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AFM在磁學(xué)中的應(yīng)用：從MFM技術(shù)到典型研究實(shí)例
原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）不僅能夠表征材料的表面形貌，還衍生出多種功能模式用于研究材料的不同物理性質(zhì)。其中，在磁學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的一種模式是磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscopy, MFM）。MFM能夠在納米尺度上直接成像材料的磁結(jié)構(gòu)，是研究磁疇結(jié)構(gòu)、磁記錄材料以及自旋電子器件的重要工具。
磁力顯微鏡（MFM）原理
磁力顯微鏡（MFM）是一種基于AFM發(fā)展的掃描探針技術(shù)，通過(guò)磁性探針與樣品磁場(chǎng)之間的相互作用力來(lái)獲得樣品的磁結(jié)構(gòu)信息。在MFM實(shí)驗(yàn)中，探針通常是在普通AFM探針表面鍍一層磁性材料（如Co、CoCr等），使探針具有磁矩。當(dāng)磁性探針靠近樣品表面時(shí)，探針磁矩會(huì)與樣品產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)（stray magnetic field）相互作用，從而產(chǎn)生磁力梯度。
這種磁力會(huì)改變懸臂梁的振動(dòng)特性，例如：振動(dòng)相位（phase）變化，共振頻率變化，振幅變化。最終得到的MFM phase圖像反映了樣品表面磁場(chǎng)分布，一般來(lái)說(shuō)：
亮對(duì)比：磁場(chǎng)方向與探針磁矩同向（吸引）
暗對(duì)比：磁場(chǎng)方向與探針磁矩反向（排斥）
Figure 1: Schematic of magnetic force microscopy[1].
MFM可以研究什么磁學(xué)信息
a. 磁疇結(jié)構(gòu)（Magnetic domains）
b. 磁疇壁（Domain walls）
c. 磁疇尺寸和分布
d. 漏磁場(chǎng)分布
e. 磁記錄位結(jié)構(gòu)
f. 納米磁結(jié)構(gòu)
Figure 1: (a) Hysteresis curve of the MFM phase contrast and examples of MFM images of the periodic magnetic domains of a standard floppy disk [2]. (b) Topographic and MFM images of the Sb1.89V0.11Te3 thin film at 5?K [3].
MFM的典型應(yīng)用
1.磁疇結(jié)構(gòu)研究
在鐵磁材料中，磁矩通常不會(huì)完全一致排列，而是形成不同方向的區(qū)域，即磁疇（magnetic domain）。磁疇結(jié)構(gòu)直接影響材料的磁性能，MFM可以直接觀察這些磁疇結(jié)構(gòu)，例如可以分析：
· 磁各向異性
· 磁疇壁運(yùn)動(dòng)
· 磁翻轉(zhuǎn)機(jī)制
3. 磁存儲(chǔ)材料研究
MFM最早的重要應(yīng)用之一就是磁記錄介質(zhì)（hard disk）研究。通過(guò)MFM可以：
a. 觀察記錄位尺寸
b. 分析記錄密度
c. 研究寫(xiě)入過(guò)程
d. 優(yōu)化磁記錄材料
3. 自旋電子器件研究
在現(xiàn)代自旋電子學(xué)（spintronics）研究中，MFM也是重要的表征工具。例如研究：磁疇壁存儲(chǔ)器（racetrack memory），磁渦旋（magnetic vortex），磁斯格明子（skyrmion）。其中，磁斯格明子（skyrmion）是一種拓?fù)浞€(wěn)定的磁結(jié)構(gòu)，尺寸可小到幾十納米，被認(rèn)為是下一代超低功耗存儲(chǔ)器的重要候選結(jié)構(gòu)。MFM能夠清晰觀察到：kyrmion分布，skyrmion運(yùn)動(dòng)，外場(chǎng)調(diào)控行為，這對(duì)于設(shè)計(jì)新型自旋電子器件具有重要意義。
MFM探針
MFM探針通常在硅基探針表面鍍膜磁性材料（如Co或CoCr）得到。
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