一種磁力顯微鏡差分磁力顯微成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，差分磁力顯微成像技術(shù)是一個(gè)兩次對(duì)樣品同一位置進(jìn)行掃描磁力顯微成像的過(guò)程。首先，經(jīng)垂直磁化后的探針沿著形貌軌跡在離樣品表面一定距離處進(jìn)行掃描，然后在外磁場(chǎng)的作用下對(duì)同一探針進(jìn)行反向磁化，再對(duì)樣品同一位置進(jìn)行第二次掃描。由于探針?lè)创呕^(guò)程中只有探針與樣品間受到的磁力方向發(fā)生改變，其它背景力，如靜電力，范德華力等都保持原來(lái)的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)兩次掃描獲得磁力圖形進(jìn)行匹配準(zhǔn)確定位，然后將獲得準(zhǔn)確位置信息的兩幅磁力像相減運(yùn)算，從而排除了其它力的干擾并獲得了差分磁力圖像，磁力圖像的對(duì)比度和信噪比得到提高，并獲得高質(zhì)量的磁力圖像。
【專利說(shuō)明】-種磁力顯微鏡差分磁力顯微成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于顯微鏡【技術(shù)領(lǐng)域】，特別設(shè)及一種磁力顯微鏡差分磁力顯微成像方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著納米科技的不斷發(fā)展，磁性材料的研究已經(jīng)從宏觀材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米材 料，磁學(xué)的研究已經(jīng)步入納米磁學(xué)的研究時(shí)代，各種磁檢測(cè)技術(shù)也相繼被提出，如粉紋法、X 射線形貌學(xué)法、磁光效應(yīng)法W及透射電鏡顯微術(shù)等。由于需要在高真空環(huán)境條件下工作W 及制樣復(fù)雜等特點(diǎn)，該些傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)存在著許多不足，從而不能滿足目前工作上的需 求。作為掃描探針顯微鏡的一種，磁力顯微鏡（MFM)是在原子力顯微鏡（AFM)基礎(chǔ)上發(fā)展 起來(lái)的，它的分辨率非常高，在有效克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法所具有不足的同時(shí)，所測(cè)式樣不需要 特殊制備。近年來(lái)隨著薄膜材料、納米磁性材料研究的不斷開(kāi)展，MFM在材料研究中的應(yīng)用 越來(lái)越廣泛，并且對(duì)磁性納米材料的發(fā)展也有著非常重要的意義。
[0003] 磁力顯微鏡是掃描力顯微鏡的一種，主要用來(lái)探測(cè)樣品表面精細(xì)的磁疇分布，從 誕生W來(lái)一直被廣泛應(yīng)用在微磁領(lǐng)域。磁力顯微鏡的空間分辨率可W達(dá)到l〇nm-50nm，可W 同時(shí)對(duì)有非磁覆蓋層或者不透明的樣品進(jìn)行測(cè)量，并且能夠工作在任意的環(huán)境中。磁力與 樣品表面的范德華力不同，它屬于長(zhǎng)程力。磁力顯微鏡的探針與普通AFM的探針相比也有 所不同，區(qū)別在于探針表面鍛有一定厚度的磁性薄膜，當(dāng)針尖在磁性樣品表面W不變的高 度沿著第一次掃描的形貌軌跡進(jìn)行掃描時(shí)，探針能夠很容易測(cè)量出雜散磁場(chǎng)在磁性材料表 面的分布情況。因而，通過(guò)探測(cè)針尖與樣品間磁力梯度的分布，就能得到樣品表面雜散的磁 結(jié)構(gòu)。
[0004] 為不斷改善磁力顯微鏡的成像質(zhì)量，人們采用了各種成像方法，例如特殊探針的 制造，采取先進(jìn)的掃描方式等。H. S.化ang和Koblishka各小組分別使用聚焦離子束制造了 具有高深寬比的針尖，Kirtley等人也使用了碳納米管針尖改善磁力顯微鏡的圖像分辨率， Koblischka小組使用電子束制造針尖來(lái)減少軟磁結(jié)構(gòu)效應(yīng)并獲得了高的空間分辨率圖像。 然而該些方法都會(huì)由于背景力的存在而受到限制。在磁力顯微鏡測(cè)量信號(hào)中，由于探針抬 起高度很低，靜電力和范德華力等一些微觀背景力都會(huì)同時(shí)被探針檢測(cè)到，所W通常所得 到的磁力像受到非磁信號(hào)和磁信號(hào)的共同作用，從而很有必要將它們分開(kāi)得到純的磁力信 號(hào)，該對(duì)于研究材料微觀結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是很有用的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁力顯微鏡差分磁力 顯微成像方法，排除磁力顯微鏡掃描過(guò)程中背景力對(duì)磁力像的干擾，提高了磁力像的對(duì)比 度和信噪比，獲得樣品的高質(zhì)量磁力像。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)；一種磁力顯微鏡差分磁力顯微成像方法，其特征 在于；采用外加磁場(chǎng)對(duì)同一探針進(jìn)行兩次相反方向的磁化并對(duì)樣品的同一位置進(jìn)行掃描， 用圖像匹配對(duì)兩幅圖像進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后將獲得準(zhǔn)確位置信息的兩幅磁力像進(jìn)行差分運(yùn) 算，排除背景力對(duì)磁力像的干擾，獲得高質(zhì)量的磁力像；
[0007] 具體包括W下幾個(gè)步驟：
[000引步驟1 ;將磁性探針置于兩個(gè)磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)中進(jìn)行磁化；
[0009] 步驟2 ;用磁化后的磁性探針對(duì)磁性樣品進(jìn)行掃描，獲得第一幅樣品表面磁力像；
[0010] 步驟3 ;將磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)，對(duì)探針實(shí)行反向磁化；
[0011] 步驟4 ;用磁性反轉(zhuǎn)的探針對(duì)樣品進(jìn)行第二次掃描，獲得第二幅樣品表面磁力像；
[0012] 步驟5 ;用圖像匹配對(duì)兩幅圖像進(jìn)行準(zhǔn)確定位；
[0013] 步驟6;將獲得準(zhǔn)確位置信息的兩幅磁力像進(jìn)行差分運(yùn)算，獲得最后的差分磁力 像。
[0014] 所述的磁力顯微鏡差分磁力成像需要的外加磁場(chǎng)采用的是一對(duì)磁極，探針被放入 由一對(duì)磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)中進(jìn)行磁化，完成第一次掃描后將磁極方向逆轉(zhuǎn)，對(duì)探針進(jìn)行反向 磁化。
[0015] 所述的磁力顯微鏡差分磁力成像采用差分運(yùn)算方法，用相反磁化方向的探針對(duì)樣 品進(jìn)行掃描獲得磁力像進(jìn)行的差分運(yùn)算。
[0016] 所述的磁力顯微鏡差分磁力成像排除的背景力包括范德華力和靜電力等不受磁 化方向逆轉(zhuǎn)所影響的力。
[0017] 不受磁化方向逆轉(zhuǎn)所影響的力。
[0018] 其他不受磁化方向逆轉(zhuǎn)所影響的力。
[0019] 所述的磁力顯微鏡差分磁力成像的高質(zhì)量表現(xiàn)在信噪比的提高。
[0020] 所述的磁力顯微鏡差分磁力成像的高質(zhì)量表現(xiàn)在對(duì)比度的改善。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有的方法比有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)通過(guò)兩幅磁力像的差分運(yùn)算，將磁力像中包含的背景力排除，得到真實(shí)的磁力 像；
[002引 似獲得差分磁力像的對(duì)比度和信噪比都得到提高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，處理前的 圖像對(duì)比度由原來(lái)的0. 69,0. 51變?yōu)?. 86。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1差分顯微成像技術(shù)的模擬，（a)探針磁化向上，化）探針磁化向下，（C)差分磁 力信號(hào)，其中1是探針磁化方向，2是探針，3是磁性樣品；
[002引圖2自制圓形磁力結(jié)構(gòu)的形貌圖及其磁力圖，（a)和化）分別是不同磁化方向下 獲得的形貌像，（C)和（d)是相反磁化方向探針掃描獲得的磁力像，（e)為（C)和（d)差值 獲得的磁力像；
[0026] 圖3圖2(c)、（d)和（e)劃線處的輪廓線。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清晰、完 整的描述。所列出的實(shí)施例只是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明的 實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒(méi)有創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明 保護(hù)對(duì)象。
[002引本發(fā)明的一種磁力顯微鏡差分磁力顯微成像方法，利用探針?lè)聪虼呕姆绞将@得 兩幅磁疇結(jié)構(gòu)相反的磁力像，再對(duì)該兩幅磁力像進(jìn)行差分運(yùn)算獲得高質(zhì)量的磁力像。
[0029] 本發(fā)明實(shí)例中采用的磁力顯微鏡是CSPM5500掃描探針顯微鏡。
[0030] 本發(fā)明實(shí)例中采用的磁性探針是BudgetSensors Multi75M-G。
[003U 本發(fā)明實(shí)例中使用的磁盤(pán)樣品為MAXTOR D540x-4k。
[0032] 本發(fā)明實(shí)例中使用的圓形磁結(jié)構(gòu)為用電子束曝光自制的圓形磁結(jié)構(gòu)。首先在娃片 表面鍛上lOOnm厚的鑲層，然后在上面旋涂一層PMMA，其厚度為lOOnm，最后用電子束曝光 的方式在上面制造直徑為2 ym的圓形結(jié)構(gòu)。
[0033] 本發(fā)明磁力顯微鏡差分磁力顯微成像的基本原理：
[0034] 磁力顯微鏡探測(cè)的是樣品表面和探針間在Z方向的磁力相互作用。由于探針與樣 品間力梯度的存在，將會(huì)引起探針產(chǎn)生相移。當(dāng)探針沿著樣品表面掃描時(shí)，樣品表面磁力的 分布能夠通過(guò)記錄每個(gè)掃描點(diǎn)的相移獲得。
[0035] 在探針對(duì)磁性樣品進(jìn)行掃描過(guò)程中，背景力和噪聲也同樣會(huì)對(duì)磁力像產(chǎn)生影響。 用Pi表示第一次掃描產(chǎn)生的相位差，巧表示探針磁化方向改變后的相位差，它們分別用公 式（1)和似表示：
[0036] 約=妍+%,+口W, …
[0037] & 二妍做 （2)
[00測(cè)其中，妍表示的是由磁力引起的相位差，扣1和咕分別表示第一次掃描由背景力 產(chǎn)生的相位差和探針逆轉(zhuǎn)后由背景力引起的相位差，口W,和巧V，分別為兩次掃描過(guò)程中噪聲 引起的相位變化。對(duì)兩次掃描的結(jié)果做差分運(yùn)算得：
[0039] 卸=巧-扔=2妍+從I - 口占]+妨,-斯] (3 )
[0040] 當(dāng)口馬=雌時(shí)，公式做能夠表示為：
[0041] A口 = 2妍 + 斯,-斯2 (4)
[00創(chuàng)假設(shè)腳，和為零均值高斯噪聲分布，非相關(guān)變量，因此有 巧的）=巧觀:} = 0，巧括,}=巧揚(yáng):：)=口；，巧灼V口V，：) = 0 '噪聲期望能夠表示為；
[0043]

【權(quán)利要求】
1. 一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，其特征在于：采用外加磁場(chǎng)對(duì)同一探針進(jìn)行兩 次相反方向的磁化并對(duì)樣品的同一位置進(jìn)行掃描，用圖像匹配對(duì)兩幅圖像進(jìn)行準(zhǔn)確定位， 然后將獲得準(zhǔn)確位置信息的兩幅磁力像進(jìn)行差分運(yùn)算，排除背景力對(duì)磁力像的干擾，獲得 高質(zhì)量的磁力像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 顯微鏡差分磁力成像需要的外加磁場(chǎng)采用的是一對(duì)磁極，探針被放入由一對(duì)磁極產(chǎn)生的磁 場(chǎng)中進(jìn)行磁化，完成第一次掃描后將磁極方向逆轉(zhuǎn)，對(duì)探針進(jìn)行反向磁化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 顯微鏡差分磁力成像采用差分運(yùn)算方法，用相反磁化方向的探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描獲得磁力 像進(jìn)行的差分運(yùn)算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 顯微鏡差分磁力成像排除的背景力包括范德華力和包括靜電力在內(nèi)的不受磁化方向逆轉(zhuǎn) 所影響的力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 顯微鏡差分磁力成像的高質(zhì)量表現(xiàn)在信噪比的提高。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種磁力顯微鏡差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 顯微鏡差分磁力成像的高質(zhì)量表現(xiàn)在對(duì)比度的改善。
【文檔編號(hào)】G01Q60/50GK104502635SQ201410809108
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】王作斌, 王瑩, 劉勁蕓, 侯麗偉, 董莉彤, 宋正勛, 翁占坤 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)