磁疇是鐵磁體材料在自發磁化的過程中，為降低靜磁能而產生分化的方向各異的小型磁化區域。它的研究可將材料的基本物理性質、宏觀性質和應用聯系起來。近年來，由于材料的日益完善和器件的小型化，人們對磁疇分析的興趣與日俱增。目前市面上主要的磁疇觀測設備有磁光克爾顯微鏡、磁力顯微鏡、洛倫茲電鏡、以及近興起的NV色心超分辨磁學顯微鏡等，其中，磁光克爾顯微鏡可以靈活的結合外加磁場、電流及溫度環境等來對材料進行面內、面外的動態磁疇觀測，成為目前常用的磁疇觀測設備，可用于多種磁性材料的研究，如鐵磁或亞鐵磁薄膜、釹鐵硼等硬磁材料、硅鋼等軟磁材料。
2020年11月，Quantum Design中國與致真精密儀器（青島）有限公司簽署了中國區戰略合作協議，合作推出多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統。通過此次戰略合作，Quantum Design中國希望能夠為磁學及自旋電子學等領域的研究提供更多的可能。
圖1 多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統
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領團隊，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領域的熱點課題研究需求研發。它采用先進的點陣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專門的智能控制系統，用戶界面友好，無需復雜設置，一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。該系統的另一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。
張學瑩老師師從北航趙巍勝教授和法國巴黎薩克雷大學Nicolas Vernier教授，從2015年開始研究磁光克爾成像技術和磁疇動力學，其有關磁性材料性質的論文獲得北京航空航天大學博士學位論文。經過3年潛心研究，該團隊于2018年完成了臺克爾顯微鏡樣機的集成，并創立致真精密儀器（青島）有限公司。至2020年初，在北航青島研究院和北航集成電路學院經過兩輪迭代和打磨，已經完成了產品的穩定性驗證，目前，該設備已經被清華大學、中科院物理所、北京工業大學等多家單位采購。
產品磁疇成像照片案例
圖2 CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5)薄膜中的迷宮疇
圖3 斯格明子磁疇觀測
多重信號的疊加，能夠滿足客戶多種前沿課題的實驗需求
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一代電流驅動磁化翻轉技術，如何更好的表征SOT翻轉，在當今自旋電子學領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，還可以利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 面內磁場和電流的疊加用于SOT驅動的磁性變化過程研究
在某些材料中，無法觀測到純電流驅動的磁疇壁運動。這時，可以利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 垂直磁場和電流的疊加可用于觀測單磁場或者電流無法驅動的磁性動力學過程
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]
多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統還可進行多種磁性參數的微區測量
局部飽和磁化強度Ms表征[7]
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磁疇壁的距離，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（致真技術顧問）在2014 年先提出并驗證，與VSM 測量結果得到良好吻合。
圖8 局部飽和磁化強度Ms表征及與其他測試方法Ms結果對比
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Aex。
圖9 海森堡交換作用剛度提取
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10 磁性薄膜質量檢測
除此之外，該系統還開發了性價比超高的變溫系統。針對永磁材料研究的用戶，開發了能夠兼容克爾成像的高溫強磁場模塊。針對硅鋼等軟磁材料研究用戶，開發了大視野面內克爾顯微鏡。
動態磁疇成像案例
圖11 CoFeB薄膜動態磁疇
圖12 SOT磁場+電流驅動磁疇翻轉
圖13 釹鐵硼永磁動態磁疇觀測
圖14 磁性材料內釘扎點的觀測，可與巴克豪森噪聲同步匹配
產品基本參數
? 向和縱向克爾成像分辨率可達300 nm；
? 配置二維磁場探針臺，面內磁場高達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1 μs；
? 可根據需要選配直流/ 高頻探針座及探針；
? 可選配二次諧波、鐵磁共振等輸運測試；
? 配置智能控制和圖像處理系統，可同時施加面內磁場、垂直磁場和電學信號同步觀測磁疇翻轉；
? 4K~800K，80K~500K 變溫選件可選。
小結
多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統除了擁有超高分辨的動態磁疇觀測能力外，還能結合多功能磁場探針臺提供的外加電流、面內/面外磁場等對多種磁學參數進行提取。
樣機體驗
目前，致真精密儀器（青島）有限公司可對相關領域感興趣的科學工作者提供了測樣體驗，歡迎感興趣的老師或同學通過撥打電話010-85120280或發送郵件至info@qd-china.com體驗磁光克爾顯微成像全新技術！
參考文獻
[1] A. Cao et al., Nanoscale 10, 12062 (2018).
[2] A. Cao et al., Nanotechnology 31, 155705 (2020).
[3] X. Zhao et al., Appl. Phys. Lett. 116, 242401 (2020).
[4] G. Wang et al., IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap. 66, 215 (2019).
[5] X. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).
[6] J. Han et al., Science (80-. ). 366, 1121 (2019).
[7] N. Vernier et al., Appl. Phys. Lett. 104, 122404 (2014).
[8] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011).
[9] Y. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).
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