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多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統
——眼見為實：讓磁學測試可視化！
致真精密儀器(青島)有限公司生產的多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統，以自主設計的光路結構及奧林巴斯、索萊博光電元件為基礎制造，適用于磁性材料/ 自旋電子器件的磁疇成像和動力學研究。
★ 多功能探針臺，能夠提供面內、垂直磁場及多對直流/ 高頻探針- 磁光成像與自旋輸運測試結合！
★ 高達1.8T 垂直磁場，1 T 面內磁場，4K-800K 變溫，可用于硬磁材料成像研究。
多功能控制系統
測試信號控制
- 垂直/ 面內磁場/ 電流/ 微波等多路信號 μs 別同步施加；
- 各信號的波形、幅度、頻率、相對延時等參數輕松調節。
圖像處理
- 實時作差消背底噪聲；
- 自動糾正震動漂移等。
信號解析
- 電流、磁場測試信號的實時顯示；
- 基于克爾圖像分析，對樣品局域 （300 nm） 或全局做磁滯回線掃描。
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磁場探針臺
面內磁場
★ 高達1 T，反應速度50 ms，精度0.1 mT。
三路垂直磁鐵任意切換
★ 磁場1：高達1.8 T，反應速度50 ms，精度0.1 mT；
★ 磁場2：高達30 mT，反應速度50 μs，精度0.01 mT；
★ 磁場3：高達50 mT，反應速度1 μs, 精度0.01 mT；
★ 可配置6 個直流/ 高頻探針，配置10 V，20 MHz任意波形信號源。
成像效果
★ 克爾成像分辨率300 nm （100 倍物鏡）； ★ 視野：1.2 mm×1 mm （5 倍物鏡）； ★ 能檢測2 個原子層薄膜的磁性變化。 |
CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5) 薄膜中的迷宮疇 |
圖像處理
★ 以任意圖像為背底，實時作差消噪聲；
★ 圖像漂移校正，自動添加比例尺等功能。
CoFeB(20 nm) 薄膜中， [ 面內磁場20mT] 驅動磁疇翻轉
CoTb 亞鐵磁微米線中SOT 驅動的磁性翻轉 |
CoFeB/W/CoFeB 薄膜中的微米大小的磁泡
200 nm 寬的Ta/CoFeB/MgO 線中， [120 mT, 5 μs] 磁場脈沖驅動疇壁移動 |
其他功能
★ 分析全局或者局部 （300 nm） 克爾圖像，獲得磁滯回線；
★ 磁滯回線的橫軸可以為面內、垂直磁場或者電流等任意激勵信號；
★ 可配置變溫系統：4K-800K 溫度可調；
★ 搭配ST-FMR，二次諧波等測試系統和軟件；
★ 預留各種接口，可根據實驗需求自主改裝。
應用案例
■ 局部磁本征參數表征
克爾顯微鏡有套表征幾乎所有磁學本征參數的方法。與其它表征方法相比，勢是可以進行微小區域內（300 nm） 的局部性質表征，為各種磁性調控實驗 （如輻照、壓控、光控磁）、以及性質不均的材料表征提供了可能性。
局部飽和磁化強度MS表征
由于偶作用，磁疇壁在靠近時會相互排斥。通過觀察不同磁場下疇壁的距離，可以提取局部區域的飽和磁化強度MS。此方法由巴黎- 薩克雷大學Nicolas Vernier 教授（本公司技術顧問）在2014 年提出并驗證。與VSM 測量結果得到良好吻合[1]。 |
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局部各向異性能 K 的表征
通過分析局域克爾圖像明暗變化，可以獲得磁滯回線，從而提取局部區域等效各向異性場強度。
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海森堡交換作用常數Aex
用我們的磁場“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[2]。
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退磁狀態下的薄膜材料的磁疇結構
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Dzyaloshinskii-Moriya 作用（ DMI） 的表征
用面內磁場和垂直磁場共同作用下的磁疇壁非對稱性擴張，能夠測量薄膜材料的DMI 作用強度?；诖丝钤O備的得到的成果發表在Nanoscale 雜志[3]。
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參考文獻：
[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).
■ 磁疇壁動力學研究
磁場、電流或者其它激勵下磁疇壁的移動速度測量
方法：施加幅度為B, 寬度為t 的磁場/ 電流脈沖，在脈沖 前后分別拍攝克爾圖像并作差，獲得疇壁移動距離d，則速 度v=d/t。 備注：有限視野范圍內，超快疇壁運動的測量需要超短信 號脈沖。本系統配置的 μs 反應速度的磁場可實現200m/s 疇壁速度的測量。 |
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10ms 力波磁場脈沖
4 μs 超快磁場脈沖 |
磁疇壁張力效應的觀測
用微秒別超快磁場脈沖，可在微小樣品中創造出磁泡。用此款高分辨率克爾顯微鏡，*觀察到了磁疇壁在自身張力作用下的自發收縮過程[1-3]。
磁疇壁Hall bar 處的釘扎作用
用磁場脈沖，我們控制磁疇壁在納米線中的位置。觀察磁疇壁的釘扎過程并測量解釘扎磁場[1]。
參考文獻：
[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).
■ 自旋輸運性質測試+成像
STT 電流驅動的磁疇壁運動
通過配備的探針和主控系統的任意波形發生器，可向樣品施加50 ns–s 別的方波，觀察磁疇壁運動并測量速度。
STT 電流與垂直磁場共同作用下的磁疇壁運動
在某些材料中，無法觀測到純電流驅動的磁疇壁運動。這時，可以用此設備μs 別的超快磁場脈沖與電流同步，觀測垂直磁場+ 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[1]。
微秒同步的磁場和電流方波脈沖 |
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電流與面內磁場共同作用下的磁疇壁運動
Hall 自旋流與面內磁場共同作用，誘導磁矩翻轉，即所謂的SOT 翻轉。本設備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[2]。
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參考文獻：
[1] Xueying Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).
[2] Xiaoxuan Zhao et al., Nanotechnology 30, 335707 (2019).
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數據處理
1. 檢測磁性材料質量
MgO/Co/Pt 樣品： MgO 晶格錯位導致的Co 薄膜缺陷。 在微小磁場作用下，缺陷周圍即出現磁性翻轉。
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質量不好磁性薄膜， 磁性翻轉過程中出現雪花狀磁疇。
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質量良的磁性薄膜， 磁疇結構均勻，邊緣光滑。 |
2. 檢測缺陷位置
缺陷處，磁疇壁運動變形，形成釘扎效。用高分辨率物鏡，可以直接觀察缺陷位置（紅圈）。
3. 自旋電子器件損傷檢測
自旋電子器件中，在微加工過程中，樣品邊緣出現損傷，導致在磁場作用下穩定性下降，邊緣出現翻轉[1]。
4. 解析磁滯回線結果
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磁光克爾顯微鏡由于具有空間分辨勢，可以解析磁滯回線對應的磁疇狀態。如右圖，由于偶作用比各向異性占勢，樣品出現自發退磁。 | |
參考文獻：
[1] Yu Zhang et al. Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).
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