磁信号太弱、目标太小怎么办？从"找不到"到"看得清"，看AFM/SEM/EDS 三合一显微镜如何破局

发布日期：2026-09-10

磁存储、自旋电子学、人工自旋冰、磁斯格明子和稀土永磁材料等领域的快速发展，正持续推动磁学表征技术向更小的尺度延伸。磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy，MFM）能够在不破坏样品的情况下观测磁畴及局域杂散场分布，已成为磁性材料与器件研究的重要表征手段。

然而在实际测量中，传统MFM技术始终面临三个技术挑战：微弱磁信号容易受到环境噪声影响；传统磁性镀层探针会扩大磁相互作用范围，降低空间分辨率；微纳结构尺寸很小，目标区域难以准确定位。

针对上述难题，QuantumDesign研发推出AFM/SEM/EDS 三合一显微镜FusionScope，为纳米尺度磁性表征提供了全新解决方案。设备将高真空AFM/MFM、FEBID（聚焦电子束诱导沉积）纳米磁探针与SEM导航集成于同一平台，样品无需在多台仪器之间转移，也不用切换多套操作系统，可在同一交互界面、同一样品位置上完成二维 / 三维表面形貌成像、力学性能测试、电学表征以及磁学 MFM 测量等多维度互补分析；依托原位 SEM 视野，配合多功能 MFM 探针，完成纳米尺度下的磁力显微表征，构建起从目标区域定位、表面形貌采集到纳米磁信号成像的一体化完整工作流程。

AFM/SEM/EDS 三合一显微镜FusionScope

MFM如何观察磁畴？

MFM通常采用Lift Mode双遍扫描。第一遍扫描记录样品表面形貌；第二遍将探针抬升至设定高度，复刻第一遍扫描的形貌轨迹开展扫描，以降低短程表面作用力的影响，重点检测探针与样品之间的长程磁相互作用。因此，MFM图像质量不仅取决于针尖半径，还与磁性材料分布、Lift Distance、悬臂品质因数、系统噪声及目标定位精度密切相关。

高空间分辨率，不只是更小的针尖

传统MFM探针通常在针尖和悬臂表面覆盖磁性镀层。除了针尖之外，悬臂上的磁性材料也可能与样品发生磁相互作用，扩大有效感应区域，造成不同位置的磁信号叠加，从而降低空间分辨率。

FusionScope采用FEBID技术制造三维纳米磁探针：

• 采用Fe或CoFe磁性材料；

• 针尖半径约为10 nm；

• 仅FEBID针尖附近具有磁性；

• 悬臂本体无需整体覆盖磁性镀层；

• 减少非局域磁相互作用；

• 更集中地检测针尖下方的局部磁信号。

这一局域化设计有助于分辨细小磁畴、复杂磁畴边界及微纳结构中的局域杂散场。

更小Lift Distance，带来更高空间分辨率

MFM信号会随着探针—样品距离增加而快速衰减：

Lift Distance越大，磁信号越弱，磁相互作用的横向范围也越大。FusionScope的FEBID探针仅在针尖附近具有磁性，减少了悬臂磁性镀层与样品之间的额外磁相互作用，因此可以在较小的Lift Distance下工作。

更小的探针—样品距离意味着：

• 更强的局域磁场梯度响应；

• 更少的相邻磁信号混叠；

• 更加清晰的磁畴边界；

• 更高的横向空间分辨率。

高空间分辨率与信噪比如何兼顾？

缩小磁性针尖能够提高局域空间分辨率，但随着磁性材料体积减小，针尖磁矩也可能降低。因此，在使用相同磁性材料的条件下，小尺寸FEBID探针的原始信号强度及信噪比可能略低。

FusionScope通过高真空环境与测量参数优化改善这一问题。在高真空环境中，空气阻尼降低，悬臂品质因数Q值提高。系统噪声与Q值的关系可概括表示为：

Q值越高，系统噪声越低。MFM信噪比则与局域磁力梯度和系统噪声有关：

相关测试中，与空气环境相比，高真空条件下的MFM相位对比度由约0.19°提高至约0.28°，提升约50%。针对磁性较弱的样品，还可以通过降低扫描速度、优化Lift Distance、进行多次扫描和图像平均，进一步改善信噪比。

整套技术路径形成完整闭环：局域磁化、小曲率半径的FEBID针尖可以保障空间分辨率；更小Lift Distance强化近场磁信号响应，高真空环境降低系统噪声；配合扫描参数优化与图像平均补偿信号，实现高分辨与高信噪比同步达成。

FusionScope的工作流：SEM导航先找到，再测准

人工自旋冰、FIB图案和光刻器件等样品的目标区域通常只有数微米甚至更小，单纯依靠传统AFM光学系统很难快速定位。

FusionScope将SEM、AFM和MFM集成于同一平台。研究人员可以先利用SEM寻找目标，再将探针准确移动至指定区域，随后完成AFM形貌与MFM磁信号测量。Profile View侧视功能还可以实时观察探针与样品之间的相对位置，辅助精准下针，特别适合珍贵样品、微小器件及指定区域测量。

MFM多场景应用，覆盖纳米磁学前沿研究方向

1. CoPt标准及商业样品

通过CoPt标准样品和商业MFM样品测试，FusionScope获得了清晰、连续的迷宫状磁畴图像。此类样品可用于验证系统状态、比较探针性能、优化Lift Distance，并评价磁信号对比度及分辨能力。

2. 硬盘磁畴

硬盘等磁存储介质包含高密度磁记录结构，对探针尺寸和系统稳定性要求较高。FusionScope高真空MFM结合FEBID探针，可用于观察磁记录区域、磁道及局域缺陷，为磁存储介质研发和质量评价提供表征手段。

3. Co/Pt多层膜迷宫磁畴

Co/Pt多层膜具有典型的垂直磁各向异性，通常呈现连续的迷宫状磁畴。FusionScope可以清晰观察磁畴分布，同时实现表面形貌与磁信号的有效区分，适用于研究薄膜结构、退火条件及外场对磁畴的影响。

4. 人工自旋冰

人工自旋冰通常由大量NiFe磁性纳米棒构成。FusionScope利用SEM快速定位单根纳米棒或特定顶点结构，并在同一区域获得AFM形貌和MFM图像。测试结果显示纳米棒端部的局域杂散场梯度，为构型识别、缺陷分析及磁化翻转研究提供支持。

三种磁性纳米棒的SEM关联AFM形貌表征结果

铁镍纳米棒的极化磁性测量以及与AFM形貌的对应。

5. FIB图案化钴薄膜

FIB加工区域尺寸小，常规AFM定位较为困难。借助SEM导航，探针可以准确移动到目标位置。在图案化钴薄膜案例中，系统成功观察到十字形结构对应的磁信号，展示了微纳几何形状对局域磁畴组态的调控作用。

6. NdFeB永磁材料

FusionScope可以在不同Lift Distance下稳定获得NdFeB材料的磁畴图像，用于分析晶粒、晶界相和磁畴分布之间的关系，辅助研究矫顽力及磁反转机制。

7. 复杂3D自支撑立体结构

FEBID不仅可以制造MFM探针，也能直接制备二维或三维磁性纳米结构。借助SEM、AFM和MFM关联测量，可在同一平台上分析这类结构的几何形貌与磁学状态，适用于磁性纳米线、三维纳米磁结构及自旋电子器件研究。

从“找到目标”到“看清磁畴”

高质量MFM图像并非只取决于某一个参数，而是探针设计、测量环境、目标定位及扫描参数共同作用的结果。

FusionScope将局域磁性FEBID探针、更小Lift Distance、高真空低噪声环境与SEM精准导航相结合，在提高空间分辨率的同时兼顾信噪比和测量效率。

从磁性薄膜、人工自旋冰和硬盘磁记录结构，到稀土永磁材料及FIB、FEBID制备的磁性纳米结构，FusionScope为纳米磁学研究提供了一套更加直观、精准和高效的表征方案。

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