如何利用磁場相機實現磁性微結構分析？

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如何利用磁場相機實現磁性微結構分析？

工業(ye) 設備的持續微型化過程引發了對高ji磁性微結構表征技術的需求，這些技術需結合高分辨率、短測量時間和定量磁場數據。尤其是在磁性設備製造過程中進行在線質量控製時，這一點尤為(wei) 重要，例如工業(ye) 定位国产成人在线观看免费网站中的磁性標尺。這些標尺的表征非常具有挑戰性，因為(wei) 目前的磁極尺寸已經達到了微米級別。這種小型結構的磁場會(hui) 在局部納米級範圍內(nei) 變化，且整個(ge) 樣品中會(hui) 出現所有三種磁場矢量分量。因此，需要一種具有高空間分辨率的分析技術。此外，空間快速變化的磁場會(hui) 隨著與(yu) 樣品距離的增加迅速衰減。對於(yu) 具有有限厚度的傳(chuan) 感器，這甚至可能導致垂直於(yu) 傳(chuan) 感器方向的額外磁場變化，從(cong) 而導致磁結構尺寸依賴的場平均效應。

 

一種常用的磁性納米和微結構測量技術是掃描探針顯微鏡（SPM），例如磁力顯微鏡（MFM）和掃描霍爾探針顯微鏡（SHPM）。這兩(liang) 種方法都具有納米級的空間分辨率，使用小型和薄型傳(chuan) 感器，能夠實現低測量高度。然而，MFM不是直接定量的，且由於(yu) 掃描過程，這兩(liang) 種方法都需要較長的測量時間。另一種非常適合的技術是利用磁光法拉第效應可視化納米結構材料的磁場和電流。這種測量由於(yu) 可以一次性測量二維平麵，因此速度很快。

MOIF技術已經通過對薄硬磁樣品的定量分析和超導體(ti) 中的渦旋動力學研究得到了證明。現有的定量MOIF測量和校準方法考慮到了非均勻的MOIF照明和MOIF厚度上的場平均效應。然而，沒有研究綜合考慮所有這些效應或更複雜的磁各向異性，如立方各向異性場。此外，也缺乏全麵的係統不確定性分析，這對於(yu) 校準程序來說是不可或缺的。

MATESY磁場相機基於(yu) 一種位置分辨校準的方法，並結合對MOIF材料磁性參數的全麵分析，校準和模擬了一款商業(ye) MOIF設備（Matesy GmbH的cmos-MagView XL）。該設備使用了一個(ge) 60 × 45 mm²的大MOIF，一個(ge) 光學檢測路徑和一個(ge) 1520 × 2048像素的CMOS相機進行讀出。通過成像過程，一個(ge) 28.4 µm × 28.4 µm的傳(chuan) 感器區域被映射到一個(ge) 相機像素上，這定義(yi) 了min分辨率。

校準方法

 

1.宏觀校準

校準CMOS-MagView XL設備需要一個(ge) 具有良好空間均勻性和高重現性的磁場。我們(men) 使用了極靴直徑為(wei) 250 mm的電磁鐵，電磁鐵的磁場Bext由Bruker電源提供的穩定電流設定，並通過水冷係統將溫度穩定在23℃。通過霍爾磁力計測量的環境溫度穩定在24℃至27℃之間。為(wei) 了表征極靴間位置處的磁場Bext (x,y,z)，采用了一種掃描單元，該單元可以使用電動平台平行於(yu) 極靴（x和y方向）掃描，並通過手動平移台垂直於(yu) 極靴（z方向）移動。通過旋轉電機的軸向掃描結果調整和控製探針與(yu) 極靴的平行對齊。

2. CMOS-MagView XL校準過程

校準CMOS-MagView XL設備包括三個(ge) 步驟：

(i) 首先，調查設備本身的特性，如噪聲、重現性和溫度影響。

(ii) 建立測量設備強度與(yu) 樣品垂直磁場之間的理論函數關(guan) 係。

(iii) 在電磁鐵中不同磁場下測量設備響應強度，並將結果整合到校準算法中。

為(wei) 了確定CMOS-MagView XL的噪聲特性，從(cong) 每個(ge) 像素的30次測量中確定強度的標準偏差。建立基於(yu) 物理機製的校準算法時，考慮了不同的測量強度貢獻。通過擬合磁場與(yu) 強度的關(guan) 係，得到每個(ge) 像素的校準參數。

圖1：石川圖總結了垂直均勻磁場雜散場的CMOS-MagView XL校準的不確定度貢獻。

3. 微觀校準

在校準微結構時，均勻磁場的校準是不夠的。MOIF設備的響應取決(jue) 於(yu) MOIF磁化的垂直分量Mz,MOIF。MOIF磁化方向不僅(jin) 由樣品雜散場的垂直分量決(jue) 定，還與(yu) MOIF材料的磁各向異性和傳(chuan) 感器厚度的平均效應有關(guan) 。利用DC-SQUID和FMR測量分析MOIF材料的磁各向異性參數，並進行設備響應的前向模擬。

MOIF的強度I通過下列公式描述：

其中，I是通過MOIF後光的強度，α是兩(liang) 個(ge) 偏振濾光片之間的角度，β是法拉第旋轉角，由MOIF磁化的z分量決(jue) 定。通過擬合不同磁場下的強度，建立像素級別的校準參數：利用利用FMR確定的磁各向異性常數，模擬了cosθ對z方向外場的函數依賴關(guan) 係，如下所述。模擬結果與(yu) 三次方程cosθ (B) = a∗B 3 + b∗b進行擬合，zui終得到了CMOS-MagView XL對国产成人在线观看免费网站均勻垂直磁場的強度響應方程：

圖2：對位於(yu) 傳(chuan) 感器膜中間的像素700×1000的校準數據I (B)的多項式擬合。

4. 磁性標尺的測量和模擬

在這項研究中，我們(men) 對一個(ge) 商業(ye) 磁性標尺進行了測量和模擬，以驗證CMOS-MagView XL設備的校準效果。首先，我們(men) 在設備上測量了標尺表麵的磁場分布，然後通過二值化處理獲得了樣品的磁化圖像。接著，我們(men) 使用前向模擬方法計算了傳(chuan) 感器響應，模擬結果與(yu) 實際測量數據高度一致。zui後，通過與(yu) SHPM技術測量結果的比較，進一步驗證了校準方法的準確性和有效性。此方法證明了其在快速定量表征磁性微結構中的獨特優(you) 勢。

圖3.在測量高度為(wei) 50µm時，使用MOIF與(yu) CMOS-MagView XL和可追蹤SHPM進行相同磁尺度的測量結果比較。MOIF數據的不確定性為(wei) ±2.5 mT，小於(yu) 數據點的大小。

對於(yu) 小結構的測量，由於(yu) 空間快速衰減的雜散場，CMOS-MagView XL測量的信號會(hui) 比樣品側(ce) 傳(chuan) 感器表麵的場減弱。通過傳(chuan) 遞函數修正MOIF傳(chuan) 感器厚度的影響：

其中，D為(wei) MOIF傳(chuan) 感器的厚度。修正後，傳(chuan) 感器厚度對測量結果的影響顯著減小。

 

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