磁透射軟x射線顯微鏡結合了高分辨率透射x射線顯微鏡和XMCD作為(wei) 磁對比機製。目前，由位於(yu) 加州伯克利的x射線光學中心和先jin光源聯合操作的全場透射軟x射線顯微鏡(XM-1)是shi界上唯yi用於(yu) 磁場全場x射線成像的操作係統除了使用x射線光學成像係統，也可以使用相應的掃描透射x射線顯微鏡(STXM)來記錄磁性微結構。
磁透射軟X射線顯微術的基本裝置
全視場軟x射線顯微鏡的光學裝置原理與(yu) 傳(chuan) 統顯微鏡相似。它由光源、聚光鏡、物鏡和檢測器組成。主要的區別是聚光鏡和物鏡是菲涅耳帶片。終端站xm1在高ji光源處的x射線光學設置如圖1所示。
圖1
它遵循了Schmahl等人開發的開創性x射線顯微鏡設計。xm1使用從(cong) 彎曲磁鐵發出的軟X射線。在通過一個(ge) 平麵反射鏡後，光子被鍍上鎳以抑製更高的能量，照射到一個(ge) 中央有一個(ge) 擋板的聚光帶板(CZP)。該CZP提供了樣品的部分相幹空心錐照明，並與(yu) 針孔位於(yu) 樣品附近的組合，作為(wei) 線性單色儀(yi) ，具有典型的單色性約λ/Δλ = 500。因此，在光子能量為(wei) 700 eV時，光譜分辨率約為(wei) 1.3 eV。XM-1的光子能量範圍在500 ~ 1300 eV之間，因此覆蓋了波長為(wei) 2.4 nm的水窗, 3d過渡金屬的L邊多，稀土體(ti) 係的M邊多。在光子透射樣品後，第二個(ge) 菲涅耳帶板，微帶板(MZP)，將一個(ge) 全場圖像投射到一個(ge) x射線敏感的二維電荷耦合器件(ccd)探測器上。它是一個(ge) 背麵照明的薄CCD。目前的CCD芯片像素為(wei) 2,048×2,048，像素尺寸為(wei) 13.5 × 13.5µm2。放大倍率的典型值在1500到2000之間，每個(ge) 圖像的視場約為(wei) 10 μ m。根據可用光子的通量，對於(yu) 具有強對比度的樣品，每張圖像的照明時間約為(wei) 1-2秒。
圖2.在Fe L3邊緣軌道平麵上下圓偏振處觀察了非晶GdFe樣品的磁疇結構，顯示磁對比的反轉。
為(wei) 了通過XMCD獲得磁對比度，通過CZP前麵的一個(ge) 孔來選擇軌道外發射的圓偏振X射線，該孔掩蓋了入射輻射的上半部分或下半部分。圖2顯示了在706 eV的Fe L3邊緣記錄的非晶GdFe體(ti) 係的磁疇結構，輻射在存儲(chu) 環軌道平麵上下各2.5 mm。可以清楚地看到，磁性對比在圓極化感反轉時是相反的。將這兩(liang) 幅圖像相互分割，可以消除非磁性背景，增強磁性對比度。
磁性軟x射線顯微鏡的主要優(you) 點之一是，作為(wei) 一種純光子進/光子出技術，在圖像采集過程中可以對樣品施加任何強度和任何方向的外磁場。因此，可以詳細研究磁化反轉過程，例如完整磁化切換周期中疇的演化。到目前為(wei) 止，在XM-1上，帶有特殊形狀極片的螺線管提供高達數百mT的磁場，指向平行於(yu) 光子束和平行於(yu) 樣品平麵的磁場。
圖3.(Co83Cr17)87Pt13合金薄膜的M-TXM磁疇圖像和磁疇邊界上的強度分布圖顯示橫向分辨率優(you) 於(yu) 15 nm。
圖3是M-TXM高分辨率磁成像的一個(ge) 典型例子，其中在CoL3邊緣記錄了50 nm薄納米顆粒(Co84Cr16)87Pt13層的磁疇結構，具有明顯的垂直磁各向異性。對覆蓋10 - 90%值的強度分布圖進行常見的刀口分析，顯示出15 nm的空間分辨率。該樣品的晶粒尺寸分布是通過TEM分析確定的，峰值在20 nm左右，這可以得出結論，從(cong) M-TXM圖像可以在晶粒尺寸水平上研究磁疇結構，即在該係統的磁性基本長度尺度上。
圖4.M- txm可以對薄膜中占主導地位的麵內(nei) 磁化M進行成像，方法是將樣品表麵傾(qing) 斜成相對於(yu) 光子傳(chuan) 播方向k的角度，從(cong) 而獲得沿k方向的M不消失分量
由於(yu) 二色性對比度是由磁化在光子傳(chuan) 播方向上的投影給出的，因此可以通過以相對於(yu) 光子束方向的傾(qing) 斜角度照射樣品來成像麵外和麵內(nei) 磁化疇，見圖4。目前，在XM-1顯微鏡下，樣品可以傾(qing) 斜至30◦從(cong) 而降低對比度的兩(liang) 倍。通過比較不同角度下的域結構，M-TXM技術可以區分麵內(nei) 貢獻和麵外貢獻。一個(ge) 具體(ti) 的例子是磁渦旋結構，它既有麵內(nei) 自旋結構，即手性，也有中心的麵外自旋，即極性。M-TXM可以對兩(liang) 者進行成像，因此是研究磁渦流結構的物理特性，特別是其自旋動力學的有價(jia) 值的工具。
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