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多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统
——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。
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 级别同步施加；
- 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。
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磁场探针台
面内磁场
★ 高达1 T，反应速度50 ms，精确度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，精确度0.1 mT；
★ 磁场2：高达30 mT，反应速度50 μs，精确度0.01 mT；
★ 磁场3：高达50 mT，反应速度1 μs, 精确度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。 |
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。
CoFeB(20 nm) 薄膜中， [ 面内磁场20mT] 驱动磁畴翻转
CoTb 亚铁磁微米线中SOT 驱动的磁性翻转 |
CoFeB/W/CoFeB 薄膜中的微米大小的磁泡
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 由于偶极作用，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 年首先提出并验证。与VSM 测量结果得到良好吻合[1]。 |
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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。 |
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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，能够精确得知磁畴宽度，从而提取海森堡交换作用刚度[2]。 |
退磁状态下的薄膜材料的磁畴结构 |
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]。 |
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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。 |
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10ms 力波磁场脉冲
4 μs 超快磁场脉冲 |
磁畴壁张力效应的观测
利用微秒级别超快磁场脉冲，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，首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]。
磁畴壁Hall bar 处的钉扎作用
利用磁场脉冲，我们精确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]。
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 级别的方波，观察磁畴壁运动并测量速度。
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 级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/ 铁磁体系的自旋极化率由于自旋散射降低的效应[1]。
微秒级精确同步的磁场和电流方波脉冲 |  |  |
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]。
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参考文献：
[1] Xueying Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).
[2] Xiaoxuan Zhao et al., Nanotechnology 30, 335707 (2019).
数据处理
1. 检测磁性材料质量
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。 |
质量不好磁性薄膜， 磁性翻转过程中出现雪花状磁畴。 |
质量优良的磁性薄膜， 磁畴结构均匀，边缘光滑。 |
2. 检测缺陷位置
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
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，边缘首先出现翻转[1]。
4. 解析磁滞回线结果
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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，由于偶极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).
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