在外加磁場的作用下，薄膜和超薄膜中亞(ya) 毫米橫向分辨率的磁疇成像仍然是磁顯微鏡的一個(ge) 挑戰。人們(men) 發明了一種利用磁光技術在可見光範圍內(nei) 研究原位製備超薄膜的磁疇、磁化反轉和自旋重定向轉變的超高壓係統。利用磁光克爾效應(MOKE)記錄磁化曲線(磁滯回線)，利用克爾顯微鏡或磁光掃描近場顯微鏡結合Sagnac幹涉儀(yi) (Sagnac- snom)對磁疇結構進行成像。
用於(yu) 薄膜的遠場和近場磁光學顯微鏡的多功能特高壓係統
基於(yu) 電子顯微鏡的高分辨率成像技術，如帶偏振分析的二次電子顯微鏡(SEMPA)，或光子發射電子顯微鏡(PEEM)或使用磁探針的技術(磁力顯微鏡(MFM)或自旋極化掃描隧道顯微鏡(STM)，通常局限於(yu) 小的外部磁場。磁光顯微鏡沒有這樣的限製。然而，由於(yu) 傳(chuan) 統(遠場)光學顯微鏡的橫向分辨率受到衍射的限製，大約隻能達到光波長的一半，因此納米結構隻能通過X射線顯微鏡或掃描近場光學顯微鏡(SNOM)在可見光範圍內(nei) 成像。
用於(yu) 磁光研究的相當緊湊和振動隔離的特高壓室連接到配備薄膜製備設施的特高壓係統，以及用於(yu) 表征薄膜結構和形態的STM和低能電子衍射(LEED)。結合極性和縱向MOKE, kerr顯微鏡和Sagnac-SNOM測量可以在變溫度和外磁場下進行。由於(yu) 在連續的MOKE, kerr顯微鏡和SNOM測量之間不需要樣品轉移，因此樣品可以保持在恒定溫度下，而磁疇結構可以在不同的長度尺度上進行研究(橫向平均MOKE為(wei) E1 mm, kerr顯微鏡為(wei) bbb3mm, SNOM為(wei) 亞(ya) 毫米結構)。係統的示意圖如圖1所示。
圖1
所有測量都可以在高達1500歐的外部磁場中進行，垂直或平行於(yu) 薄膜平麵，使用可旋轉的(2軸)特高壓電磁鐵，在其中一個(ge) 極鞋中有錐形孔，用於(yu) 極幾何測量。樣品溫度調節在約20和400 K之間的lhe流低溫恒溫器與(yu) 集成加熱器的溫度控製，樣品支架安裝。對於(yu) MOKE和kerr顯微鏡，所有光學元件都位於(yu) 特高壓室之外。入射和反射光束通過UHV視孔。在MOKE和Kerrmicroscopy之間切換需要旋轉樣品和磁鐵。可轉移的SNOM頭(見圖1中的照片)由(i)用於(yu) 掃描樣品表麵上錐形玻璃纖維的壓電管掃描儀(yi) 和(ii)安裝在掃描儀(yi) 正麵的抖動單元組成，該單元用於(yu) 剪切力距離控製。由於(yu) SNOM尖端用於(yu) 照明和收集反射光(共享孔徑模式)，所有其他光學元件都可以放置在UHV之外的光學台上。在特高壓中，我們(men) 使用聚酰亞(ya) 胺塗層單模玻璃纖維，通過特高壓法蘭(lan) 的孔進行饋送
為(wei) 了檢測SNOM中的磁光Kerr效應，人們(men) 使用了一種改進的Sagnac幹涉儀(yi) ，工作在670 nm波長。與(yu) 傳(chuan) 統的偏振分析相比，Sagnac幹涉儀(yi) 對雙折射或地形效應等互反效應不敏感。這些影響通常會(hui) 導致Kerr-SNOM圖像中的偽(wei) 影。
為(wei) 了測試新的可變溫度UHV-Sagnac-SNOM的性能，人們(men) 使用了一小塊垂直磁化和大Kerr旋轉(紅光約0.41)的TbFeCo磁光(MO)盤。表麵輪廓由1毫米寬的軌道組成，由0.6毫米寬和100毫米深的凹槽分隔。沿著磁道，等間距的磁位與(yu) 相反的磁化被熱磁寫(xie) 入。
圖2
圖2(a)和(b)顯示了MO盤的Sagnac-SNOM圖像以及同時記錄的地形圖像。在地形圖像中可以清晰地檢測到軌跡和凹槽，這表明在目前的設置下，尖端到樣本的距離控製在特高壓下工作得很好。圖像中的小波紋結構是由噪聲激發的尖端到樣品的振動引起的。所呈現的圖像在室溫下記錄。然而，應該提到的是，用液氦冷卻樣品並不影響圖像的距離控製和質量。從(cong) 線掃描中，我們(men) 得到了小於(yu) 10納米的均方根噪聲電平(見圖2(c))。
在圖2(b)的磁光圖像中，磁性位清晰可見。甚至熱磁寫(xie) 入比特的圓形也被很好地分解了。圖像沿軌道邊緣的亮條紋是由於(yu) 反射光強度的強烈變化。原則上，這種強度效應可以通過適當的光信號歸一化來降低。儀(yi) 器的橫向分辨率和克爾旋轉靈敏度是通過沿軌跡的鑽頭的線掃描儀(yi) 來估計的(見圖2(d))。磁比特邊緣的寬度和橫向分辨率約為(wei) 300納米。這略低於(yu) 遠場顯微鏡的分辨率極限。原則上使用金屬塗層纖維尖端可以得到進一步的改進。另一方麵，信噪比為(wei) S/NE10。噪聲可能主要是由於(yu) 機械振動，因為(wei) 反射光的強度以指數形式取決(jue) 於(yu) 尖端到樣本的距離。由於(yu) 信號對應於(yu) 克爾旋轉的兩(liang) 倍(E0.81)，磁光靈敏度從(cong) 信噪比估計到約1.3 mrad。它已經足夠成像磁疇，例如，厚度超過2單層的Fe/Cu(1 0 0)薄膜。然而，單層靈敏度可以通過進一步降低振動噪聲來實現，例如通過消除噪聲源。
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