——眼见为实:让磁学测试可视化!
致真精密仪器(青岛)有限公司生产的多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统,以自主设计的光路结构及奥林巴斯、索莱博光电元件为基础制造,适用于磁性材料/ 自旋电子器件的磁畴成像和动力学研究。
★ 多功能探针台,能够提供面内、垂直磁场及多对直流/ 高频探针- 磁光成像与自旋输运测试结合!
★ 高达1.8T 垂直磁场,1 T 面内磁场,4K-800K 变温,可用于硬磁材料成像研究。
![3c2cc97455689d0ee8239c1045eda1f.jpg 3c2cc97455689d0ee8239c1045eda1f.jpg](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/f141712c-1691-45cb-8edc-98b36c300ced.jpg)
多功能控制系统
测试信号控制
- 垂直/ 面内磁场/ 电流/ 微波等多路信号 μs 别同步施加;
- 各信号的波形、幅度、频率、相对延时等参数轻松调节。
图像处理
- 实时作差消背底噪声;
- 自动纠正震动漂移等。
信号解析
- 电流、磁场测试信号的实时显示;
- 基于克尔图像分析,对样品局域 (300 nm) 或全局做磁滞回线扫描。
磁场探针台
面内磁场
★ 高达1 T,反应速度50 ms,度0.1 mT。
三路垂直磁铁任意切换
★ 磁场1:高达1.8 T,反应速度50 ms,度0.1 mT;
★ 磁场2:高达30 mT,反应速度50 μs,度0.01 mT;
★ 磁场3:高达50 mT,反应速度1 μs, 度0.01 mT;
★ 可配置6 个直流/ 高频探针,配置10 V,20 MHz任意波形信号源。
成像效果
★ 克尔成像分辨率300 nm (100 倍物镜); ★ 视野:1.2 mm×1 mm (5 倍物镜); ★ 能检测2 个原子层薄膜的磁性变化。 | ![资源 21-small.png 资源 21-small.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/e24373f5-1468-44bc-87d6-396f4ddc599c.jpg)
CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5) 薄膜中的迷宫畴 |
图像处理
★ 以任意图像为背底,实时作差消噪声;
★ 图像漂移校正,自动添加比例尺等功能。
![资源 18.png 资源 18.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/c2a8e3e3-e780-4018-8788-9eb10cf59f1c.jpg)
CoFeB(20 nm) 薄膜中, [ 面内磁场20mT] 驱动磁畴翻转
![资源 19.png 资源 19.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/1d2fa30a-3b4f-47cc-b25f-840e30c307db.jpg)
CoTb 亚铁磁微米线中SOT 驱动的磁性翻转 | ![资源 20.png 资源 20.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/a51ca48d-353d-453c-866a-b2d44511eab3.jpg)
CoFeB/W/CoFeB 薄膜中的微米大小的磁泡
![资源 22.png 资源 22.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/e6949d2b-df1b-476a-ad45-7d63f9b1b160.jpg)
200 nm 宽的Ta/CoFeB/MgO 线中, [120 mT, 5 μs] 磁场脉冲驱动畴壁移动 |
其他功能
★ 分析全局或者局部 (300 nm) 克尔图像,获得磁滞回线;
★ 磁滞回线的横轴可以为面内、垂直磁场或者电流等任意激励信号;
★ 可配置变温系统:4K-800K 温度可调;
★ 搭配ST-FMR,二次谐波等测试系统和软件;
★ 预留各种接口,可根据实验需求自主改装。
应用案例
■ 局部磁本征参数表征
克尔显微镜有一套表征几乎所有磁学本征参数的方法。与其它表征方法相比,优势是可以进行微小区域内(300 nm) 的局部性质表征,为各种磁性调控实验 (如辐照、压控、光控磁)、以及性质不均一的材料表征提供了可能性。
局部饱和磁化强度MS表征
由于偶作用,磁畴壁在靠近时会相互排斥。通过观察不同磁场下畴壁的距离,可以提取局部区域的饱和磁化强度MS。此方法由巴黎- 萨克雷大学Nicolas Vernier 教授(本公司技术顾问)在2014 年先提出并验证。与VSM 测量结果得到良好吻合[1]。 | ![资源 34.png 资源 34.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/00d6db66-db38-4349-b06b-9d3b99c13ceb.jpg)
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局部各向异性能 K 的表征
通过分析局域克尔图像明暗变化,可以获得磁滞回线,从而提取局部区域等效各向异性场强度。
| ![资源 33.png 资源 33.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/b90f1353-b320-43c5-90cd-bd58c355b9cc.jpg)
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海森堡交换作用常数Aex
用我们的磁场“自定义波形”功能,将样品震荡退磁,再将得到的迷宫畴图片进行傅里叶变换,能够得知磁畴宽度,从而提取海森堡交换作用刚度[2]。
| ![资源 30.png 资源 30.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/655891c4-992a-4ef8-b451-8e795e8f520e.jpg)
退磁状态下的薄膜材料的磁畴结构
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Dzyaloshinskii-Moriya 作用( DMI) 的表征
利用面内磁场和垂直磁场共同作用下的磁畴壁非对称性扩张,能够测量薄膜材料的DMI 作用强度。基于此款设备的得到的成果发表在Nanoscale 杂志[3]。
| ![资源 31.png 资源 31.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/d9b3ec74-ec05-476c-afe8-afbc7f8e81c6.jpg)
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参考文献:
[1] Yu Zhang et al. Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).
[2] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011).
[3] Anni Cao et al., Nanoscale 10, 12062 (2018).
■ 磁畴壁动力学研究
磁场、电流或者其它激励下磁畴壁的移动速度测量
方法:施加幅度为B, 宽度为t 的磁场/ 电流脉冲,在脉冲 前后分别拍摄克尔图像并作差,获得畴壁移动距离d,则速 度v=d/t。 备注:有限视野范围内,超快畴壁运动的测量需要超短信 号脉冲。本系统配置的 μs 反应速度的磁场可实现200m/s 畴壁速度的测量。 | ![资源 39.png 资源 39.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/2a36004b-c390-453b-b32d-e2bf51af079a.jpg)
| ![资源 38.png 资源 38.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/5806ddd0-fa33-472f-8675-aa5e4481565d.jpg)
10ms 力波磁场脉冲
![资源 37.png 资源 37.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/8fd5a55f-49f6-4d91-bb03-eb29220ff8da.jpg)
4 μs 超快磁场脉冲 |
磁畴壁张力效应的观测
利用微秒别超快磁场脉冲,可在微小样品中创造出磁泡。利用此款高分辨率克尔显微镜,次观察到了磁畴壁在自身张力作用下的自发收缩过程[1-3]。
![资源 36-small.png 资源 36-small.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/6bf7985d-4231-401a-b0c5-bc16deb5091c.jpg)
磁畴壁Hall bar 处的钉扎作用
利用磁场脉冲,我们控制磁畴壁在纳米线中的位置。观察磁畴壁的钉扎过程并测量解钉扎磁场[1]。
![资源 35.png 资源 35.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/6822853a-62da-4aa2-bc02-aa687aeb9cbe.jpg)
参考文献:
[1] Xueying Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 024032 (2018).
[2] Xueying Zhang et al. Nanotechnology 29, 365502 (2018).
[3] Anni Cao et al., IEEE Magn. Lett. 9, 1 (2018).
■ 自旋输运性质测试+成像
STT 电流驱动的磁畴壁运动
通过配备的探针和主控系统的任意波形发生器,可向样品施加50 ns–s 别的方波,观察磁畴壁运动并测量速度。
![资源 47.png 资源 47.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/6abe1f05-7577-4b01-8308-d2244e08616e.jpg)
STT 电流与垂直磁场共同作用下的磁畴壁运动
在某些材料中,无法观测到纯电流驱动的磁畴壁运动。这时,可以利用此设备μs 别的超快磁场脉冲与电流同步,观测垂直磁场+ 电流共同驱动的畴壁运动,从而解析多种物理效应,如重金属/ 铁磁体系的自旋化率由于自旋散射降低的效应[1]。
电流与面内磁场共同作用下的磁畴壁运动
Hall 自旋流与面内磁场共同作用,诱导磁矩翻转,即所谓的SOT 翻转。本设备配置的面内磁场和电学测试系统,不但可以实现这个过程的电学测试,还可以利用相机与信号采集卡同步的功能,逐点解析翻转曲线对应的磁畴状态[2]。
![资源 41-small.png 资源 41-small.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/3cb38ae9-0816-431c-9185-a6ec594378e7.jpg)
参考文献:
[1] Xueying Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).
[2] Xiaoxuan Zhao et al., Nanotechnology 30, 335707 (2019).
测试数据
1. 检测磁性材料质量
![资源 29.png 资源 29.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/748348bb-d804-4561-8078-22dddf0583b4.jpg)
MgO/Co/Pt 样品: MgO 晶格错位导致的Co 薄膜缺陷。 在微小磁场作用下,缺陷周围即出现磁性翻转。
| ![资源 28.png 资源 28.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/eb881853-937e-49b8-a4eb-bf53a116f20f.jpg)
质量不好磁性薄膜, 磁性翻转过程中出现雪花状磁畴。
| ![资源 27.png 资源 27.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/cacc7b42-fb3d-474f-af59-01f67d17b524.jpg)
质量优良的磁性薄膜, 磁畴结构均匀,边缘光滑。
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2. 检测缺陷位置
![资源 26.png 资源 26.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/48958c2d-56f6-49e4-a746-a1d9a36d8d32.jpg)
缺陷处,磁畴壁运动变形,形成钉扎效。利用高分辨率物镜,可以直接观察缺陷位置(红圈)。
3. 自旋电子器件损伤检测
![资源 25.png 资源 25.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/5d698981-33a4-43e3-9c16-0f785abb8098.jpg)
自旋电子器件中,在微加工过程中,样品边缘出现损伤,导致在磁场作用下稳定性下降,边缘先出现翻转[1]。
4. 解析磁滞回线结果
![资源 24.png 资源 24.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/a4b74659-7543-4e48-b856-f26d07889bcd.jpg)
| ![资源 23.png 资源 23.png](https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/cea16853-86cc-4694-b78c-6a24c26f9618.jpg)
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磁光克尔显微镜由于具有空间分辨优势,可以解析磁滞回线对应的磁畴状态。如右图,由于偶作用比各向异性占优势,样品出现自发退磁。 |
参考文献:
[1] Yu Zhang et al. Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).