多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统

多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统

——眼见为实:让磁学测试可视化!


致真精密仪器(青岛)有限公司生产的多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统,以自主设计的光路结构及奥林巴斯、索莱博光电元件为基础制造,适用于磁性材料/ 自旋电子器件的磁畴成像和动力学研究。


★  多功能探针台,能够提供面内、垂直磁场及多对直流/ 高频探针- 磁光成像与自旋输运测试完美结合!

  最大1.8T 垂直磁场,1 T 面内磁场,4K-800K 变温,可用于硬磁材料成像研究。


多功能控制系统


测试信号控制

- 垂直/ 面内磁场/ 电流/ 微波等多路信号 μs 级别同步施加;

- 各信号的波形、幅度、频率、相对延时等参数轻松调节。


图像处理

- 实时作差消背底噪声;

- 自动纠正震动漂移等。


信号解析

- 电流、磁场测试信号的实时显示;

- 基于克尔图像分析,对样品局域 (300 nm) 或全局做磁滞回线扫描。


undefined



磁场探针台


面内磁场

  最大1 T,反应速度50 ms,精确度0.1 mT。


三路垂直磁铁任意切换

  磁场1:最大1.8 T,反应速度50 ms,精确度0.1 mT;

  磁场2:最大30 mT,反应速度50 μs,精确度0.01 mT;

  磁场3:最大50 mT,反应速度1 μs, 精确度0.01 mT;

  最多可配置6 个直流/ 高频探针,配置10 V,20 MHz任意波形信号源。



成像效果


  克尔成像分辨率300 nm (100 倍物镜);

  最大视野:1.2 mm×1 mm (5 倍物镜);

  能检测2 个原子层薄膜的磁性变化。

undefined

CoFeB(1.3 nm)/W(0.2)/CoFeB(0.5) 薄膜中的迷宫畴


图像处理

  以任意图像为背底,实时作差消噪声;

  图像漂移校正,自动添加比例尺等功能。


CoFeB(20 nm) 薄膜中,

[ 面内磁场20mT] 驱动磁畴翻转


CoTb 亚铁磁微米线中SOT 驱动的磁性翻转

CoFeB/W/CoFeB

薄膜中的微米大小的磁泡


200 nm 宽的Ta/CoFeB/MgO 线中,

[120 mT, 5 μs] 磁场脉冲驱动畴壁移动


其他功能

  分析全局或者局部 (300 nm) 克尔图像,获得磁滞回线;

  磁滞回线的横轴可以为面内、垂直磁场或者电流等任意激励信号;

  可配置变温系统:4K-800K 温度可调;

  搭配ST-FMR,二次谐波等测试系统和软件;

  预留各种接口,可根据实验需求自主改装。


■  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。

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[1]


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。



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[2]


退磁状态下的薄膜材料的磁畴结构


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[3]


  



参考文献:

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

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

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




■  磁畴壁动力学研究


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。

10ms 力波磁场脉冲


4 μs 超快磁场脉冲


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[1-3]

undefined


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[1]


参考文献:

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

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

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




■  自旋输运性质测试+成像


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。


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[1]

微秒级精确同步的磁场和电流方波脉冲


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[2]

undefined



参考文献:

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

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



更多应用案例,请您致电 010-85120277/78/79/80 或写信至 info@qd-china.com 获取。



■  动态磁畴成像


图1 CoFeB薄膜动态磁畴


图2 SOT磁场+电流驱动磁畴翻转


图3 钕铁硼永磁动态磁畴观测


图4 磁性材料内钉扎点的观测,可与巴克豪森噪声同步匹配





■  检测磁性材料质量


MgO/Co/Pt 样品:

MgO 晶格错位导致的Co 薄膜缺陷。

在微小磁场作用下,缺陷周围即出现磁性翻转。


质量不好磁性薄膜,

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。






■  检测缺陷位置


缺陷处,磁畴壁运动变形,形成钉扎效。利用高分辨率物镜,可以直接观察缺陷位置(红圈)。





■  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]





■  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。如右图,由于偶极作用比各向异性占优势,样品出现自发退磁。


参考文献:

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


[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] N. Vernier et al., Appl. Phys. Lett. 104, 122404 (2014).

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

[8] Y. Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).


北京航空航天大学

清华大学

中国科学院物理研究所

北京工业大学


设备介绍




应用介绍


CoFeB磁畴观测


NdFeB永磁磁畴观测


钉扎点观察


SOT+电流磁畴翻转