磁畴观测新利器！可定量测磁场的NV色心超分辨量子磁学显微镜

来源：材料科学与工程

报告摘要

磁性材料的显微观测有助于材料的微观结构及其形成机理的研究，随着科研的发展，磁性材料研究的尺度已经趋向于亚微米级甚至纳米级，因此，超高分辨和超高灵敏度的测试有助于对这些极小尺寸的材料进行研究。源自瑞士苏黎世联邦理工大学自旋物理实验室的Qzabre公司，结合多年的NV色心的磁测量技术与扫描成像技术开发出的QSM系统，能够实现高灵敏度和高分辨率的磁学成像的同时能实现定量的磁学分析，使得它成为下一代扫描探针显微镜---基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜。相比于传统的显微观测设备如克尔显微镜（分辨率~300 nm），磁力显微镜MFM(分辨率~50 nm )，该设备除了拥有优于30 nm的磁学分辨率外，还可以进行样品表面磁场大小的定量测试，而且NV 色心作为单自旋探针, 所产生的磁场不会对被测样品有扰动，在磁学显微成像上有着显著的优势。主要应用于磁性纳米结构分析、铁磁/反铁磁磁畴成像、磁畴壁分析、电流密度分布成像、任意波形磁场时间分辨等。

QSM系统拥有多种成像模式如AFM成像、MOKE成像、NV快速成像，NV精细磁场成像，大视场光学显微成像等。本次报告将为大家介绍NV色心扫描显微镜的基本原理，Qzabre公司的QSM系统的特点以及相关应用案例介绍，如新型磁存储器、MRAM材料、石墨烯、集成电路计量、磁开关、失效分析和信号传输等方面应用，希望能给您在相关领域内的研究带来帮助。

01 磁畴壁研究

通常SOT（自旋轨道力矩）诱导的磁畴翻转强烈依赖于磁畴臂的结构，2019年Saül Vélez等人使用NV色心磁学显微镜来揭示TmIG和TmIG/Pt层的磁畴臂磁化情况。如图所示，作者对TmIG和TmIG/Pt层进行了磁学显微测试，并对图b中的两个不同位置TmIG/Pt和TmIG区域的磁畴边界d/e进行了磁场扫描，经过同模拟结果对比发现位置d处的磁畴臂处于Left Néel-Bloch中间结构，而到了位置e处的磁畴臂转变成了Left Néel 结构，这些结果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，为稳定中心对称磁性绝缘体中的手性自旋结构提供了可能。

Saül Vélez, et al. High-speed domain wallracetracks in a magnetic insulator. Nat. Commun. 10 (2019) 4750.

02 磁性涡旋结构

磁性vortex是一种具有手性的磁性结构, 在自旋动力学和磁存储器件等方面有重要研究价值。该研究实验表明，基于NV色心的超分辨磁学显微镜能够与微磁模拟进行强有力的比较，是纳米磁性和更普遍的纳米科学基础研究的有力工具。事实上，直接测量弱磁场，不受扰动，具有纳米级的分辨率，可以解决一些重要的问题，例如垂直各向异性薄膜中磁畴壁的性质，这些磁畴壁控制着薄膜的电流感应运动。

Rondin, L., Tetienne, J., Rohart, S. etal. Stray-field imaging of magnetic vortices with a single diamondspin. Nat Commun 4 (2013) 2279