磁力显微镜（MFM） 1. 基本概念与原理定位 磁力显微镜是一种扫描探针显微镜，主要用于对样品表面的 磁畴结构 和 磁场分布 进行纳米尺度的成像和测量。它是在原子力显微镜的基础上发展起来的。其核心原理是：利用一个磁性探针的针尖去感知样品表面附近的 杂散磁场 （即漏磁场），通过检测磁场对针尖的作用力或力梯度，来反推出样品表面的磁特性。 2. 核心工作模式：双程扫描 这是MFM区别于普通AFM的关键技术。它通常采用 提升模式 进行两遍扫描： 第一程 ：探针在非常接近样品表面的高度扫描（通常采用轻敲模式），记录下样品表面的 形貌轮廓 。 第二程 ：探针根据第一程记录的形貌信息，在表面上方一个 恒定高度 （通常为10-200纳米）进行第二次扫描。这个高度足以使短程的原子间力（如范德华力）影响变得很小，而长程的 磁相互作用力 成为主导。此时，针尖主要受到样品杂散磁场的吸引力或排斥力。 3. 信号的检测与形成 在第二程扫描中，磁性针尖可以被视为一个微小的“磁偶极子”。针尖与样品杂散磁场的相互作用会导致探针悬臂的 共振频率 或 振幅 发生变化。 常见方法是 频率调制检测 ：系统监测悬臂振荡频率的偏移量（Δf）。这个频率偏移直接与作用在针尖上的 力梯度 （磁相互作用力的空间变化率）成正比。 样品表面不同磁畴（北极或南极）产生的杂散磁场方向不同，对针尖的作用力（吸引或排斥）也不同，从而导致频率偏移的正负和大小变化。 系统记录下扫描区域内每一点的频率偏移量，并将其转换为对比度不同的图像，即 磁力图 。图中亮暗区域代表不同的磁化方向或磁场强度。 4. 关键组成部分 磁性探针 ：核心传感器。通常是在标准AFM硅或氮化硅探针的针尖上镀一层 铁磁薄膜 （如钴、镍铁合金），形成一层具有高矫顽力的磁性涂层，确保针尖磁化方向稳定。 高灵敏度力检测系统 ：基于光学杠杆原理，用激光束照射悬臂末端，并用位置敏感探测器检测反射光斑的位移，以精确测量悬臂的微小偏转或振动变化。 精密扫描与反馈控制系统 ：控制探针在X、Y、Z三个方向纳米级精度的移动，并维持扫描高度的恒定。 信号处理与成像系统 ：将检测到的频率或相位信号进行处理，并同步生成形貌图和磁力图。 5. 主要应用领域 磁记录介质分析 ：观察硬盘、磁带等存储介质上记录比特的磁畴形状、尺寸和稳定性。 磁性材料研究 ：研究永磁体、磁性薄膜、多层膜、自旋电子学材料中的畴壁结构、斯格明子等。 生物磁学 ：研究某些细菌（如趋磁细菌）体内的磁性纳米颗粒链。 器件表征 ：分析磁性随机存取存储器、磁传感器等微纳磁性器件的性能。 6. 优势与局限性 优势 ：高空间分辨率（可达10-50纳米）、无需复杂样品制备、能在大气甚至液体环境下工作、可同时获得形貌和磁学信息。 局限性 ：测量的是磁场强度梯度而非绝对值；针尖的磁性会轻微干扰被测磁场；图像是针尖磁场与样品磁场的卷积结果，解释时需谨慎；对于非常弱的磁性信号灵敏度有限。