CN108680510B - 一种表面纳米结构磁性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术测量领域的磁性测量方法，一种表面纳米结构磁性测量方法，测量装置包括激光器、延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I、透镜座、物镜、样品、霍尔片、样品台、信号发生器、示波器、探测器、磁体、前置放大器、差分放大器、补偿器、模数转换器、计算机、原子力显微镜II、探针II，磁体由四个相同的子磁体电缆连接组成，采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，能够对单个纳米结构进行测量，对样品表面的磁化动态的测量能达到亚微米量级的空间分辨率，不依靠相敏检测技术来提取样品表面微小磁化波动的信息，能得到纳米尺度的磁化动态特征。

Description

一种表面纳米结构磁性测量方法

技术领域

本发明涉及光学技术测量领域的磁性测量方法，尤其是一种基于回线测量方法的低成本的一种表面纳米结构磁性测量方法。

背景技术

磁光克尔效应测量装置是材料表面磁性研究中的一种重要手段，其工作原理是基于由光与磁化介质间相互作用而引起的磁光克尔效应，其不仅能够进行单原子层厚度材料的磁性检测，而且可实现非接触式测量，在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。磁光克尔效应测量装置主要是通过检测一束线偏振光在材料表面反射后的偏振态变化引起的光强变化进行样品表面的磁化观测，因此其成像的效果极易受到光学元件限制，现有技术缺陷一：传统的使用显微镜物镜的聚焦克尔显微镜的空间分辨率由光学衍射极限所决定，因此无法得到纳米尺度的磁化动态特征；现有技术缺陷二：基于相敏检测方法的装置较为复杂，且价格昂贵，所述一种表面纳米结构磁性测量方法能解决问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种表面纳米结构磁性测量方法，采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，并采用低成本的电子学元件在不降低装置性能的前提下来降低成本。

本发明所采用的技术方案是：

测量装置主要包括激光器、延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I、透镜座、物镜、样品、霍尔片、样品台、信号发生器、示波器、探测器、磁体、前置放大器、差分放大器、补偿器、模数转换器、计算机、原子力显微镜II、探针II、入射光路及反射光路，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，所述原子力显微镜II与原子力显微镜I结构相同，所述探针I位于原子力显微镜I下端，所述探针II位于原子力显微镜II下端，所述物镜位于透镜座下端，所述探针I和探针II为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形为圆台，所述圆台的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述圆台轴线垂直于水平面，所述激光器发射的激光束依次经延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品表面产生的反射光依次经探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器，从而形成反射光路，所述反射光被分束器偏转至所述探测器，所述透镜台为直径十厘米的透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I、透镜座、原子力显微镜II分别位于透镜台下面、且均能够相对于透镜台的位置微调，当透镜台绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I或透镜座或原子力显微镜II置于样品正上方，所述探针I中具有通孔，所述探针II为接触型原子力显微镜探针，霍尔片位于样品台上，通过磁控溅射方法将样品直接接触地制备于霍尔片上表面，所述霍尔片长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆，所述样品长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米，所述激光器电缆连接计算机，所述磁体、信号发生器、计算机依次电缆连接，所述示波器电缆连接霍尔片，所述探测器、前置放大器、差分放大器、模数转换器、计算机依次电缆连接，所述补偿器电缆连接差分放大器；经过所述探针I的圆台下底面周边上最靠x轴正方向的一点，斜向轴线一侧切掉一楔形块，探针I下底面形成一个与水平面成五度角的斜面，使得探针I在x轴正方向一侧更接近样品表面，能够使得探针I沿x轴正方向在样品表面扫描时不易造成针尖变形，从而避免通孔损坏；所述磁体由四个相同的子磁体通过电缆连接组成，四个子磁体分别位于一个边长为20厘米的正方形的顶点，所述霍尔片及样品位于所述正方形的中间，样品台、霍尔片及样品能够整体在xy平面内旋转，旋转范围为正负45度；所述探针I的所述通孔的直径为500纳米。

所述一种表面纳米结构磁性测量方法的步骤如下：

一.旋转透镜台使得物镜位于样品正上方，确定样品的粗略位置，并以此分别调整所述原子力显微镜I及原子力显微镜II相对于透镜台的位置；

二.旋转透镜台使得原子力显微镜II位于样品正上方，采用探针II对霍尔片上包含样品的区域进行扫描，以获得表面形貌图像，初步确定样品位置，当探针II位于样品边缘时，令探针II缩回，并记录原子力显微镜II中各位置参数；

三.旋转透镜台使得原子力显微镜I位于样品正上方，将步骤二中记录的各位置参数输入原子力显微镜I，令探针I在二微米范围内沿着x轴正方向单方向扫描，即沿探针I(12)前端接近样品表面的一侧扫描，扫描速度3nm/s，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

四.探针I向上回缩距离50nm，并关闭原子力显微镜I的扫描反馈；

五.调整平面镜位置，使得激光束通过透镜台和原子力显微镜I射到探针I上；

六.激光器发射出激光，波长700nm；

七.信号发生器输出频率为1Hz的正弦波来控制磁体的电流信号，磁体产生磁场用于激发样品；

八.从样品表面反射的光束依次经过探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器后进入探测器，探测器输出对应的电流信号至前置放大器；

九.令探针I在二微米范围内沿着x轴正方向单方向扫描，即沿探针I前端接近样品表面的一侧扫描，沿x轴正方向扫描一微米距离后，令探针I缩回50nm，并移动至本次x方向扫描起始位置，然后在y轴正方向移动2nm，并重新令探针I逼近样品表面，开始下一次x方向扫描，最终得到xy平面内1微米×1微米范围内样品轮廓图像；

十.前置放大器采用30Hz的截止频率，增益5dB，补偿器与从前置放大器输出的直流信号匹配，然后，分别从补偿器和前置放大器输出的两个信号在差分放大器中相减，并被放大200倍后输入计算机；

十一.以z轴为旋转轴，旋转样品台，同时带动霍尔片及样品一起旋转，每次旋转一度，从-45度至+45度每旋转一度均进行实验，重复以上步骤七至步骤九；

十二.计算机分析步骤十中的数据，得到样品的磁滞回线。

本发明的有益效果是：

本发明能够对单个纳米结构进行测量，对样品表面的磁化动态的测量能达到亚微米量级的空间分辨率，探针I的圆台下底面与水平面具有五度的夹角，能够使得探针I在样品表面扫描时不易造成针尖变形，从而避免通孔损坏，增加探针使用寿命，不依靠相敏检测技术来提取样品表面微小磁化波动的信息，节省了成本。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明示意图；

图2是透镜台仰视图；

图3是样品台及磁体俯视图。

图中，1.激光器，2.延时器，3. 1/4波片，4.凹透镜，5.凸透镜I，6.平面镜，7.偏振片，8.分束器，9.凸透镜II，10.透镜台，11.原子力显微镜I，12.探针I，13.透镜座，14.物镜，15.样品，16.霍尔片，17.样品台，18.信号发生器，19.示波器，20.探测器，21.磁体，22.前置放大器，23.差分放大器，24.补偿器，25.模数转换器，26.计算机，27.原子力显微镜II，28.探针II。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，右下角具有xyz三维方向标，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，所述激光器1发射的激光束依次经延时器2、1/4波片3、凹透镜4、凸透镜I 5、平面镜6、偏振片7、分束器8、凸透镜II 9、透镜台10、原子力显微镜I 11、探针I 12，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品15表面产生的反射光依次经探针I 12、原子力显微镜I11、透镜台10、凸透镜II9、分束器8，从而形成反射光路，所述反射光被分束器8偏转至所述探测器20，所述探针I 12中具有通孔，所述探针II 28为接触型原子力显微镜探针，所述探针I 12和探针II 28为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形为圆台，所述圆台的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述圆台轴线垂直于水平面，霍尔片16位于样品台17上，通过磁控溅射方法将样品15直接接触地制备于霍尔片16上表面，所述霍尔片16长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆，所述样品15长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米，所述激光器1电缆连接计算机26，所述磁体21、信号发生器18、计算机26依次电缆连接，所述示波器19电缆连接霍尔片16，所述探测器20、前置放大器22、差分放大器23、模数转换器25、计算机26依次电缆连接，所述补偿器24电缆连接差分放大器23；经过所述探针I 12的圆台下底面周边上最靠x轴正方向的一点，斜向轴线一侧切掉一楔形块，探针I 12下底面形成一个与水平面成五度角的斜面，使得探针I12在x轴正方向一侧更接近样品表面，能够使得探针I 12沿x轴正方向在样品表面扫描时不易造成针尖变形，从而避免通孔损坏；所述探针I 12的所述通孔的直径为500纳米。

如图2是透镜台仰视图，所述原子力显微镜II 27与原子力显微镜I 11结构相同，所述探针I 12位于原子力显微镜I 11下端，所述探针II 28位于原子力显微镜II 27下端，所述物镜14位于透镜座13下端，所述透镜台10为直径十厘米的透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I 11、透镜座13、原子力显微镜II 27分别位于透镜台10下面、且均能够相对于透镜台10的位置微调，当透镜台10绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I 11或透镜座13或原子力显微镜II 27置于样品15正上方。

如图3是样品台及磁体俯视图，所述磁体21由四个相同的子磁体通过电缆连接组成，四个子磁体分别位于一个边长为20厘米的正方形的顶点，所述霍尔片及样品位于所述正方形的中间，样品台17、霍尔片及样品能够整体在xy平面内旋转，旋转范围为正负45度。

测量装置主要包括激光器1、延时器2、1/4波片3、凹透镜4、凸透镜I 5、平面镜6、偏振片7、分束器8、凸透镜II 9、透镜台10、原子力显微镜I 11、探针I 12、透镜座13、物镜14、样品15、霍尔片16、样品台17、信号发生器18、示波器19、探测器20、磁体21、前置放大器22、差分放大器23、补偿器24、模数转换器25、计算机26、原子力显微镜II 27、探针II 28、入射光路及反射光路，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，所述原子力显微镜II 27与原子力显微镜I 11结构相同，所述探针I 12位于原子力显微镜I 11下端，所述探针II 28位于原子力显微镜II 27下端，所述物镜14位于透镜座13下端，所述探针I 12和探针II 28为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形为圆台，所述圆台的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述圆台轴线垂直于水平面，所述激光器1发射的激光束依次经延时器2、1/4波片3、凹透镜4、凸透镜I 5、平面镜6、偏振片7、分束器8、凸透镜II 9、透镜台10、原子力显微镜I 11、探针I 12，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品15表面产生的反射光依次经探针I 12、原子力显微镜I 11、透镜台10、凸透镜II 9、分束器8，从而形成反射光路，所述反射光被分束器8偏转至所述探测器20，所述透镜台10为直径十厘米的透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I 11、透镜座13、原子力显微镜II 27分别位于透镜台10下面、且均能够相对于透镜台10的位置微调，当透镜台10绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I11或透镜座13或原子力显微镜II 27置于样品15正上方，所述探针I 12中具有通孔，所述探针II 28为接触型原子力显微镜探针，霍尔片16位于样品台17上，通过磁控溅射方法将样品15直接接触地制备于霍尔片16上表面，所述霍尔片16长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆，所述样品15长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米，所述激光器1电缆连接计算机26，所述磁体21、信号发生器18、计算机26依次电缆连接，所述示波器19电缆连接霍尔片16，所述探测器20、前置放大器22、差分放大器23、模数转换器25、计算机26依次电缆连接，所述补偿器24电缆连接差分放大器23；经过所述探针I 12的圆台下底面周边上最靠x轴正方向的一点，斜向轴线一侧切掉一楔形块，探针I 12下底面形成一个与水平面成五度角的斜面，使得探针I 12在x轴正方向一侧更接近样品表面，能够使得探针I 12沿x轴正方向在样品表面扫描时不易造成针尖变形，从而避免通孔损坏；所述磁体21由四个相同的子磁体通过电缆连接组成，四个子磁体分别位于一个边长为20厘米的正方形的顶点，所述霍尔片及样品位于所述正方形的中间，样品台17、霍尔片及样品能够整体在xy平面内旋转，旋转范围为正负45度；所述探针I 12的所述通孔的直径为500纳米。

所述一种表面纳米结构磁性测量方法的步骤如下：

一.旋转透镜台10使得物镜14位于样品15正上方，确定样品的粗略位置，并以此分别调整所述原子力显微镜I 11及原子力显微镜II 27相对于透镜台10的位置；

二.旋转透镜台10使得原子力显微镜II 27位于样品15正上方，采用探针II 28对霍尔片16上包含样品15的区域进行扫描，以获得表面形貌图像，初步确定样品位置，当探针II 28位于样品15边缘时，令探针II 28缩回，并记录原子力显微镜II 27中各位置参数；

三.旋转透镜台10使得原子力显微镜I 11位于样品15正上方，将步骤二中记录的各位置参数输入原子力显微镜I 11，令探针I 12在二微米范围内沿着x轴正方向单方向扫描，即沿探针I 12前端接近样品表面的一侧扫描，扫描速度3nm/s，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品15边缘位置；

四.探针I 12向上回缩距离50nm，并关闭原子力显微镜I 11的扫描反馈；

五.调整平面镜6位置，使得激光束通过透镜台10和原子力显微镜I 11射到探针I12上；

六.激光器1发射出激光，波长700nm；

七.信号发生器18输出频率为1Hz的正弦波来控制磁体21的电流信号，磁体21产生磁场用于激发样品；

八.从样品15表面反射的光束依次经过探针I 12、原子力显微镜I 11、透镜台10、凸透镜II 9、分束器8后进入探测器20，探测器20输出对应的电流信号至前置放大器22；

九.令探针I 12在二微米范围内沿着x轴正方向单方向扫描，即沿探针I 12前端接近样品表面的一侧扫描，沿x轴正方向扫描一微米距离后，令探针I 12缩回50nm，并移动至本次x方向扫描起始位置，然后在y轴正方向移动2nm，并重新令探针I 12逼近样品表面，开始下一次x方向扫描，最终得到xy平面内1微米×1微米范围内样品轮廓图像；

十.前置放大器22采用30Hz的截止频率，增益5dB，补偿器24与从前置放大器22输出的直流信号匹配，然后，分别从补偿器24和前置放大器22输出的两个信号在差分放大器23中相减，并被放大200倍后输入计算机26；

十一.以z轴为旋转轴，旋转样品台17，同时带动霍尔片及样品一起旋转，每次旋转一度，从-45度至+45度每旋转一度均进行实验，重复以上步骤七至步骤九；

十二.计算机26分析步骤十中的数据，得到样品的磁滞回线。

本发明采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，能够对单个纳米结构进行测量，对样品表面的磁化动态的测量能达到亚微米量级的空间分辨率，不依靠相敏检测技术来提取样品表面微小磁化波动的信息。

Claims (1)

1.一种表面纳米结构磁性测量方法，测量装置主要包括激光器、延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I、透镜座、物镜、样品、霍尔片、样品台、信号发生器、示波器、探测器、磁体、前置放大器、差分放大器、补偿器、模数转换器、计算机、原子力显微镜II、探针II、入射光路及反射光路，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，所述原子力显微镜II与原子力显微镜I结构相同，所述探针I位于原子力显微镜I下端，所述探针II位于原子力显微镜II下端，所述物镜位于透镜座下端，所述探针I和探针II为相同外形尺寸的原子力显微镜探针，所述激光器发射的激光束依次经延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品表面产生的反射光依次经探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器，从而形成反射光路，所述反射光被分束器偏转至所述探测器，所述透镜台为直径十厘米的透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I、透镜座、原子力显微镜II分别位于透镜台下面、且均能够相对于透镜台的位置微调，当透镜台绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I或透镜座或原子力显微镜II置于样品正上方，所述探针I中具有通孔，所述探针II为接触型原子力显微镜探针，所述探针I、探针II的外形为圆台，所述圆台的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述圆台轴线垂直于水平面，霍尔片位于样品台上，通过磁控溅射方法将样品直接接触地制备于霍尔片上表面，所述霍尔片长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆，所述样品长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米，所述激光器电缆连接计算机，所述磁体、信号发生器、计算机依次电缆连接，所述示波器电缆连接霍尔片，所述探测器、前置放大器、差分放大器、模数转换器、计算机依次电缆连接，所述补偿器电缆连接差分放大器；经过所述探针I的圆台下底面周边上最靠x轴正方向的一点，斜向轴线一侧切掉一楔形块，探针I下底面形成一个与水平面成五度角的斜面，使得探针I在x轴正方向一侧更接近样品表面，能够使得探针I沿x轴正方向在样品表面扫描时不易造成针尖变形，从而避免通孔损坏；所述磁体由四个相同的子磁体通过电缆连接组成，四个子磁体分别位于一个边长为20厘米的正方形的顶点，所述霍尔片及样品位于所述正方形的中间，样品台、霍尔片及样品能够整体在xy平面内旋转，旋转范围为正负45度，所述探针I的所述通孔的直径为500纳米，

其特征是，所述一种表面纳米结构磁性测量方法的步骤如下：

一.旋转透镜台使得物镜位于样品正上方，确定样品的粗略位置，并以此分别调整所述原子力显微镜I及原子力显微镜II相对于透镜台的位置；

二.旋转透镜台使得原子力显微镜II位于样品正上方，采用探针II对霍尔片上包含样品的区域进行扫描，以获得表面形貌图像，初步确定样品位置，当探针II位于样品边缘时，令探针II缩回，并记录原子力显微镜II中各位置参数；

三.旋转透镜台使得原子力显微镜I位于样品正上方，将步骤二中记录的各位置参数输入原子力显微镜I，令探针I在二微米范围内沿着x轴正方向单方向扫描，即沿探针I(12)前端接近样品表面的一侧扫描，扫描速度3nm/s，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

四.探针I向上回缩距离50nm，并关闭原子力显微镜I的扫描反馈；

五.调整平面镜位置，使得激光束通过透镜台和原子力显微镜I射到探针I上；

六.激光器发射出激光，波长700nm；

七.信号发生器输出频率为1Hz的正弦波来控制磁体的电流信号，磁体产生磁场用于激发样品；

八.从样品表面反射的光束依次经过探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器后进入探测器，探测器输出对应的电流信号至前置放大器；

九.令探针I在二微米范围内沿着x轴正方向单方向扫描，即沿探针I前端接近样品表面的一侧扫描，沿x轴正方向扫描一微米距离后，令探针I缩回50nm，并移动至本次x方向扫描起始位置，然后在y轴正方向移动2nm，并重新令探针I逼近样品表面，开始下一次x方向扫描，最终得到xy平面内1微米×1微米范围内样品轮廓图像；

十.前置放大器采用30Hz的截止频率，增益5dB，补偿器与从前置放大器输出的直流信号匹配，然后，分别从补偿器和前置放大器输出的两个信号在差分放大器中相减，并被放大200倍后输入计算机；

十一.以z轴为旋转轴，旋转样品台，同时带动霍尔片及样品一起旋转，每次旋转一度，从-45度至+45度每旋转一度均进行实验，重复以上步骤七至步骤九；

十二.计算机分析步骤十中的数据，得到样品的磁滞回线。

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