[科普中国]-磁力显微镜

磁力显微镜（Magnetic force microscope.MFM）是一种原子力显微镜，通过磁性探针扫描磁性样品，检测探针和磁性样品表面的相互作用以重构样品表面的磁性结构。很多种类的磁性相互作用可以通过磁力显微镜测量，包括磁偶相互作用。磁力显微镜扫描经常使用非接触式的模式。

简介在磁力显微镜的测量中，样品和探针之间的磁力可表述为

其中是探针的磁矩，是样品表面杂散磁场的磁，µ0是自由空间的磁导率。

由于样本的杂散磁场可以影响探针的磁性状态，而探针的磁场也影响样本，磁力显微镜测量的解释并不是简单。例如，磁化探针的几何形状必须确定以便做定量分析。

典型的分辨率可以达到30nm ,尽管10到20nm 也可以实现。1

重要日期磁力显微镜的发展基于以下发明的推动:2

1982 -扫描隧道显微镜(STM)

探针和样品之间的隧道电流被用作信号。

探针和样品必须都是导体。

1986 -原子力显微镜(AFM)

探针和样品之间的力 (原子/静电) 可以通过一个灵敏的杠杆（悬臂）的偏转检测。

悬臂探针通常悬挂在样品相距几十纳米的上方。

1987 - 磁力显微镜 (MFM)

源于原子力显微镜。探针和样品之间的磁力可以测量。

杂散磁场的图像可以通过磁化探针在样品表面进行的光栅扫描获得。

磁力显微镜结构磁力显微镜的主要结构:压电扫描仪

在x,y和z方向上移动样品。

通过不同方向上的电极施加电压。通常，每1到10nm1伏特。

图像通过在样品表面进行缓慢的光栅扫描得以形成。

扫描区域从几个到200微米。

成像时间从几分钟到30分钟。

根据悬臂材料的不同，悬臂恢复力常数从0.01到100N/m。

磁性探针在灵敏的杠杆（悬臂）的一端，通常是涂油磁性材料的AFM探针。

在过去，探针通过蚀刻镍之类的磁性材料获得。

现在, 探针（探针悬臂）通过结合微加工和光刻技术来制造。因此，更小的探针得以制造，并且具有更好的操控性。

悬臂可以由单晶硅，二氧化硅(SiO2), 或氮化硅(Si3N4)制造。 氮化硅悬臂探针模块通常更耐用，并且有更小的恢复力常数 (k)。3

探针被一层很薄（

探针悬臂模块由共振频率相近的压电晶体以通常10K赫兹到1M赫兹的频率驱动。

扫描过程磁力显微镜的扫描方法被称为“提升高度”法。当探针以小距离（

首先，各条扫描线测量生成剖面。探针的测的的是样品接近于AFM测量的结果。

提升磁性探针高度，离样品更远一些。

重复测量, 从中提取出磁性信号。

扫描探针产品扫描探针显微镜(SPM)不仅可以获得样品的表面形貌，借助特殊的探针和检测技术，还可用以分析与作用力相关的样品表面性质。CSPM5500磁力显微镜(MFM)可以检测样品表面的磁畴分布，用于各种磁性材料的分析和测试；CSPM5500静电力显微镜(EFM)可以检测样品的表面电势、电场分布、薄膜的介电常数和沉积电荷等信息。

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学