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多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统

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磁光克尔显微镜是利用磁光克尔效应,直接观测磁性材料和器件中的磁化状态的光学显微成像设备。与传统的电学测试相比,磁光克尔显微成像测试能清晰直观了解样品内的磁化状态空间分布和时间演化,适用于磁性材料和自旋电子器件的测试和产品研发。

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产品详情

产品介绍

磁光克尔显微镜是利用磁光克尔效应,直接观测磁性材料和器件中的磁化状态的光学显微成像设备。与传统的电学测试相比,磁光克尔显微成像测试能清晰直观了解样品内的磁化状态空间分布和时间演化,适用于磁性材料和自旋电子器件的测试和产品研发。

公司于2020年自主开发出中国首款商用多功能磁光克尔显微镜测试系统。

多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统

功能特点:

1. 成像
  • 能够同时进行极向克尔成像(用来观察垂直方向的磁畴信息)和纵向克尔成像(用来观察面内方向的磁畴信息),两种成像模式可通过软件控制自动切换
  • 克尔成像分辨率450 nm(长工作距离物镜,兼容探针)/270 nm(油浸式物镜)
  • 成像灵敏度可达单个原子层
2. 磁场
  • 矢量磁场,最大1.4 T
  • 磁场反应速度:最快1μs,用于磁动力学研究
3. 自旋输运模块
  • 配置多组探针、与矢量超快磁场及高分辨率克尔成像兼容
  • 电脉冲信号与磁场信号可实现微秒级别同步
  • 可配备二次谐波(second harmonic)测试系统
4. 高频模块
  • 配置高频探针,与矢量磁场及高分辨率克尔成像兼容
  • 可配备ST-FMR系统
  • 变温测量系统:4K-600K变温系统
5.智能系统:
  • 一键控制矢量磁场、直流/微波信号/照片采集的时序关系
  • 自动提取样品全局/微区的磁滞回线(自变量可以是磁场或者电流)
  • 一键自动测量磁畴壁/斯格明子磁泡的移动速度
  • 一键自动测量Dzyaloshinskii-Moriya作用(DMI)强度

成像效果展示

垂直各向异性磁性薄膜(1 nm厚)中的磁畴成像效果
自旋电子器件翻转过程
永磁(NdFeB)块体表面磁畴
纳米薄膜材料
硅钢块体表面磁畴

典型应用

研究磁性材料性质

1. 检测磁性材料质量

●MgO(sub)/Co/Pt 样品: MgO(sub)/Co/Pt 样品: MgO晶体衬底与Co晶格失配导致的薄膜缺陷。

●质量不好的磁性薄膜,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,形成钉扎效应。利用高分辨率物镜,可以直接观察缺陷位置(红圈)。

磁性薄膜钉扎点定位
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

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。如下图,由于偶极作用比各向异性占优势,样品出现自发退磁。

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,最大的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。

1. 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[2]

Saturation magnetization in local area
2. 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。

3. 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[3]

震荡退磁后迷宫畴的形状
迷宫畴傅里叶变换

4. 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[4]

磁畴壁动力学研究

1. 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。

2. 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[5-7]

Observation of the magnetic domain wall tension effect
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[5]

自旋输运性质测试+成像

1. 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。

Magnetic domain wall motion driven by STT current
2. 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[8]

3. 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[9]

4. 输运测试相关介绍

搭配吉时利6221与2182A源表,可以进行霍尔效应、I-V特性(电阻率)及磁电阻(MR)的测量。搭配微波源、微波探针与锁相放大器等,可进行ST-FMR、二次谐波测试,对样品自旋轨道矩大小进行表征。

参考文献:

[1] Yu Zhang et al. Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).

[2] Yu Zhang et al. Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).

[3] M. Yamanouchi et al., IEEE Magn. Lett. 2, 3000304 (2011). 

[4] Anni Cao et al., Nanoscale 10, 12062 (2018).

[5] Xueying Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 024032 (2018).

[6] Xueying Zhang et al. Nanotechnology 29, 365502 (2018).

[7] Anni Cao et al., IEEE Magn. Lett. 9, 1 (2018).

[8] Xueying Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019). 

[9] Xiaoxuan Zhao et al., Nanotechnology 30, 335707 (2019).