan)物理所、北(bei)京工業大(da)學(xue)等多家單位(wei)(wei)采購。

產品磁疇成像照片案例

圖(tu)2 CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5)薄膜中(zhong)的迷宮疇

圖3 斯格明子磁疇觀測

多重信號的疊加，能(neng)夠(gou)滿足客戶多種前沿(yan)課題的實驗(yan)需(xu)求

面內磁場和垂直磁場的疊加可以進行Dzyaloshinskii-Moriya作用（DMI）的測試^[1,2]

圖4 樣品Pt(4 nm)/Co(1 nm)/MgO(t nm)/Pt(4 nm)的DMI作用測量^[1]

自旋軌道矩（spin-orbit torque,簡稱SOT）是近年來發展起來的新代電流驅動磁化翻轉技術，如何更好的表征SOT翻轉，在當今自旋電子學域具有重要的理論和應用價值。 多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統配置的面內磁場和電學測試系統，不但可以實現這個過程的電學測試，還可以用相機與信號采集卡同步的功能，逐點解析翻轉曲線對應的磁疇狀態 ^[3,4]。

圖5 面內磁(ci)場(chang)和電流的疊加(jia)用于SOT驅動的磁(ci)性(xing)變(bian)化(hua)過程研究

在某些材料中，無法觀測到純電流驅動的磁疇壁運動。這時，可以用多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統微秒別的超快磁場脈沖與電流同步，觀測垂直磁場與電流共同驅動的疇壁運動，從而解析多種物理效應，如重金屬/ 鐵磁體系的自旋化率由于自旋散射降低的效應 ^[5]。

圖6 垂直磁(ci)(ci)場和電流的疊加(jia)可(ke)用于觀測(ce)單磁(ci)(ci)場或者(zhe)電流無法驅動的磁(ci)(ci)性動力學過程

克爾成像下磁場和微波的疊加則能夠為自旋波和磁疇壁的相互作用研究提供可能 ^[6]。

圖7 自旋波驅動的磁疇壁運動^[6]

多(duo)功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統還可進行多(duo)種磁性參數的(de)微區測量

局部飽和磁化強度Ms表征^[7]

由于(yu)偶作用，磁(ci)疇壁在靠(kao)近時會相互排斥。通(tong)過觀察不同磁(ci)場(chang)下磁(ci)疇壁的距離，可(ke)以提取局部(bu)區域的飽和磁(ci)化強度MS。此方法(fa)由巴黎- 薩(sa)克雷大(da)學Nicolas Vernier 教授（致真技術顧問）在2014 年提出并(bing)驗證(zheng)，與(yu)VSM 測量結果得到良好吻合(he)。

圖8 局部(bu)飽和(he)磁化強度Ms表征(zheng)及與其(qi)他測試(shi)方法Ms結果對(dui)比

海森堡交換作用剛度^[8]

采用系統的磁場“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A_ex。

圖9 海森(sen)堡交換作用(yong)剛度提取

自旋電子薄膜質量的表征、自旋電子器件的損壞檢測等^[9]

圖(tu)10 磁性薄膜(mo)質量檢測(ce)

除此之外，該系(xi)統還(huan)開發了的變溫(wen)系(xi)統。針(zhen)(zhen)對永磁(ci)(ci)材(cai)料(liao)研究(jiu)的用(yong)戶，開發了能夠兼容克爾成像的高(gao)溫(wen)強(qiang)磁(ci)(ci)場模(mo)塊。針(zhen)(zhen)對硅鋼等軟磁(ci)(ci)材(cai)料(liao)研究(jiu)用(yong)戶，開發了大視野(ye)面(mian)內克爾顯(xian)微(wei)鏡(jing)。

動態磁疇成像(xiang)案例(li)

圖(tu)11 CoFeB薄膜動態(tai)磁疇

圖12 SOT磁(ci)場+電(dian)流驅動磁(ci)疇翻轉

圖(tu)13 釹鐵硼(peng)永磁動態磁疇觀(guan)測

圖14 磁性(xing)材(cai)料內釘(ding)扎(zha)點的(de)觀測，可與巴克豪森(sen)噪聲同步(bu)匹配(pei)

產品基本參數：

? 向和(he)縱(zong)向克(ke)爾成像(xiang)分辨(bian)率(lv)可(ke)達300 nm；

? 配置二維磁場探針臺，面內(nei)磁場高達1 T，垂直磁場高達0.3 T（配置磁場增強模塊后可達1.5 T）；

? 快速磁場選件磁場反應速度可達(da)1 μs；

? 可根(gen)據需要(yao)選(xuan)配直流/ 高頻探針座及探針；

? 可選配二(er)次諧波、鐵磁(ci)共(gong)振等輸運測試；

? 配置智能控制和圖像處理系統，可同時施加(jia)面(mian)內磁(ci)(ci)場、垂直磁(ci)(ci)場和電學信號同步觀測磁(ci)(ci)疇翻轉；

? 4K~800K，80K~500K 變溫(wen)選件可選。

小結： 

多功能(neng)高分辨率磁光克爾顯微成(cheng)像(xiang)系統除(chu)了擁有(you)超(chao)高分辨的(de)(de)動態磁疇觀測能(neng)力外(wai)，還能(neng)結合多功能(neng)磁場探針臺(tai)提供的(de)(de)外(wai)加電流、面內/面外(wai)磁場等對多種(zhong)磁學(xue)參數進行提取(qu)。

參考文獻：

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[8] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011).

[9] Y. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).