一种磁力显微镜差分磁力显微成像方法
【专利摘要】本发明提供一种磁力显微镜差分磁力成像方法，差分磁力显微成像技术是一个两次对样品同一位置进行扫描磁力显微成像的过程。首先，经垂直磁化后的探针沿着形貌轨迹在离样品表面一定距离处进行扫描，然后在外磁场的作用下对同一探针进行反向磁化，再对样品同一位置进行第二次扫描。由于探针反磁化过程中只有探针与样品间受到的磁力方向发生改变，其它背景力，如静电力，范德华力等都保持原来的状态。通过对两次扫描获得磁力图形进行匹配准确定位，然后将获得准确位置信息的两幅磁力像相减运算，从而排除了其它力的干扰并获得了差分磁力图像，磁力图像的对比度和信噪比得到提高，并获得高质量的磁力图像。
【专利说明】-种磁力显微镜差分磁力显微成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于显微镜【技术领域】，特别设及一种磁力显微镜差分磁力显微成像方法。
【背景技术】
[0002] 随着纳米科技的不断发展，磁性材料的研究已经从宏观材料逐渐转变为纳米材 料，磁学的研究已经步入纳米磁学的研究时代，各种磁检测技术也相继被提出，如粉纹法、X 射线形貌学法、磁光效应法W及透射电镜显微术等。由于需要在高真空环境条件下工作W 及制样复杂等特点，该些传统的检测技术存在着许多不足，从而不能满足目前工作上的需 求。作为扫描探针显微镜的一种，磁力显微镜（MFM)是在原子力显微镜（AFM)基础上发展 起来的，它的分辨率非常高，在有效克服传统检测方法所具有不足的同时，所测式样不需要 特殊制备。近年来随着薄膜材料、纳米磁性材料研究的不断开展，MFM在材料研究中的应用 越来越广泛，并且对磁性纳米材料的发展也有着非常重要的意义。
[0003] 磁力显微镜是扫描力显微镜的一种，主要用来探测样品表面精细的磁畴分布，从 诞生W来一直被广泛应用在微磁领域。磁力显微镜的空间分辨率可W达到l〇nm-50nm，可W 同时对有非磁覆盖层或者不透明的样品进行测量，并且能够工作在任意的环境中。磁力与 样品表面的范德华力不同，它属于长程力。磁力显微镜的探针与普通AFM的探针相比也有 所不同，区别在于探针表面锻有一定厚度的磁性薄膜，当针尖在磁性样品表面W不变的高 度沿着第一次扫描的形貌轨迹进行扫描时，探针能够很容易测量出杂散磁场在磁性材料表 面的分布情况。因而，通过探测针尖与样品间磁力梯度的分布，就能得到样品表面杂散的磁 结构。
[0004] 为不断改善磁力显微镜的成像质量，人们采用了各种成像方法，例如特殊探针的 制造，采取先进的扫描方式等。H. S.化ang和Koblishka各小组分别使用聚焦离子束制造了 具有高深宽比的针尖，Kirtley等人也使用了碳纳米管针尖改善磁力显微镜的图像分辨率， Koblischka小组使用电子束制造针尖来减少软磁结构效应并获得了高的空间分辨率图像。 然而该些方法都会由于背景力的存在而受到限制。在磁力显微镜测量信号中，由于探针抬 起高度很低，静电力和范德华力等一些微观背景力都会同时被探针检测到，所W通常所得 到的磁力像受到非磁信号和磁信号的共同作用，从而很有必要将它们分开得到纯的磁力信 号，该对于研究材料微观结构和磁畴结构之间的关系是很有用的。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题；克服现有技术的不足，提供一种磁力显微镜差分磁力 显微成像方法，排除磁力显微镜扫描过程中背景力对磁力像的干扰，提高了磁力像的对比 度和信噪比，获得样品的高质量磁力像。
[0006] 本发明通过W下技术方案实现；一种磁力显微镜差分磁力显微成像方法，其特征 在于；采用外加磁场对同一探针进行两次相反方向的磁化并对样品的同一位置进行扫描， 用图像匹配对两幅图像进行准确定位，然后将获得准确位置信息的两幅磁力像进行差分运 算，排除背景力对磁力像的干扰，获得高质量的磁力像；
[0007] 具体包括W下几个步骤：
[000引步骤1 ;将磁性探针置于两个磁极产生的磁场中进行磁化；
[0009] 步骤2 ;用磁化后的磁性探针对磁性样品进行扫描，获得第一幅样品表面磁力像；
[0010] 步骤3 ;将磁场逆转，对探针实行反向磁化；
[0011] 步骤4 ;用磁性反转的探针对样品进行第二次扫描，获得第二幅样品表面磁力像；
[0012] 步骤5 ;用图像匹配对两幅图像进行准确定位；
[0013] 步骤6;将获得准确位置信息的两幅磁力像进行差分运算，获得最后的差分磁力 像。
[0014] 所述的磁力显微镜差分磁力成像需要的外加磁场采用的是一对磁极，探针被放入 由一对磁极产生的磁场中进行磁化，完成第一次扫描后将磁极方向逆转，对探针进行反向 磁化。
[0015] 所述的磁力显微镜差分磁力成像采用差分运算方法，用相反磁化方向的探针对样 品进行扫描获得磁力像进行的差分运算。
[0016] 所述的磁力显微镜差分磁力成像排除的背景力包括范德华力和静电力等不受磁 化方向逆转所影响的力。
[0017] 不受磁化方向逆转所影响的力。
[0018] 其他不受磁化方向逆转所影响的力。
[0019] 所述的磁力显微镜差分磁力成像的高质量表现在信噪比的提高。
[0020] 所述的磁力显微镜差分磁力成像的高质量表现在对比度的改善。
[0021] 本发明与现有的方法比有W下优点：
[0022] (1)通过两幅磁力像的差分运算，将磁力像中包含的背景力排除，得到真实的磁力 像；
[002引 似获得差分磁力像的对比度和信噪比都得到提高，通过实验数据表明，处理前的 图像对比度由原来的0. 69,0. 51变为0. 86。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1差分显微成像技术的模拟，（a)探针磁化向上，化）探针磁化向下，（C)差分磁 力信号，其中1是探针磁化方向，2是探针，3是磁性样品；
[002引图2自制圆形磁力结构的形貌图及其磁力图，（a)和化）分别是不同磁化方向下 获得的形貌像，（C)和（d)是相反磁化方向探针扫描获得的磁力像，（e)为（C)和（d)差值 获得的磁力像；
[0026] 图3图2(c)、（d)和（e)划线处的轮廓线。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完 整的描述。所列出的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的 实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明 保护对象。
[002引本发明的一种磁力显微镜差分磁力显微成像方法，利用探针反向磁化的方式获得 两幅磁畴结构相反的磁力像，再对该两幅磁力像进行差分运算获得高质量的磁力像。
[0029] 本发明实例中采用的磁力显微镜是CSPM5500扫描探针显微镜。
[0030] 本发明实例中采用的磁性探针是BudgetSensors Multi75M-G。
[003U 本发明实例中使用的磁盘样品为MAXTOR D540x-4k。
[0032] 本发明实例中使用的圆形磁结构为用电子束曝光自制的圆形磁结构。首先在娃片 表面锻上lOOnm厚的镶层，然后在上面旋涂一层PMMA，其厚度为lOOnm，最后用电子束曝光 的方式在上面制造直径为2 ym的圆形结构。
[0033] 本发明磁力显微镜差分磁力显微成像的基本原理：
[0034] 磁力显微镜探测的是样品表面和探针间在Z方向的磁力相互作用。由于探针与样 品间力梯度的存在，将会引起探针产生相移。当探针沿着样品表面扫描时，样品表面磁力的 分布能够通过记录每个扫描点的相移获得。
[0035] 在探针对磁性样品进行扫描过程中，背景力和噪声也同样会对磁力像产生影响。 用Pi表示第一次扫描产生的相位差，巧表示探针磁化方向改变后的相位差，它们分别用公 式（1)和似表示：
[0036] 約=妍+%,+口W, …
[0037] & 二妍做 （2)
[00測其中，妍表示的是由磁力引起的相位差，扣1和咕分别表示第一次扫描由背景力 产生的相位差和探针逆转后由背景力引起的相位差，口W,和巧V，分别为两次扫描过程中噪声 引起的相位变化。对两次扫描的结果做差分运算得：
[0039] 卸=巧-扔=2妍+從I - 口占]+妨,-斯] (3 )
[0040] 当口马=雌时，公式做能够表示为：
[0041] A口 = 2妍 + 斯,-斯2 (4)
[00创假设脚，和为零均值高斯噪声分布，非相关变量，因此有 巧的）=巧觀:} = 0，巧括,}=巧扬:：)=口；，巧灼V口V，：) = 0 '噪声期望能够表示为；
[0043]
【权利要求】
1. 一种磁力显微镜差分磁力成像方法，其特征在于：采用外加磁场对同一探针进行两 次相反方向的磁化并对样品的同一位置进行扫描，用图像匹配对两幅图像进行准确定位， 然后将获得准确位置信息的两幅磁力像进行差分运算，排除背景力对磁力像的干扰，获得 高质量的磁力像。
2. 根据权利要求1所述一种磁力显微镜差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 显微镜差分磁力成像需要的外加磁场采用的是一对磁极，探针被放入由一对磁极产生的磁 场中进行磁化，完成第一次扫描后将磁极方向逆转，对探针进行反向磁化。
3. 根据权利要求1所述一种磁力显微镜差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 显微镜差分磁力成像采用差分运算方法，用相反磁化方向的探针对样品进行扫描获得磁力 像进行的差分运算。
4. 根据权利要求1所述一种磁力显微镜差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 显微镜差分磁力成像排除的背景力包括范德华力和包括静电力在内的不受磁化方向逆转 所影响的力。
5. 根据权利要求1所述一种磁力显微镜差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 显微镜差分磁力成像的高质量表现在信噪比的提高。
6. 根据权利要求1所述一种磁力显微镜差分磁力成像方法，其特征在于：所述的磁力 显微镜差分磁力成像的高质量表现在对比度的改善。
【文档编号】G01Q60/50GK104502635SQ201410809108
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】王作斌, 王莹, 刘劲芸, 侯丽伟, 董莉彤, 宋正勋, 翁占坤 申请人:长春理工大学