Quantum Design 深耕材料表征领域近 45 年，旗下专为关联显微表征打造的 FusionScope 一体化分析平台，凭借前沿的技术设计与成熟的应用体系，已成为跨尺度材料研究的核心利器。该平台突破性整合原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）与能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分析功能，成功搭建起宏观体相表征与表面 / 纳米尺度分析的关键桥梁，为物理学家、化学家和材料科学家提供全方位、多维度的样品研究解决方案。近日，基于 FusionScope 开展的人工自旋冰（Artificial Spin Ice, ASI）样品跨平台分析案例，再度印证了该平台在复杂材料精准表征中的超卓性能与广泛应用潜力。
图1. FusionScope三合一多功能显微镜
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人工自旋冰是一类通过光刻技术制备的超材料，由周期性或非周期性排列的强相互作用磁性纳米岛组成，在下一代神经形态计算、储层计算及磁振子应用等领域具有巨大潜力。传统表征方法难以兼顾宏观整体特性与微观局部细节，无法实现从体相到纳米尺度的全维度信息解析，成为制约人工自旋冰等复杂材料研究深入推进的关键瓶颈。
基于此，Quantum Design 构建的 “MPMS3 + PPMS + FusionScope” 跨平台分析体系，实现了从体相到纳米尺度的全维度表征覆盖，为人工自旋冰磁学行为研究提供了完整的技术解决方案。本研究中所使用的 ASI 样品，通过标准电子束光刻与剥离技术制备，并借助大范围拼接技术成功打造出宏观面积 1cm2 的 “砖块状” 人工自旋冰阵列，为跨尺度表征研究奠定了样品基础。
图2. 本案例中的ASI样品形貌图。
在跨平台分析实验中，各设备各司其职、精准联动，实现了人工自旋冰磁学特性的多维度解析：MPMS3 凭借 10?8 emu 的超高灵敏度，精准获取了人工自旋冰 “砖块状” 阵列的主要磁滞回线，其 0.72 的矩形比与 coercive 场处的锐化开关特性，揭示了材料的单畴剩磁状态与相干反转机制；PPMS 搭载振动样品磁强计（VSM）进行一阶反转曲线（FORC）测量，通过生成的 FORC 分布图谱，量化解析了磁性反转机制与矫顽场分布特征，呈现出单一畴旋转反转的典型特征；而 FusionScope 则通过磁力显微镜（MFM）功能，实现了纳米尺度的磁性构型直接成像，在 35 nm 提升高度下，清晰观测到单个纳米岛两端的磁偶极子特征，证实了多数元素的单畴均匀磁化状态，同时捕捉到少数多畴结构的存在，为磁滞回线与 FORC 分析结果提供了直观的微观验证。
图3. MPMS的主磁滞回线测量以及PPMS的一阶反转曲线测量结果。
针对随机取向的人工自旋冰阵列，FusionScope 进一步展现了其精准表征能力。通过 topography 成像确认样品厚度差异后，MFM 直接观测到磁性涡旋态与双涡旋态的存在，与 MPMS3 测得的 “蜂腰状” 磁滞回线及 PPMS 得到的特征 FORC 分布形成呼应，明确了厚度增加对材料反转机制的影响，充分体现了跨平台关联分析的科学价值。
图4. (A)磁力显微镜探针靠近“砖块状”阵列的侧向视图。(B)5 μmx5 μm的MFM磁力图，绝大多数元素（白色椭圆标注的典型示例）呈现出预期的偶极子特征，这与剩磁状态下的单畴结构相关。黄色圆圈突出显示了少数可能观测到多畴状态的例外情况。
FusionScope 之所以能实现上述高精度、跨尺度的表征效果，核心源于其多项创新技术优势：
其一，创新的Profile View 功能，可实现样品倾斜操作，并通过 SEM 实时观察 MFM 探针状态，保障表征过程的精准可控；
其二，搭配聚焦电子束诱导沉积（FEBID）制备的尖端半径小于 15 nm 的高长径比 Co?Fe 探针，结合真空工作环境，实现了高横向空间分辨率与优异的相位对比度，确保微纳尺度表征的精准性；
其三，平台与 Quantum Design 经典的 MPMS、PPMS 系列产品无缝衔接，可在延续材料磁学、电学、热学等宏观特性精准测量的基础上，深入探究纳米尺度的表面结构与磁性构型，真正实现 “宏观 - 微观” 的一体化表征；
其四，整合 AFM、SEM、EDS 三大核心功能，可同时完成形貌观测、微区成像与元素分析，为复杂材料研究提供多维度信息支撑。
图5. (A)形貌，（B）MFM相对比度，（C）画线处的相位变化曲线。
图6. (A)在随机阵列表面的MFM探针的侧向视野图像，（B）MPMS3测得的对应主要磁滞回线，（C）一阶反转曲线族，用于生成（D）中所示的一阶反转曲线分布，（E）形貌图与（F）磁力显微镜MFM图像。
作为 Quantum Design 在纳米尺度表征领域的重大技术突破，FusionScope 的推出不仅有效拓展了关联测量技术的应用边界，更成功解决了传统表征技术 “宏观与微观脱节” 的行业痛点，为人工自旋冰等前沿复杂材料的研究提供了全新的技术路径。未来，Quantum Design 将持续深耕材料表征技术创新，不断完善跨平台、跨尺度表征体系，为全球科研工作者在先进材料、量子科技等前沿领域的研究提供更易用、高效、精准的表征工具，助力科研人员取得更多突破性研究成果。
为了更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，Quantum Design中国北京样机实验室开放Fusionscope多功能显微镜样机体验活动，我们将为您提供样品测试、样机参观等机会，期待与您的合作！欢迎您扫描下方二维码联系我们。
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