（微电子学与固体电子学专业论文）纳米磁性材料的磁力显微镜研究及自旋注入有机半导体探索.pdf

山东大学博士论文 中文摘要 磁性材料在电工技术，计算机技术，通讯技术以及最近兴起的自旋电子学等领 域具有重要的应用。技术上的应用对材料性能提出进一步的要求，这反过来进一步 推动了磁学和磁性材料的研究。我们知道，磁性材料的性能与其微观晶体结构和磁 畴结构紧密相关，研究材料的磁畴结构不仅有助于了解材料本身的磁化和反磁化机 理，了解矫顽力机制，而且对改进材料生产工艺，进而改善磁性能也都是非常重要 的。观察磁畴的技术方法有很多种，其中最有力的工具就是磁力显微镜，它具有高 的空间分辨率( 1 0 5 0 h m ) ，不需要特殊的样品制备，并可以测量不透明及有非磁覆 盖层的样品，可以在任意的环境中工作，操作比较简单，采图任意，适用的磁性材 料的范围也很广，由于具有上述优势，使得磁力显微镜一经出现，就成为应用最广 泛的磁畴观察工具。 本论文主要包括两部分的工作：第一部分主要是纳米磁性材料表面微结构与磁 畴结构的测量与表征。包括：( 1 ) 利用磁力显微镜研究了三种不同材料的微晶结构 和磁畴结构，分析了微晶结构和磁畴结构与其磁性的关系，讨论了其矫顽力机制， 分析了其磁性变化的原因；( 2 ) 为加深对磁力显微镜成像原理的了解，并为分析纳 米颗粒的磁畴图形提供理论参考，进行了单畴亚微米磁性颗粒的磁力显微镜图形的 计算机模拟和一些亚微米磁性结构的微磁学模拟；( 3 ) 对新型高分辨成像技术进行 了初步探索。除了上述关于材料的性能与表征的研究以外，我们还进行了一些自旋 极化载流子注入有机半导体方面的探索，作为论文的第二部分。具体的研究内容和 基本结果如下： 1 、首次利用磁力显微镜直接在铜模吸铸法获得的直径为5t o n i 的 p r o o a 】o n i i o c u 2 0 一。f e x ( o x 2 0 ) 棒状合金圆柱侧表面观测了其制备态的表面形貌结 构和相应的磁畴结构。发现随着f e 掺杂量的增加，样品从完全非晶结构转变为纳米 晶非晶镶嵌结构，然后随着铁掺杂量的继续增加，转变为完全纳米晶结构。伴随着 样品的磁性从顺磁性转变为硬磁性。在f e 含量大于1 0a t 的样品的表面形貌图和相 山东大学博士论文 应区域的磁力图中，观测到了样品表面的晶粒结构图和黑白磁斑相邻的磁畴结构 图。样品的平均磁畴宽度要远大于样品平均晶粒尺寸，表明了样品中大量的相邻晶 粒在交换耦合作用下磁化方向一致排列，这是样品中存在交换耦合作用的直接实 验证据。分析了样品从顺磁性到硬磁性转变的原因。引入了描述纳米磁性颗粒相互 作用的“新随机各项异性模型”，很好的解释了样品磁性随f e 含量的变化。 2 、利用磁力显微镜观测了快淬法制备的p r y f e 9 0 y b l o ( y = 8 o 1 1 7 6 ) 纳米复合 永磁材料的微晶结构和磁畴结构，以及随p r 含量的变化样品表面形貌和磁畴结构 的变化情况。样品的平均磁畴宽度要远大于样品平均晶粒尺寸，表明了样品中大量 的相邻晶粒在交换耦合作用下磁化方向一致排列， 这是样品中存在交换耦合作用 的直接实验证据。随着p r 含量的变化，样品磁力图中磁畴宽度和黑白反差明显变 化，其位相方均根粗糙度值( r m s ) d 6 随着p r 含量的增加先减小后增加，当p r 含量 为y = 9 5 时达到最大值，随后随p r 含量继续增加逐步减小。这一变化趋势与样品 的剩磁b r 随p r 含量的变化定性一致。当p r 含量从y = 8 增加到9 5 时，样品剩磁 b r 的增加可能是因为两个原因导致的：一是亚稳相p r 2 f e 2 3 8 3 和f e 3 b 的减少；二是 交换耦合作用的增强。样品矫顽力随着p r 含量的增加而增加，我们推测可能是由 于p r 2 f e l 4 b 相的增加，低p r 含量样品中的晶粒尺寸分布不均匀也是可能的原因之 一o 3 、利用磁力显微镜和微磁学模拟相结合的方法研究t l a o7 s r o3 f e l i8 c o o2 0 1 9 烧 结永磁铁氧体的微晶结构和相应的磁畴结构，发现：样品中的颗粒多数呈不规则的 扁圆柱形而不是我们通常认为的不规则球形，在球磨的时候，大的颗粒倾向于首先 沿垂直于c 轴的氧离子层分裂，从而导致了大量的扁平颗粒的产生，而这对于提高 产品的磁性能是非常不利的。这一发现以前尚未见报道。样品中颗粒的磁畴结构为 单畴或简单的多畴结构。为了提高产品的磁性能，需要改进生产工艺，提高球形颗 粒的比例，减少扁平颗粒的比例，同时，颗粒的大小应略微小于单畴临界尺寸。 4 、定性的模拟了给定磁化方向的直径5 0 0n m 的球形相邻磁性颗粒在各种情况 下的磁力图形，分析了抬针高度和探针磁化方向对磁力图的影响。对我们加深对磁 力显微镜成像机理的理解，正确分析颗粒材料的磁力图提供了帮助，同时也为以后 正确分析相似情形的磁力图提供了有益参考。 n 山东大学博士论文 5 、用微磁学模拟的方法研究了亚微米软磁圆盘的磁畴结构在磁场下的变化。 发现，在存在一个恒定的水平磁场分量( 其值小于从旋涡结构向单畴结构转变的临 界磁场，此时旋涡中心处在圆盘边缘) 的情况下，其旋涡中心垂直开关磁场仍然远 大于水平临界磁场值，比没有水平磁场分量时的垂直开关磁场值略小。研究了垂直 开关磁场与水平磁场分量的关系，并分析了其与软磁圆盘的直径和厚度的关系，发 现：旋涡中心垂直开关磁场和水平临界磁场值与软磁圆盘直径关系不大，而跟圆盘 厚度有很大关系：在倾斜磁场下，其水平临界磁场值和旋涡中，i i , 垂直开关磁场只分 别与倾斜磁场的水平分量和垂直分量有关，跟倾斜角度和总磁场值关系不大。在倾 斜磁场下，当磁场从最大降为零之前( 1 0 m t ) ，样品磁结构从单畴转变为旋涡结构， 其旋涡中心方向沿磁场方向排列。通过在形状不对称的软磁圆盘样品上施加与圆盘 平面成一定角度的倾斜磁场，可以实现对旋涡中心方向和旋涡手性( 顺时针或逆时 针) 的控制。 6 、对超高分辨磁敏感成像技术进行了初步的探索。针对自旋极化扫描隧道显 微镜很难将形貌信息和磁信息正确分离的特点，通过将原予力显微技术和自旋极化 扫描隧道显微技术结合，初步提出了一种超高分辨磁敏感成像技术的原理，即：扫 描探针采用弹性的导电微悬臂和磁性针尖，在扫描时，通过保持其针尖一原子间的 力恒定来保持针尖一样品距离恒定，从而获得形貌信息，并使非自旋极化隧道电流 部分保持不变，而自旋极化隧道电流部分随样品表面磁性变化而变化，测量总隧道 电流的变化，从而实现磁敏感成像。我们还初步讨论了其运行模式。对探针需要满 足的条件和一些其它因素也进行了初步的探索。 7 、首次利用真空热蒸发的方法制备了“l c m o a l q 3 c o ”有机自旋阀器件，并 研究了自旋极化载流子在有机半导体中的注入、输运和探测。在3 0 k 的温度下观 察到了约5 0 的巨磁电阻效应，这也是目前有机半导体自旋阀中观察到的最大的 g m r 效应。讨论了其具有较大磁电阻效应的原因，研究了磁电阻效应随温度的变 化，分析了影响其温度变化的几个因素。为实现室温下高效率自旋注入有机半导体 提供了参考。 关键词：磁力显微镜，自旋注入半导体，微磁学模拟 i i i 山东大学博士论文 a b s t r a c t m a g n e t i cm a t e r i a l sh a v e b e e ne m p l o y e di nat r u l yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n ss u c h a se l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ，c o m p u t e rs c i e n c e ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n d s p i n t r o n i c sa r i s e ni nr e c e n ty e a r s t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n sr e q u i r e sm a t e r i a l s w i t hh i g h e rp e r f o r m a n c e ，w h i c hi nt u ma c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i s m a n dm a g n e t i cm a t e r i a lr e s e a r c h a si sw e l lk n o w n ，t h ep e r f o r m a n c eo fm a g n e t i c m a t e r i a l si st i g h t l yr e l a t e dt ot h e i rc r y s t a l l i n ea n dm a g n e t i cm i c r o s t r u c t u r e s t h e r e f o r e ， i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi n v e s t i g a t et h e i rc r y s t a l l i n ea n dm a g n e t i cm i c r o s t r u c t u r e s a n dt h e i rc o r r e l a t i o nw i t hm a t e r i a lp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，m a g n e t i cd o m a i n r e s e a r c hi sa l s oh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h e i rm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lb e h a v i o ra n d c o e r c i v i t ym e c h a n i s m ，s e q u e n t i a l l y a m e l i o r a t et h e i rm a n u f a c t u r et e c h n i c sa n d i m p r o v et h e i rp e r f o r m a n c e a m o n g a l l m a g n e t i cs e n s i t i v ei m a g i n gt e c h n i q u e s ， m a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p e ( m f m ) i sav e r yp o w e r f u li n s t r u m e n tt oi n v e s t i g a t et h e c r y s t a l l i n ea n dm a g n e t i cm i c r o s t r u c t u r e so fm a g n e t i cm a t e r i a l sd u et oi t sh i g hl a t e r a l r e s o l u t i o n ( 1 0 5 0n m ) ，l o ws a m p l ep r e p a r a t i o nq u a l i t yr e q u i r e m e n t ，s i m p l eo p e r a t i o n ， a n dw i d er a n g eo fm a t e r i a l sa p p l i c a b l e f u r t h e r m o r e ，i tc a nc a p t u r et h ec r y s t a l l i n e m i c r o s t r u c t u r e i m a g e s a n d c o r r e s p o n d i n gm a g n e t i c m i c r o s t r u c t u r e i m a g e s s i m u l t a n e o u s l y t h e s ea d v a n t a g e sm a k em f m t h em o s tw i d e l yu s e dm a g n e t i cd o m a i n o b s e r v a t i o nt e c h n i q u es o o na t l e ri t si n v e n t i o n i nt h i st h e s i s ，c r y s t a l l i n ea n dm a g n e t i cm i c r o s t r u c t u r e so ft h r e es e r i e so fm a g n e t i c m a t e r i a l sn a m e d p r y f e 9 0 y b t 0 ( y = 8 0 1 1 7 6 ) ，p r 6 0 a l l o n i l o c u 2 0 - x f e x ( o _ x 2 0 ) a n d l a o7 s r o3 f e l l8 c o o2 0 1 9 ( a t ) a r ei n v e s t i g a t e du s i n gm f m t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e i rc r y s t a l l i n ea n dm a g n e t i cm i c r o s t r u c t u r e sa n dt h e i rm a g n e t i cp e r f o r m a n c ei s d e t a i l e d l yd i s c u s s e da n dt h e i rc o e r c i v i t ym e c h a n i s m sa r ea l s oa n a l y z e d t of u r t h e r u n d e r s t a n dt h ei m a g i n gp r i n c i p l eo fm f ma n dp r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rm f m i m a g ea n a l y s i so fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o no fm f mi m a g e sa n d d o m a i ns t r u c t u r eo fs u b - m i c r o nm a g n e t si sa l s op e r f o r m e d b e s i d e s ，e x p l o r ef o rn e w m a g n e t i cs e n s i t i v ei m a g i n gt e c h n o l o g yw i t hu l t r a - h i g hr e s o l u t i o nh a sa l s ob e e nt r i e d a tl a s t ，t h ei n j e c t i o n ，t r a n s p o r ta n dd e t e c t i o no fs p i nd e p e n d e n tc a r r i e r si no r g a n i c i v 山东_ 人学博二f ：论文 s e m i c o n d u c t o r sa r ei n v e s t i g a t e da tl o wt e m p e r a t u r e ，a n dal a r g eg m re f f e c ti s o b s e r v e d t h ed e t a i l e dc o n t e n ta n dm a i nr e s u l t sa r eg i v e nb e l o w ： 1 t h ec r y s t a l l i n ea n dm a g n e t i cm i c r o s t m c t u r e so f m e l t s p u np r y f e 9 0 一y b i o ( y = 8 11 7 6 ) n a n o c o m p o s i t er i b b o n sh a v eb e e ns t u d i e db ym f m t h ee x i s t e n c eo fe x c h a n g e c o u p l i n gb e t w e e nt h ec r y s t a l l i n eg r a i n sh a sb e e nc o n f i r m e db yt h em f mi m a g e s t h eb ，i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp rc o n c e n t r a t i o nf r o m8t o9 5a t i sl i k e l yt h e c o n s e q u e n c eo ft w oc a u s e s ：t h ed e c r e a s ei nt h ev o l u m ef r a c t i o no fm e t a s t a b l e p 。2 f 。2 3 8 3a n df e 3 bp h a s e sa n dt h es t r o n g e re x c h a n g ec o u p l i n ge f f e c td u et ot h e f i n e rg r a i ns i z ea n dm o r eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fg r a i ns i z e w h e r e a s ，t h eb r d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp rc o n t e n tf r o m9 5t o1l7 6a t m a yr e s u l tf r o mt h e d e c r e a s ei nt h ev o l u m ef r a c t i o no fn - f ep h a s e t h eo p t i m a lp r o p e r t i e so fb r - 9 6 k g ，i 腹= 8 3k o ea n d 仍4 ) m “= 1 62m g o ea r ea c h i e v e di np r 95 f e 8 05 b l or i b b o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h el 鼠i n c r e a s e sw i t hp rc o n c e n t r a t i o na r i s e s ，p r e s u m a b l y ， f r o mt h ei n c r e a s ei nt h ev o l u m ef r a c t i o no fp r 2 f e l 4 bp h a s ea n dn o n u n i f o r m d i s t r i b u t i o no fg r a i ns i z ee s p e c i a l l ya tt h er i b b o n sw i t hl o w e rp rc o n c e n t r a t i o n ( y 8 5 ) t h ev a l u eo f ( r m s ) 蛳o ft h em a g n e t i cf o r c ei m a g e sc o u l db o t hr e f l e c tt h e s t r e n g t ho fe x c h a n g ec o u p l i n ga n dd e s c r i b et h ev a r i a t i o no fb rq u a l i t a t i v e l y 2 t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cm i c r o s t r u c t u r eo f t h ep r 6 0 a l l o n i l o c u 2 0 x f e x ( 0 x 一 o 1 m m ) 3 磁畴或磁微结构分析 描述样品磁微结构，磁畴和磁畴边界的形状和详细空间分布( 1 - 1 0 0 0 p m ) 2 馓磁分析 以经典磁化矢量场的连续理论描述磁畴壁的内在结构及其次结构( 1 1 0 0 0 n m ) 1 原子级理论 描述基本磁矩的起源、相互作用、相互排列和热力学统计( 0 k i + k z 0 0 = 0 0 易轴 0 k i 一眨 0 = 9 0 。 易面 或k l 0 ，- k i q 局 0 0 w = 4 5 0 1 1 0 0 = 0 0 易轴 k f + ( k 2 + - k g 0k 3 0w = 0 。【1 0 0 】 0 k i 0 w = 0 0 【1 0 0 0 = 9 0 。易面 蜀 0 ，- k l 2 + - k 3 )k 3 0w = 4 5 。 1 1 0 】 0 一局 1 0 0o c ) 和较低( - 9 0o c ) 温度下使用；第四，很难 观察磁畴随外磁场的快速变化：第五，样品要受污染；最后，不能观察各项异性 较低的样品。 1 3 2 磁光效应( m a g n e t o o p t i c a le f f e c t ) 法1 6 ，2 2 ，2 3 ，2 5 ，3 7 利用磁光效应来观察磁畴的方法可分为两种：克尔效应和法拉第效应。克尔 效应3 8 是指平面偏振光照射到磁性物质表面上而产生反射时，偏振面发生旋转的 现象。由于旋转方向取决于磁畴中磁化矢量的方向，旋转角与磁化矢量成正比， 因此可以利用这一效应观察不透明磁体的表面磁畴结构。法拉第效应3 9 是指平面 偏振光透过磁性物质时，偏振面发生旋转的现象，同样由于旋转的方向和大小与 磁畴中的磁化矢量的方向和强度有关，因此可以用它观察半透明磁性物质内部的 磁畴结构。利用磁光效应法有以下优点：一、不受温度的限制；二、对于k 及k o 山东大学博：卜论文 值较小的材料( 如坡莫合余) ，畴壁较厚，畴与畴壁的界限不明显，表面散磁场 小，磁光效应可以很好的观测；三、磁光效应法可以观察磁畴的动态变化。如配 以高速摄影装置，可以显示出数量级为1 微秒的磁化及反磁化过程。缺点是制样 要求高，另外由于相邻磁畴上反射的光，偏振面相差很小，这就要求高质量的起 偏器和检偏器。目前主要应用的磁光效应法包括克尔和法拉第效应偏光显微镜 ( k e r ra n df a r a d a ye f f e c tp o l a r i z i n gm i c r o s c o p y ) 和克尔和法拉第近场光学显微镜 ( k e r ra n df a r a d a yn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y ) 克尔和法拉第效应偏光显微镜的磁畴成像技术利用的是磁光效应。作为一种 光学方法，其空间分辨率受光波衍射的限制，一般大于0 2 5u m ，在观测过程中 较容易加外磁场。 克尔和法拉第近场光学显微镜是扫描近场光学显微镜的一个分支，它也是利 用克尔效应和法拉第效应对磁畴进行观测。但是常规的光学技术由于光波的衍射 作用使其空间分辨率受到光波波长九的限制，克尔和法拉第近场光学显微镜利用 小于光波的近场光可以使克尔偏光显微镜的分辨率超过光波波长的限制。利用法 拉第效应( 透射) ，近场光学显微镜可以探测透明样品的6 0n n 的磁畴。用直径 是3 0n m 的a g 粒子，在表面等离子共振频率附近光激发做为近场探针，不透明 的样品的磁畴可以利用克尔效应探测，横向分辨率可以达到2 0 5 0n r n 。在观测过 程中可以加外磁场。 1 3 3 透射电子显微镜方法( t e m ) 2 2 , 2 3 , 2 5 , 4 0 透射电子显微镜方法是利用电子束穿透磁性薄膜或从铁磁样品表面反射时， 电子受到洛仑兹力( ，_ e v b ) 的作用发生偏转的原理，用不同的探测方法来探 测垂直于电子轨迹的电子密度，形成反映磁畴结构的图像的一系列方法。这种方 法的优点是分辨率高，可以研究磁畴的精细结构，同时也可以在不同的温度和外 场下进行观测。缺点是设备昂贵而且操作技术比较复杂，样品的制备也很复杂。 透射电子显微镜方法包括洛仑兹显微镜( l o r e n t zm i c r o s c o p y ) 4 1 ，相位积分显微镜 ( d i f f e r e n t i a lp h a s em i c r o s c o p y ) “，电子全息术( e l e c t r o nh o l o g r a p h y ) ”。 山东大学博士论文 洛仑兹电镜是通过f o u c a u l t 和f r e s n e l 模式探测电子衍射图得到样品的磁 畴，薄膜中的畴壁以及精细微磁结构的主要信息。可有反射式、透射式、扫描式 多种方式。这种方法的优点是分辨率高，能用来研究诸如自发磁化强度分布等精 细的微磁结构。同时还可在不同的温度和外磁场下进行直接观察。但整个设备昂 贵而且操作技术比较复杂。对于反射式洛仑兹电镜，可以观测块状样品，空间分 辨率为1p m 。透射式洛仑兹电镜的空间分辨率为0 0 ll a m ，它要求样品的厚度一 般不能超过3 0 0n l r l ，即对于透射电子而言是透明的，对于块状样品必须进行减 薄，此时静磁能和磁弹性能对磁畴结构都有较大的影响。 相位积分显微镜是在显微镜的衍射平面，用特定的一分为二的探测器将衍射 图转变成两组电信号，则这两组电信号之间的差别正比于电子束的磁偏转，从而 得到样品表面的磁信息。这种方法的优点在于，分辨率高，可以得到样品面内磁 力线的定量分布。 电子全息术方法是由参考电子束和散射电子束之间的相干散射得到的全息 图，然后用m a c h z e h n d e r 型光干涉仪，把磁性相图从全息图中重构出来的方法。 这种方法可以直接测量磁场的大小，间接测量磁矩的大小和方向，空间分辨率可 以到5 - 7 n m 。通过特定的物镜，可以观察样品在外磁场下的变化情况。 1 3 4 电子反射或散射方法2 2 , 2 5 , 4 4 , 4 5 电子束与磁性样品表面作用后，由于低能二次电子对样品表面散磁场十分敏 感，且其极化状态与样品磁化方向有关，而高能背散射电子主要受样品内部的磁 化状态影响，因此通过分析二次电子和背散射电子，可以得到样品的磁畴图像。 电子反射或散射方法包括普通扫描电子显微镜( 二次电子型和背散射型) 和自旋 极化扫描电子显微镜( s e m p a ) 。 二次电子型普通扫描电子显微镜( s e c o n d a r ys e m ) 4 6 是通过分析磁性样品 散射的低能二次电子在样品表面散磁场下的偏转，得到样品表面磁畴。其二次电 子与散磁场间存在定量联系。背散射型普通扫描电子显微镜( b a c k s c a a s e m ) “ 是通过分析经过磁性样品的高能背散射电子，直接得到样品表面磁化状态。它对 样品表面状况不敏感使得它适合工业应用。普通扫描电子显微镜的分辨率只有 山东r 人学博士论文 1 p m 左右，且结构复杂，信噪比较低，优点是可以透过表面非磁性层观察样品的 表面磁畴，并且在一定程度上可以看到样品内部磁畴分布。 自旋极化扫描电子显微镜4 8 是通过分析经电子束激发的磁性样品散射的二 次电子自旋极化状态的变化，直接得到样品观测区域的磁化状态和磁化强度的大 小。通过测量二次电子的强度和自旋状态，样品的表面形貌也可同时得到，且与 磁力图无关。另外，二次电子的平均自由程较短，因此，s e m p a 只对样品表面 几个原子层敏感，它的分辨率可达1 0n l n ，经过特制的s e m p a 可达到5n m 分辨。 它的主要不足是结构复杂，信噪比较低，且对样品表面质量要求很高。一般需要 非常干净的表面以及测试过程需在超高真空下进行。 1 3 5 微扫描技术2 2 , 2 5 , 4 9 , 5 0 , 5 1 , 5 2 扫描隧道显微镜是上世纪八十年代的伟大发明，它使得观察原子成为可能。 随后而出现的扫描探针显微镜家族，几乎可以探测各种相互作用，而且具有高的 分辨率，在观测磁畴方面也不例外，其主要的观察磁畴的技术有磁力显微镜 ( m f m ) ”，自旋极化扫描隧道显微镜( s p i n p o l a r i z e ds c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p y ) 5 0 和扫描近场光学显微镜( n e a r f i e l do p t i c a ls c a n n i n gm i c r o s c o p y ) 5 1 o m f m 是通过磁性针尖和样品表面的杂散场发生相互作用，给出表面磁畴， 精细畴结构，畴壁及其微结构的信息，用m f m 可以同时得到磁性材料的表面形 貌图和磁力图，且不破坏样品，分辨率高，一般情况下，样品不需要特别制备， 这使得m f m 一出现就成为为磁学和磁性材料研究广泛应用的一个有力工具。 自旋极化扫描隧道显微镜( s p s t m ) 主要是利用针尖来提供自旋极化电子源 探测表面原子的自旋偏振。与s t m 的原理类似，不同之处是s p s t m 探测到的 是自旋极化的隧道电流，极化电流的大小决定于表面原子与针尖原予的自旋取向 关系，如果平行则增强，反平行则减弱。s p s t m 采用两种不同的针尖提供自旋 极化电子源：磁性材料针尖和光照i i i v 族半导体针尖”。其中前一种已经取得了 许多重要的进展。不足之处是样品的磁信号和形貌信号不好分离，对样品表面的 清洁度要求较高，需要超高真空系统。s p s t m 很可能会成为将来最理想的纳米 磁结构的测量工具。 山东大学博士论文 扫描近场光学显微镜是传统光学显微术与新兴高分辨扫描探针显微术相结 合的产物，它使用具有小于半波长孔径的光学微探针，利用近场探测原理在物体 表面扫描，其分辨率突破光学衍射极限，最高达到1 0n l t l ，在光学，表面科学和 纳米材料等领域有广泛应用，具体有反射式和投射式。目前通过利用磁光效应， 己使扫描近场光学显微镜能够应用于磁畴观察，但是目前分辨率还不高，也只能 应用于少数材料。 1 3 6x 射线，中子和其它技术1 8 , 2 2 , 2 3 , 2 5 , 5 3 , 5 4 x 射线技术是利用相邻磁场中磁致伸缩应变的不同的原理，通过测定因晶格 间距变化造成的布拉格反射角变化来确定磁畴结构。这种方法的优点是分辨率 高，在观察磁畴结构的同时能够观察到晶体的位错和其他晶体缺陷，特别有利于 研究晶体缺陷与畴结构的相互关系。此外，此技术的最大优点是可以研究反铁磁 体的磁畴。 由于热中子与x 射线具有相同的波长范围，原则上利用x 射线观测的晶格 形变，利用中子也能观察。利用极化中子的自旋相互作用，可以确定材料的磁畴 结构，但是目前为止分辨率还相当低。 扫描超导量子干涉显微镜( s c a n n i n gs u p e r c o n d u c t i n gq u a n t t u ni n t e r f e r e n c e d e v i c em i c r o s c o p e ) 超导量子干涉仪( s q u i d ) 是目前探测磁通量的最灵敏的装 置，扫描s q u i d 显微镜就是用s q u i d 做为探测器来扫描样品表面的磁结构。对 于1 0 “m 的s q u i d 探测回路，可以探测到样品表面几十g t g ，1 0 0 0 “b 的磁场。 在扫描过程中，需要把一个小的s q u i d 放得离样品越近越好，扫描s q u i d 显微 镜的空间分辨率就受s q u i d 回路的尺寸限制。同时s q u i d 需要在低温下工作， 这样低温杜瓦的厚度也会影响空间分辨率。一般的扫描s q u i d 显微镜空间分辨 率为l o 一8 0 岬。如果把样品和s q u i d 同时放在低温杜瓦中工作，分辨率可以到 4p m 。 1 3 7 磁畴观测方法的综合比较2 2 表1 - 4 至1 - 6 分别列出了几种观测磁畴方法的空间分辨率、采图时间、探测 山东大学博士论文 深度。其中采图时间决定观察磁畴动态变化的能力。表l 一7 给出了他们对样品磁 化强度微小变化的敏感程度，对磁畴的测定( 直接或间接) ，允许施加的磁场范 围，样品制备质量要求，和仪器设备需要资金的综合比较。 表卜4 儿种观察磁畴方法空间分辨率的综合比较 嗣磁力显微镜 i l lx 凰x 射线谱显微术 瞳极化扫描电子显微镜_ 普通扫描电子显微镜 寓散焦透射电子显微镜 一相位积分和全息透訾镜 圈王垄麴水 田磁光 圉粉纹技术 l on m1 0 0n n l lm n 1 0g m 空间分辨率 表1 5 儿种观察磁畴方法采图时间的综合比较 山东大学博士论文 表i - 6 几种观察磁畴方法探测深度的综合比较 表1 7 几种观察磁畴方法对样品磁化强度微小变化的敏感程度，对磁畴的测定( 直接 或间接) ，允许施加的磁场范围，样品制各质量要求，和仪器设备需要资金的综合比较。 观察磁畴对磁化强度微小对磁化矢允许施加磁样品制各仪器设备 的方法变化的敏感程度量的测定场范围质量要求需要资金 粉纹法很高间接 1 0 0 a c m 中一低低 磁光方法较高直接任意高 由 数字式磁高定量任意中高 光 散焦t e m很高间接 3 0 0 0a e r a 高高 相位积分高定量 1 0 0 0a c m 高很高 删 全息t e m 高 定量1 0 0 c m很高很高 二次电子低间接 1 0 0 a c m 低高 s e m 山东大学博：l ：论文 一 背散射 低 相对直接 3 0 0 a c m 中一低局 s e m 一 极化s e m局定量 1 0 0 a c m 很高很高 x 射线低间接任意中极高 中子技术低间接任意低极高 m f m高 间接 3 0 0 0a c m 低中 以上这些观察磁畴的方法，在解决不同的磁学问题中，都有其独特的优势， 都有研究者在使用。需要在不同的问题中，选择合适的方法。 磁力显微镜是一个探测样品表面磁场的强有力的工具，它一经发现，就成为 使用最广泛的观测磁畴的工具。这是因为它具有独特的优势，m f m 具有高的空 间分辨率( 1 0 - 5 0n m ) ，一般不需要特殊的样品制备，并可以测量不透明及有非磁 覆盖层的样品，可以在任意的环境中工作。它的操作比较简单，采图任意，可旌 加磁场范围也较大，设备费用适中，适用的磁性材料的范围很广，特别适用于磁 记录材料和永磁材料的研究。 当然，m f m 也有不足之处。对于磁力显微镜而言，只有当表面的粗糙度小 于磁畴大小时才可以得到较好的图象。由于m f m 测量的是样品表面的散磁场， 所以在对磁力图解释时也必须十分慎重。我们知道，对于一个假定的样品磁畴结 构，我们可以计算出样品的杂散场，但是反过来如果我们知道样品的杂散场，想 计算出样品的磁畴结构却是很困难的，即样品的磁畴结构不能由样品的杂散场唯 一确定。因此，深厚的磁学基础，丰富的实际经验对于根据磁力图分析磁畴结构 是十分重要的。 山东大学博士论文 1 4 磁力显微镜 1 4 1 磁力显微镜的发展2 5 , 5 5 1 9 8 2 年瑞士的i b m 苏黎士实验室的b i n n i g 、r o h r e r 和他们的合作者发明 了世界上的第一台扫描隧道显微镜( s t m ) 5 6 ,作为一种新型的表面分析技术， s t m 的出现使得直接获取实空间原予级分辨的表面形貌成为可能。由此，发明 者被授予1 9 8 6 年的诺贝尔物理奖。 s t m 是基于量子力学中隧道效应设计制造的。当金属针尖接近导电样品的 表面时( 针尖- 样品间距小于1 0a ) ，在适当施加偏压的情况下，针尖原子与样 品原子之间会产生隧道电流，电流的大小对针尖和样品间距十分敏感，针尖和样 品间距每增大约1a ，电流就会减小一个数量级。通过压电陶瓷和反馈回路系统 控制针尖在一定的模式下扫描，可以得到反映样品表面结构和电子态密度信息的 形貌图。由于电流与针尖样品的间距呈指数关系变化，因而纵向精度可以小于 0 ia ，横向扫描精度也能达到1a 左右。 s t m 本身也是一种灵巧而方便的工具，它的原理简单，结构精细，同其它 手段相比，对样品的尺度的限制非常小，空间分辨率高，可在真空、大气、甚至 溶液等多种环境中变温工作。诸多优点使得s t m 很快被广泛应用于物理学、化 学、生物学、电子学等研究领域，并在此基础上，逐渐形成了扫描探针显微镜 ( s p m ) 家族，包括扫描近场光学显微镜s n o m ( 1 9 8 2 年) 5 7 扫描电容显微镜 s c m ( 1 9 8 4 1 z )