优化磁力显微镜分辨率和灵敏度，以可视化纳米级磁畴

摘要

磁力显微镜（MFM）采用垂直磁化原子力显微镜探头以纳米级分辨率测量样品形貌和局部磁场强度。优化MFM空间分辨率和灵敏度需要在降低提升高度与增加驱动（振荡）振幅之间取得平衡，并且受益于在惰性气氛手套箱中操作。

摘要

磁力显微镜（MFM）能够以纳米级分辨率绘制样品表面的局部磁场。为了执行MFM，将尖端垂直磁化（即垂直于探针悬臂）的原子力显微镜（AFM）探针在样品表面上方的固定高度振荡。然后跟踪和绘制振荡相位或频率的由此产生的偏移，这些偏移与每个像素位置的垂直磁力梯度的大小和符号成正比。尽管该技术的空间分辨率和灵敏度随着表面以上提升高度的降低而增加，但这种看似简单的改进MFM图像的途径因诸如由于较短范围的范德华力而最小化地形伪影，增加振荡幅度以进一步提高灵敏度以及表面污染物的存在（特别是由于环境条件下的湿度引起的水）而变得复杂。此外，由于探头磁偶极矩的方向，MFM本质上对具有面外磁化矢量的样品更敏感。本文报道了在惰性（氩气）气氛手套箱中获得的单组分和双组分纳米磁人工自旋冰（ASI）阵列的高分辨率形貌和磁性相位图像，其含量为<0.1 ppm O 2和H₂ O。讨论了提升高度和驱动幅度的优化，以实现高分辨率和灵敏度，同时避免引入地形伪影，并显示了从在ASI样品表面平面上对齐的纳米级条形磁铁（~250 nm长和<100 nm宽）两端发出的杂散磁场的检测。同样，以Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金（MSMA）为例，MFM在惰性气氛中得到证明，具有磁相位灵敏度，能够分辨一系列~200nm宽的相邻磁畴。

引言

磁力显微镜 （MFM） 是原子力显微镜 （AFM） 的扫描探针显微镜 （SPM） 衍生物，能够对磁化探针尖端在样品表面上方行进时所经历的相对较弱但长程的磁力进行成像¹，²，³，^4，5。AFM是一种无损表征技术，它在柔韧的悬臂末端使用纳米级尖端来绘制表面形貌⁶，并以纳米级分辨率测量材料（例如，机械，电气和磁性）特性⁷，^8，9。由于感兴趣的尖端 - 样品相互作用引起的悬臂偏转是通过激光从悬臂背面反射到位置敏感光电二极管¹⁰中来测量的。通过MFM对材料的局部磁性进行高分辨率成像，为表征纳米级新型材料、结构和器件中的磁场强度和取向提供了独特的机会⁴，⁵，^11，12，^13，14，15，^16，17.为了执行MFM，其尖端已垂直磁化（即垂直于探头悬臂和样品表面）的AFM探头在其自然共振频率下在样品表面上方的固定高度进行机械振荡。然后监测振荡幅度（不太敏感，因此不太常见）、频率或相位（此处描述）的结果变化，以定性测量磁场强度。更具体地说，调频MFM产生振荡频率或相位偏移图，与探头经历的磁力梯度的大小和符号成正比。为了在MFM测量期间保持样品上方的恒定高度，通常采用双通道操作模式。首先通过标准AFM技术绘制样品形貌，然后在用户确定的离样品表面的提升高度（数十至数百nm）处对每条连续扫描线进行交错MFM成像。采用这种交错双通道采集模式可以将用于绘制地形的短程尖端-样品范德华相互作用与交错提升模式通过期间经历的相对较长范围的磁力分开。然而，MFM空间分辨率随着提升高度¹⁸的降低而增加，因此在提高MFM分辨率和避免范德华力引起的地形伪影之间存在着内在的张力。同样，MFM灵敏度与提升模式通过期间的振荡幅度成正比，但最大允许振荡幅度受提升高度和样品形貌的快速变化（即高纵横比特征）的限制。

最近的研究强调了与纳米磁性和纳米磁力学应用相关的大量机会，通过人工自旋冰（ASI）结构和磁振子晶体开发，作为逻辑，计算，加密和数据存储的功能设备¹⁹，^20，21，22.人造自旋冰由以不同的扩展晶格形式排列的纳米磁体组成，表现出可以通过外部刺激控制的新兴磁偶极子或单极子¹⁹，^20，23，^24，25。一般来说，ASI倾向于最小化能量的矩配置（例如，在二维（2D）正方形ASI中，每个顶点有两个力矩，两个点），低能量微状态遵循类似于晶体自旋冰材料的规则²¹，²⁶，^27，28.同样，最近一项支持 MFM 的研究表明，一个三维 （3D） ASI 晶格系统由位于角共享四面体上的稀土自旋构建，其中两个自旋指向四面体的中心，两个自旋指向四面体的中心，导致两个相等且相反的磁偶极子，因此在四面体中心产生净零磁电荷²³.根据外加磁场相对于样品表面的排列，观察到磁性顺序和相关长度的显着差异。因此，ASI偶极子的对准和控制值得进一步研究。测量ASI磁场分布的方法包括使用磁光噪声光谱仪²⁹或X射线磁圆二色性光发射电子显微镜（XMCD-PEEM）²⁵;然而，为了达到等于或大于XMCD-PEEM的MFM的空间分辨率，需要极短的波长（即高能X射线）。MFM提供了一种更简单的表征技术，不需要将样品暴露在可能具有破坏性的高能X射线下。此外，MFM不仅用于表征ASI微状态²¹，²³，^27，还用于使用高磁矩尖端³⁰的拓扑缺陷驱动的磁性写入。因此，MFM可以在进一步推进ASI研究和开发中发挥重要作用，特别是通过其将样品形貌与磁场强度和方向相关联的能力，从而揭示与特定地形特征（即ASI晶格元件）相关的磁偶极子。

高分辨率MFM同样提供了对铁磁形状记忆合金结构与其纳米级磁力学性能之间关系的重要见解¹⁴，¹⁷，³¹，^32，33。铁磁形状记忆合金，通常称为磁性形状记忆合金（MSMAs），表现出大的（高达12%）磁场诱导应变，通过双边界运动²⁹，³³，^34，35进行。MFM技术已被用于研究MSMAs^15，16，17，³⁶的变形过程中孪晶与马氏体转变，压痕^，微柱变形和纳米级磁响应之间的复杂关系。特别值得注意的是，MFM已与纳米压痕相结合，以创建和读取四态纳米级磁机械存储器¹⁷。同样，正在通过热辅助磁记录（HAMR）寻求下一代磁记录技术，实现1975 kBPI的线性密度和510 kTPI³⁷的跟踪密度。实现更大、更紧凑的数据存储所需的面密度增加，导致 HAMR 技术定义的轨道间距显著降低，突出了对高分辨率 MFM 成像的需求。

除ASI和MSMA外，MFM还已成功用于表征各种磁性纳米颗粒，纳米阵列和其他类型的磁性样品³，^38，39。然而，最终的MFM分辨率和灵敏度受到用户无法控制的因素（例如，AFM检测电子设备，MFM探针技术，基础物理等）以及成像参数和环境选择的限制。同时，磁性器件中的特征尺寸继续减小⁴⁰，⁴¹，产生更小的磁畴^，从而使MFM成像越来越具有挑战性。此外，目标磁偶极子并不总是定向在平面外，平行于探头的磁化矢量。从面内或近面内定向偶极子末端发出的杂散场的高分辨率成像，如此处所示的ASI结构，需要更高的灵敏度。因此，获得高分辨率MFM图像，特别是这种由纳米级磁畴组成的面内磁化样品的图像，取决于MFM探针的适当选择（例如，厚度，矫顽力和磁性涂层的力矩，这有时可能与提高灵敏度或横向分辨率¹⁸或保持样品的磁性对准相矛盾³⁰）、成像参数（例如，如上所述的提升高度和振荡幅度，以及最大限度地减少形貌线成像过程中的尖端涂层磨损）和样品质量（例如，表面粗糙度和污染，包括抛光碎片或由于环境湿度引起的地表水）。特别是，由于环境湿度而吸附在样品表面上的水的存在会引入强大的尖端样品范德华力，这会显着干扰测量磁力并限制MFM测量的最小可实现提升高度。惰性气氛手套箱内的MFM操作几乎消除了所有表面污染物，从而实现更低的提升高度和更高的分辨率以及更高的灵敏度。因此，在这里显示的样品示例中，采用装有氩气（Ar）的定制惰性气氛手套箱中的AFM系统，该手套箱含有<0.1 ppm氧气（O 2）和水（H₂O），以实现极低的提升高度（低至10 nm）。随后，这使得精确的高分辨率MFM成像能够在更大的晶体孪晶和磁偶极子（纳米级条形磁铁）<100 nm宽和~250 nm长）中分辨交替磁畴<200 nm宽。

本文介绍如何通过将惰性气氛手套箱的使用与仔细的样品制备和成像参数的最佳选择相结合来获取高分辨率、高灵敏度的MFM图像。所描述的方法对于传统上难以观察的面内定向偶极子成像特别有价值，因此呈现了典型的高分辨率MFM图像，这些晶体在晶体孪晶和跨越孪生边界内表现出不同的纳米级磁畴，以及用面内磁偶极子取向制造的纳米磁性ASI阵列。希望高分辨率MFM成像的各个领域的研究人员都可以从采用此处概述的协议以及讨论地形伪影等潜在挑战中受益匪浅。

研究方案

注意:除了下面的协议外，补充 文件1还包括特定于此处使用的仪器并针对一般MFM成像的详细分步MFM标准操作程序（SOP）。为了补充本手稿的视频部分，SOP 包括探头支架、尖端磁化器和磁化程序、软件设置等的图像。

1. MFM探头的准备和安装

1. 打开 AFM 控制软件并选择 MFM 工作区（参见 材料表）。
2. 将带有磁性涂层（例如，Co-Cr，参见材料表）的AFM探头安装在适当的探头支架（参见材料表）上，使探头磁化，然后将探头支架安装在AFM头上。
   注意:MFM探头需要磁性涂层;本研究中使用的探针使用钴铬（Co-Cr）合金涂层，标称矫顽力为400 Oe，磁矩为1 x ^10-13 EMU，导致涂层 N掺杂硅探针的曲率半径为~35 nm。根据样品和成像需求，可以使用曲率半径较小或磁矩或矫顽力更小或更高磁矩或矫顽力的探头（例如，在对低矫顽力样品进行成像时可能需要低弯矩探头，以避免无意中用探头翻转样品的磁化方向，或者相反，可以使用高弯矩探头来写入磁图案¹⁸）。有关MFM探头选项的广泛但并非详尽的列表，请参阅 材料表 ，请记住，较薄的磁性涂层将产生更清晰的MFM尖端（因此可能提高空间分辨率），但代价可能是由于磁矩较低而导致灵敏度降低。
   1. 小心地将探头支架放在安装块上（见补充图S1），然后将探头装载到探头支架上，对齐并用弹簧夹固定到位（见补充图S2）。通过在光学显微镜下检查，确保探头与所有边缘平行，并且不接触支架通道的背面。根据需要用镊子轻轻操作探头。
      注意:静电放电 （ESD） 会损坏 MFM 探头和/或敏感 AFM 电子设备上的金属涂层，因此在处理之前要小心排出任何静电积聚物，并考虑佩戴防静电手套和/或使用接地腕带或垫子，具体取决于环境条件（例如相对湿度）。
   2. 使用强永磁体（参见 材料表）垂直（即垂直于探头悬臂）磁化探针几（~2-5）秒，以使探针尖端的磁偶极子方向垂直于样品。
      注意:作为参考，此处使用的探头磁化器（参见 材料表 和 补充图S3）的矫顽力为~2000 Oe，其设计使外壳适合探头支架，磁体定向使其磁矩平行于探头尖端并垂直于悬臂。
   3. 小心地取下AFM头。通过将探头支架上的孔与探头上的接触销对齐来安装探头和探头支架。将头部重新安装到AFM上并固定到位。同样，要小心，因为ESD会损坏探头或敏感的AFM电子设备。
3. 将激光对准MFM探头悬臂的中心并进入位置敏感检测器（PSD）。
   1. 为了获得最佳灵敏度，将悬臂背面的激光对准与悬臂远端尖端后退相对应的位置。
   2. 最大化PSD上的总和信号，同时最小化左/右和上/下偏转，使反射的激光束在探测器上居中。将激光X和Y偏转信号设置为尽可能接近零，以获得最大的可检测偏转范围，以产生与悬臂偏转成比例的输出电压。

2. 样品制备和安装

1. 将样品放在AFM卡盘真空端口上。避免使用磁性样品架，因为这可能会影响样品和/或干扰MFM测量。打开卡盘真空，将样品固定到AFM载物台上。
   1. 固定样品孔以进行成像，以避免由于纳米级样品振动而引入噪声。如果在样品底部和AFM载物台真空端口之间无法形成气密密封，请使用适当的粘合粘合剂将样品固定在金属圆盘（见 材料表）或玻璃显微镜载玻片上。
   2. 确保样品尽可能光滑，理想情况下具有纳米级的表面粗糙度且没有碎屑（例如，金属合金样品（如单晶Ni-Mn-Ga）中的残留抛光化合物），以实现低提升高度，从而实现MFM成像的高分辨率和灵敏度（见 讨论）。

3. 初始设置和示例方法

1. 返回AFM控制软件（MFM工作区），使用基于所选探头的已知尖端后退，将光学显微镜视图中的十字准线对准，以定位在尖端所在的MFM探头悬臂背面。
2. 定位AFM载物台和样品，使感兴趣区域（ROI）直接位于AFM尖端下方。降低AFM头，直到样品表面在光学视图中聚焦。注意不要将探头撞到样品表面，因为这可能会导致探针和/或样品损坏。
   注意:此处使用的AFM控制软件提供两种聚焦选项: 采样（默认） 和 尖端反射。默认选项采用 1 mm 焦距，这意味着当表面在光学视图中聚焦时，AFM 悬臂将在表面上方 ~1 mm。 尖端反射 模式使用 2 mm 焦距，因此当 AFM 悬臂高于表面 ~2 mm 时，表面将出现在焦点中，而当悬臂高于表面 ~1 mm 时，尖端反射将出现在焦点中（在反射样品表面的情况下）。建议接近表面的方法是从 尖端反射 模式开始并以全速 （100%） 接近，直到样品表面进入焦点，然后切换到 样品（默认） 并以中速接近 （20%），直到表面再次聚焦。

4. 地形成像（主线）

注意:下面描述的协议假设使用间歇接触（敲击）模式进行地形成像。

1. 通过选择开始和结束频率来执行悬臂调谐，该频率将扫过所选探头预期共振频率的区域（例如，标称 f₀ = 75 kHz的探头为50-100 kHz）。
2. 根据所使用的特定AFM系统和软件（参见 材料表），利用单击自动调谐功能，根据所选探头类型的已知标称值自动执行以下步骤。
   注意:调整悬臂涉及识别其固有共振频率并调整驱动幅度（在该频率或附近），以便悬臂以适当的目标振幅（以纳米为单位）振荡。
   1. 为主线悬臂调谐选择一个驱动频率，该频率偏移到略低于谐振峰值的频率（幅度从峰值降低~5%），以补偿由于针尖-采样方法期间针尖-样品相互作用变化而导致的谐振频率偏移。
   2. 选择一个驱动振幅，产生对应于~50 nm悬臂振荡的目标振幅（此处使用的AFM系统和MFM探头的PSD上的~500 mV幅度，参见 材料表）作为一个好的起点。
      注意:要将测量的光电二极管偏转信号（以mV或V为单位）转换为振荡幅度（以nm为单位），需要了解标称或测量的探头偏转灵敏度。
   3. 选择对应于自由空间目标幅度的~0.8倍的振幅设定点（即，对于50 nm的自由空间振幅，~40 nm）作为形貌成像的良好起点。
      注意:较高的振幅设定值将导致更温和的啮合，但会增加错误啮合的可能性（即，仪器/软件错误地认为探头在表面上啮合，因为随机波动/瞬态力作用在悬臂上的振荡幅度略有减小）。相反，较低的振幅设定值会降低误啮合的可能性，但代价是吸头磨损或啮合时样品损坏可能会增加。
3. 在样品表面上啮合，并根据样品和感兴趣的特征（通常在 X 和 Y 中介于 <1 μm 到 数十 μm 之间）设置所需的扫描尺寸。
4. 以 1-2 nm 的增量增加幅度设定点，直到尖端与样品表面失去接触，如迹线和回溯线在高度传感器通道中未能相互跟踪所示。然后，将振幅设定值降低~2-4 nm，使尖端刚好与样品表面接触。
   注意:上述方法将有助于最大限度地减少针尖-样品相互作用力，从而保留样品，延长探针针尖寿命，并通过最大限度地减少针尖磨损（特别是磁性涂层的过早损失）以及将针尖伪影引入形貌和/或磁性相位图像的可能性来提高MFM性能。
5. 通过调整比例 （P） 和积分 （I） 增益来优化它们，使它们足够高，以迫使反馈系统跟踪样品表面形貌，同时将噪声降至最低。为此，增加增益，直到噪声刚开始出现在误差通道中，然后稍微回退。系统通常对I增益比P增益更敏感。

5. MFM 成像（交错提升模式通过）

1. 优化AFM形貌成像参数后，从表面撤回一小段距离（≥200 nm）并返回探头调谐菜单。执行第二个悬臂调谐，用于获取交错提升模式 MFM 线，确保将此调谐的结果与以前的主线参数断开链接。
   1. 与步骤4.2.1中用于主（形貌）线路调谐的5%峰值偏移相反，对于交错提升模式（MFM）调谐，将峰值偏移设置为0%（即，在交错MFM通过期间以其自然自由空间共振频率驱动探头，因为探头将在感受到强烈吸引力或排斥范德华静电力的区域之外振荡）。选择开始和结束频率，这些频率将扫描跨越探头谐振频率的区域的驱动频率，类似于步骤4.1。
   2. 将交错提升模式目标（或驱动）振幅调整为略小于步骤4.2.2中选择的主线目标（或驱动）振幅（例如，如果对形貌主线使用50 nm目标振幅，则交错提升模式MFM通道的目标振幅~45 nm）。当利用低提升高度获得最佳横向分辨率时，这将实现高灵敏度MFM成像，而不会撞击表面（即产生地形伪影或相位尖峰）。
2. 离开悬臂调谐窗口，在表面上重新啮合，并优化MFM成像参数。
   1. 将初始提升扫描（交错MFM通道）高度设置为25 nm，然后以~2-5 nm的增量逐渐减小。一旦探头开始撞击表面，MFM相位通道中就会出现尖锐的尖峰;立即将扫描高度增加~2-5 nm，以保留探头尖端并防止引入形貌伪影。
   2. 以小增量增加交错驱动幅度，对应于交 错振荡幅度中的~2-5 nm，直到交 错驱动幅度超过主线驱动幅度，或者探头开始接触表面，如MFM相位通道中的尖峰所示。然后，稍微降低 交错驱动幅度（对应于~1-2nm增量），以便在MFM相位通道中看不到尖峰。
   3. 通过逐渐减小的增量进行调整，继续迭代优化提升扫描高度和 交错驱动幅度，直到获得没有地形伪影的高分辨率MFM图像。
      1. 由于导致地形伪影的尖端样本范德华相互作用随距离下降的速度比所需的长程磁力快得多，因此要评估MFM磁相位图像中特征的起源，请研究这些特征的提升高度依赖性。随着提升高度的小幅增加（降低），地形伪影往往会突然消失（出现），而真正的磁相位响应会逐渐改变（例如，分辨率和信噪比会随着提升高度的降低而改善）。
      2. 同样，如果在重复扫描时观察到低矫顽力样品的磁矩对准发生变化，这可能表明尖端诱导切换，需要使用低力矩探头（参见 材料表）和潜在的更高提升高度。

结果

人造自旋冰（ASI）晶格
人造自旋冰是光刻定义的相互作用纳米磁体的二维网络。它们在设计上表现出挫败感（即，在能源景观中存在许多局部最小值）²¹，^42，43。高分辨率MFM成像阐明了阵列组件之间的磁性构型和相互作用，为更好地了解晶格²¹的自旋冰状态提供了独特的机会。用于MFM成像的自?...

讨论

高分辨率MFM成像要求首先为每条线采集相应的高分辨率、高保真形貌扫描。这种形貌扫描通常通过间歇接触或敲击模式AFM获得，AFM采用幅度调制反馈系统对样品形貌⁴⁷进行成像。形貌扫描的保真度可以通过调整协议中所述的悬臂的振幅设定点和反馈增益来优化。振幅设定值至关重要，因为它控制探头尖端和样品表面之间的相互作用程度。设定值过低通常会导致样品表面和/或探头?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atomic force microscope	Bruker	Dimension Icon	Uses Nanoscope control software
Glovebox, inert atmosphere	MBraun	LabMaster Pro MB200B + MB20G gas purification unit	Custom design (leaktight electrical feedthroughs, vibration isolation, acoustical noise and air current minimization, etc.) and depth for use with Bruker Dimension Icon AFM, 3 gloves, argon atmosphere
MFM probe	Bruker	MESP	k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 Oe coercivity, 1 x 10-13 EMU moment. An improved version with tighter specifications, the MESP-V2, is now available. We have also used Bruker's MESP-RC (2x higher resonance frequency than the standard MESP, f0 = 150 kHz, with a marginally stiffer nominal spring constant of 5 N/m) and other MESP variants designed for low (0.3 x 10-13 EMU) or high (3 x 10-13 EMU) moment (i.e., MESP-LM or MESP-HM, respectively) or coercivity. A variety pack of 10 probes containing 4x regular MESP, 3x MESP-LM, and 3x MESP-HM variants is available from Bruker as MESPSP. Other vendors also manufacture MFM probes with specifications similar to the MESP (e.g., PPP-MFMR from Nanosensors, also available in a variety of variants, including -LC for low coercivity, -LM for low moment, and SSS for "super sharp" decreased tip radius; MAGT from AppNano, available in low moment [-LM] and high moment [-HM] variants). Similarly, Team Nanotec offers a line of high resolution MFM probes (HR-MFM) with several options in terms of cantilever spring constant and magnetic coating thickness.
MFM test sample	Bruker	MFMSAMPLE	Section of magnetic recording tape mounted on a 12 mm diameter steel puck; useful for troubleshooting and ensuring the MFM probe is magnetized and functioning properly
Nanscope Analysis	Bruker	Version 2.0	Free AFM image processing and analysis software package, but proprietary, designed for, and limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others
Probe holder	Bruker	DAFMCH or DCHNM	Specific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder, suitable for most MFM applications, while DCHNM is a special nonmagnet version for particularly sensitive MFM imaging
Probe magnetizer	Bruker	DMFM-START	MFM "starter kit" designed specifically for the Dimension Icon AFM; includes 1 box of 10 MESP probes (see above), a probe magnetizer (vertically aligned, ~2,000 Oe magnet in a mount designed to accommodate the DAFMCH or DCHNM probe holder, above), and a magnetic tape sample (MFMSAMPLE, above)
Sample Puck	Ted Pella	16218	Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Scanning electron microscope (SEM)	Zeiss Merlin	Gemini II	SEM parameters: 5 keV accelaration voltage, 30 pA electron current, 5 mm working distance. Due to nm scale ASI lattice features, the aperture and stigmation alignment were adjusted before acquisition to produce high quality images.