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自旋测试多功能磁光克尔显微镜

可对磁性材料和自旋电子芯片进行高分辨磁畴成像，分辨率可达 250 nm，配置高度智能化的控制系统和多功能磁场探针台，将光学成像、多维磁场、电学输运表征微波测试、变温模块集成于一体，一键操作便能实现磁场、电流、自旋轨道矩、自旋转移矩等各种激励条件下的磁动力学过程观察。配备微秒级快速反应磁场，能够进行高精度磁畴速度测量和 DMI 测量。

所属分类

关键词

产品描述
技术指标
应用案例

产品型号：

KMPL-S

设备介绍：

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1.4 T垂直磁场，1 T面内磁场，4.2 K-835 K变温，可用于硬磁材料成像研究。

多功能控制系统：

1、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。

2、图像处理

● 实时作差消背底噪声；

● 自动纠正震动漂移等。

3、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（225 nm）或全局做磁滞回线扫描。

设备性能：

光学分辨率	250 nm
物镜	5×、20×、50×、100×，无磁
面内磁场	1 T@气隙 5 mm；0.5 T@气隙 10 mm；0.3 T@气隙 16 mm
垂直磁场	0.25 T@单极
磁场分辨率	PID 闭环反馈调节，分辨率 0.05 mT
微秒超快脉冲垂直磁场	60 mT，上升特征时间 0.5 μs，脉冲宽度 1 μs-10 μs
探针台	兼容 4~8 套无磁探针座
电学源表	Keithley 6221、Keithley 2182A
测试功能	磁畴动态观测，根据克尔信号绘制全局 / 微区磁滞回线、畴壁运动速度测量、DMI 测量、反常 Hall 电阻、SOT 翻转、I-R 磁滞回线扫描并同步克尔成像，可获取磁场、电流变化下电子器件霍尔电阻变化过程曲线和对应的克尔图片

主要功能介绍：

成像效果：

● 225 nm（100倍油浸式物镜）/450 nm（长工作距离物镜，兼容探针）

● 最大视野：1.9 mm*1.1 mm（5倍物镜）

● 能检测3个原子层薄膜的磁性变化

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20 mT]驱动磁畴翻转	● W/CoFeB/MgO薄膜中的斯格明子磁泡

CoTb亚铁磁微米线中SOT驱动的磁性翻转

200 nm宽的Ta/CoFeB/MgO线中，[120 mT,5μs]磁场脉冲驱动畴壁移动

磁场探针台：

● 面内磁场：最大1 T，磁场实时探测分辨率50 µT

● 三路垂直磁铁任意切换：

磁场1：最大1.4 T

磁场2：最大30 mT，100 µs上升时间

磁场3：最大磁场≥60 mT，0.5 µs上升时间

● 最多可配置4个直流/高频探针，可配置6221/2182仪表，兼容电输运测试，配置输运与次成像同步软件

其他功能：

● 分析全局或者局部（225 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：4.2 K-835 K温度可调

● 搭配磁电阻测量等输运测试系统和软件

● 预留各种接口，可根据实验需求自主改装

应用案例

①研究磁性材料性质

1.检测磁性材料质量

MgO(sub)/Co/Pt样品:MgO晶体衬底与Co晶格失配导致的薄膜缺陷。

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。

2.检测缺陷位置

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

3.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]。

4.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。如左图，由于偶极作用比各向异性占优势，样品出现自发退磁。

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

[2]Xueying Zhang et al.,Advanced Science 8,2004645(2021).

②典型应用——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（220 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A_ex

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]。

需要已知样品的饱和磁化强度与各向异性，可通过振动样品磁强计测量获得。

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]。

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

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

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

同步发生的面内磁场和垂直磁场脉冲组合磁场驱动的磁畴非对称性扩张

③磁畴壁动力学研究

1.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200 m/s畴壁速度的测量

10 ms方波磁场脉冲

4μs超快磁场脉冲

2.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]。

3.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]。

[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).

④自旋输运性质测试+成像

1.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。

2.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

3.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]。

4.输运测试相关介绍

搭配吉时利6221与2182A源表，可以进行霍尔效应、I-V特性（电阻率）及磁电阻（MR）的测量。搭配微波源、微波探针与锁相放大器等，可进行ST-FMR、二次谐波测试，对样品自旋轨道矩大小进行表征。

SOT翻转电流密度和磁场的依赖关系 SOT驱动的磁性翻转过程成像

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

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