在納米科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，對磁疇結(jié)構(gòu)的可視化研究已成為材料物理與信息存儲領(lǐng)域的核心課題。磁疇作為磁性材料的基本單元，其納米尺度的分布與動態(tài)行為，不僅決定著新型材料的基礎(chǔ)物理特性，更直接影響著高密度存儲與未來計(jì)算技術(shù)的演進(jìn)方向。

然而，實(shí)現(xiàn)納米級磁疇的高分辨率成像長期面臨多重技術(shù)瓶頸：環(huán)境干擾、探針精度限制、微納結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)定位困難等，均制約著磁疇研究的深入開展。在這一背景下，磁力顯微鏡（MFM）技術(shù)成為破局的關(guān)鍵，但傳統(tǒng) MFM 在常壓環(huán)境下的成像分辨率與信號對比度，已難以滿足前沿科研與工業(yè)應(yīng)用的需求。特別是在研究新型拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)（如斯格明子）和開發(fā)下一代存儲器件時(shí)，這些技術(shù)限制表現(xiàn)得尤為突出。

Quantum Design公司推出的FusionScope創(chuàng)新性的將掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和磁力顯微鏡（MFM）集于一體，憑借其獨(dú)樹一幟的高真空環(huán)境與精準(zhǔn)探針定位技術(shù)，為納米級磁疇成像提供了革命性的解決方案。

AFM/SEM/EDS多功能顯微鏡 FusionScope

創(chuàng)新優(yōu)勢：真空環(huán)境與FEBID探針

磁力顯微鏡（MFM）通常采用"兩步掃描"模式：第一步輕敲模式獲取形貌信息，第二步在固定提升高度檢測磁相互作用，抬升固定高度能夠讓磁力懸臂尖端記錄樣品的磁性信號。

圖1 采用提升模式掃描的磁力顯微鏡MFM示意圖

• 高真空環(huán)境：為實(shí)現(xiàn)磁疇的高分辨率成像，F(xiàn)usionScope利用高真空環(huán)境，消除空氣阻尼效應(yīng)，提高M(jìn)FM信號靈敏度，相位對比度從常壓的0.19°提升至0.28°。真空環(huán)境下的相位對比度較常壓環(huán)境提升近50%，為研究磁性材料的微觀特性提供了更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

圖2 在真空（a、b）和環(huán)境條件下（c、d）測量的[Co/Pt]多層測試樣品的MFM掃描圖。

• FEBID探針：采用鐵（Fe）和鈷鐵（Co?Fe）基材料，通過3D納米打印技術(shù)制備的高縱橫比探針（半徑僅10 nm），顯著提升了成像對比度與橫向分辨率（圖3）。

圖3 （a）使用FEBID通過3D納米打印制造的磁性Fe基尖端，用于高分辨率MFM成像；（b）通過FEBID制造的CoFe基磁性尖端的放大圖。

協(xié)同分析：SEM與MFM的無縫結(jié)合

FusionScope的“Profile View”功能支持80°傾斜觀察，結(jié)合SEM的實(shí)時(shí)成像，可精確定位MFM探針至目標(biāo)區(qū)域（圖4-6）。這一技術(shù)尤其適用于光刻定義的納米結(jié)構(gòu)（如鎳鐵合金納米棒陣列）和聚焦離子束（FIB）加工的鈷薄膜研究。例如，在FIB圖案化的鈷薄膜中，MFM成功捕捉到十字形磁疇結(jié)構(gòu)（圖6），揭示了局域磁場分布的特殊規(guī)律。

Ni₈₁Fe₁₉納米棒

在鎳鐵合金納米棒陣列的研究中，通過 SEM 與 AFM 形貌圖的相關(guān)性分析（如圖 4 第一行所示），科研人員可快速識別三種不同互連程度的納米棒陣列。借助側(cè)向視野（如圖 4 第二行所示），探針能夠精準(zhǔn)定位至單根納米棒，實(shí)現(xiàn)局部磁特性的測量。

圖4 三種不同結(jié)構(gòu)的NiFe納米棒，結(jié)構(gòu)1不連續(xù)的納米棒；結(jié)構(gòu)2幾乎互連的納米棒；結(jié)構(gòu)3互連的納米棒。第一行展示了這三種結(jié)構(gòu)的SEM與AFM形貌之間的相關(guān)性，第二行展示了FEBID探針與納米棒結(jié)構(gòu)嚙合后的側(cè)向視野圖。

為了研究納米棒的磁特性，選取了較小區(qū)域進(jìn)行高分辨率磁力顯微鏡MFM測量，圖5第一行顯示了各個(gè)結(jié)構(gòu)的形貌，第二行顯示了相應(yīng)的抬升高度相位，所有結(jié)構(gòu)都顯示出納米棒頂點(diǎn)處的磁信號變化，正如預(yù)期的那樣，此處雜散場梯度最大。

圖5 第一行顯示了三種不同結(jié)構(gòu)的高分辨率AFM形貌；第二行顯示了相應(yīng)的抬升相位信號，即磁信號，在雜散場梯度最大的每個(gè)頂點(diǎn)處，信號強(qiáng)度差異最大。

FIB圖案化鈷膜

對于聚焦離子束（FIB）加工的圖案化鈷層磁結(jié)構(gòu)，與上一案例相同，光刻定義的區(qū)域相對較小，F(xiàn)usionScope支持的SEM引導(dǎo)側(cè)向視野可以精確定位MFM探針（圖6d），圖案化后，在提升階段（圖6b）和疊加提升階段的形貌三維圖像（圖6a）中可以清晰觀測到十字形疇圖案（圖6，中心圖像），直觀展現(xiàn)了圖案化區(qū)域的磁疇分布規(guī)律，而這一特征在連續(xù)薄膜中是不明顯的，充分驗(yàn)證了微納結(jié)構(gòu)對磁疇組態(tài)的調(diào)控作用。

圖6 圖像中間顯示了形貌和抬升階段的3D圖像（顏色編碼），其中顯示了十字形的MFM信號，圖中還包含F(xiàn)IB圖案化鈷樣品的形貌（a）、抬升階段（b）和SEM頂視圖（c），（d）中可以看到針尖與微小結(jié)構(gòu)接觸的SEM側(cè)向視野。

應(yīng)用前景：從高密度存儲到神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

1. 高密度存儲：推動硬盤驅(qū)動器（HDD）、磁阻存儲器（MRAM）和賽道存儲器（Racetrack Memory）的研發(fā)，提升存儲密度與能效。

2. 未來計(jì)算：在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域，F(xiàn)usionScope為人工自旋冰陣列和磁子晶體的研究提供了關(guān)鍵工具。

技術(shù)總結(jié)與未來展望

FusionScope磁力顯微鏡通過高真空 MFM 技術(shù)、FEBID 納米探針與 SEM-MFM 協(xié)同分析的三位一體創(chuàng)新，重新定義了納米磁疇成像的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在：真空環(huán)境下提升的成像靈敏度、精準(zhǔn)定位實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的針對性分析、以及SEM 引導(dǎo)下的微納結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)定位，為工業(yè)和科研人員提供了從材料表征到機(jī)理研究的全鏈條解決方案。