磁力显微镜

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30 nm , 尽管 10 到 20 nm 也可以实现。

磁力显微镜的发展基于以下发明的推动:

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10 nm 1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)。

探针被一层很薄（< 50 nm） 的磁性薄膜（比如镍或钴），通常具有高抗磁性,因此探针的磁性状态（磁化强度M）不会在成像过程中改变。

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。

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（< 10 nm）扫描样品表面时, 检查到的不仅有磁力，还有原子力和静电力。 提升高度法通过如下手段提高磁力的精确度:

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.