JP2024025989A - Dc magnetic field measuring method and dc magnetic field measuring device, and ac magnetic field measuring method and ac magnetic field measuring device - Google Patents

Dc magnetic field measuring method and dc magnetic field measuring device, and ac magnetic field measuring method and ac magnetic field measuring device Download PDF

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準 齊藤
Jun Saito
哲 吉村
Satoru Yoshimura
透 松村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic field measuring method and device capable of quickly measuring a magnetic field value of a DC or AC magnetic field with a simple operation.
SOLUTION: A DC magnetic field measuring method, the method for measuring a DC magnetic field comprises the steps of: (a) exciting a cantilever including a superparamagnetic probe; (b) applying an AC magnetic field to the probe; (c) executing frequency demodulation of a detection signal of probe vibration; (d) measuring a frequency component of the AC magnetic field of the demodulated signal of the step (c); (e) scanning each of in-plane coordinates within a scanning area with the probe; (f) executing two-dimensional Fourier transform of information corresponding to the measurement result in the step (d) in the scanning area, in the in-plane direction; (g0) extracting from information of the Fourier transform obtained in the step (f), information of the DC magnetic field corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the AC magnetic field direction component based on the information of the AC magnetic field and the wave number in the in-plane direction; and (i0) executing the two-dimensional Fourier transform based on the information extracted in the step (g0).
SELECTED DRAWING: Figure 4
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

特許法第30条第2項適用申請有り (1)日本磁気学会,第45回 日本磁気学会学術講演概要集(2021),第140頁,令和3年8月17日Web公開,掲載URL:https://www.magnetics.jp/kouenkai/2021/doc/program/26ALL.pdf (2)日本磁気学会,第45回 日本磁気学会学術講演概要集(2021),第143頁,令和3年8月17日Web公開,掲載URL:https://www.magnetics.jp/kouenkai/2021/doc/program/26ALL.pdf (3)第45回 日本磁気学会学術講演会(オンライン開催),2021年9月2日,02aA-1「交番磁気力顕微鏡を用いた永久磁石の直流磁場イメージング」 (4)第45回 日本磁気学会学術講演会(オンライン開催),2021年9月2日,02aA-4「交番磁気力顕微鏡を用いた直流磁場イメージングの理論」Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act (1) Magnetic Society of Japan, 45th Academic Conference Abstracts of the Magnetic Society of Japan (2021), page 140, published on the web on August 17, 2021, URL: https://www. magnetics. jp/kouenkai/2021/doc/program/26ALL. pdf (2) Magnetic Society of Japan, 45th Academic Conference Abstracts of the Magnetic Society of Japan (2021), page 143, published online on August 17, 2021, URL: https://www. magnetics. jp/kouenkai/2021/doc/program/26ALL. pdf (3) 45th Academic Conference of the Magnetic Society of Japan (held online), September 2, 2021, 02aA-1 "DC magnetic field imaging of permanent magnets using an alternating magnetic force microscope" (4) 45th Japan Magnetics Society Academic Conference (held online), September 2, 2021, 02aA-4 "Theory of DC magnetic field imaging using alternating magnetic force microscope"

本発明は、磁気力顕微鏡に関し、より詳しくは、直流磁場測定方法および直流磁場測定装置、ならびに交流磁場測定方法および交流磁場測定装置に関する。 The present invention relates to a magnetic force microscope, and more particularly to a DC magnetic field measuring method and a DC magnetic field measuring device, and an alternating current magnetic field measuring method and an alternating current magnetic field measuring device.

磁性体試料の磁気情報に対応した磁化パターン等を測定する装置として、磁気力顕微鏡(MFM)が知られている。磁気力顕微鏡は磁性探針を備えており、その磁性探針の先端を観察対象である磁性体試料に近づけ、磁性探針の磁気モーメントと磁性体試料の磁気モーメントとの間に働く磁気的相互作用を検出することにより、磁化パターン等の測定を行う。 A magnetic force microscope (MFM) is known as a device that measures magnetization patterns and the like corresponding to magnetic information of a magnetic sample. A magnetic force microscope is equipped with a magnetic probe, and when the tip of the magnetic probe is brought close to the magnetic sample being observed, the magnetic interaction between the magnetic moment of the magnetic probe and the magnetic moment of the magnetic sample is detected. By detecting the effect, magnetization patterns and the like are measured.

磁気力顕微鏡の磁性探針としては、非磁性材料Siからなる探針素材上に、コバルト(Co)-クロム(Cr)基合金、ニッケル(Ni)-鉄(Fe)基合金、コバルト(Co)-白金(Pt)基合金、鉄(Fe)-白金(Pt)系規則合金や、鉄(Fe)基合金などの強磁性体の薄膜が形成されたものが一般的である(特許文献1~3)。 As a magnetic probe for a magnetic force microscope, cobalt (Co)-chromium (Cr)-based alloy, nickel (Ni)-iron (Fe)-based alloy, cobalt (Co) is used on a probe material made of non-magnetic material Si. -Thin films of ferromagnetic materials such as platinum (Pt)-based alloys, iron (Fe)-platinum (Pt)-based ordered alloys, and iron (Fe)-based alloys are generally formed (Patent Documents 1- 3).

本発明者らは、磁性体試料から生じる磁場を高い空間分解能で観察するために、交番磁気力顕微鏡(特許文献4、5)を開発した。これらの交番磁気力顕微鏡は、励振させているカンチレバーの先端に設けられた強磁性体探針の磁化の方向を外部からの交流磁場によって変化させ、探針磁化と磁性体試料の磁場との磁気的相互作用により生じる交番磁気力により探針振動に生じる周波数変調を検出することにより、試料表面近傍での直流磁場勾配または交流磁場勾配を観察する。 The present inventors developed an alternating magnetic force microscope (Patent Documents 4 and 5) in order to observe the magnetic field generated from a magnetic sample with high spatial resolution. These alternating magnetic force microscopes change the direction of magnetization of a ferromagnetic probe attached to the tip of an excited cantilever using an external alternating magnetic field, and the magnetization between the tip magnetization and the magnetic field of the magnetic sample is changed. The DC or AC magnetic field gradient near the sample surface is observed by detecting the frequency modulation that occurs in the tip vibration due to the alternating magnetic force caused by the interaction between the two.

さらに本発明者らは、例えば永久磁石に代表されるような強い(例えば10kOe以上の)直流磁場を発生する磁性体試料についても、磁気力顕微鏡によって高い空間分解能で磁場勾配を観察することを可能にするために、新たな磁性材料を用いた磁気力顕微鏡用探針を開発し、特許出願を行った(特許文献7)。特許文献7には、少なくとも1種の磁性材料を備え、室温において、具体的には少なくとも10~30℃の温度域にわたって、強い外部磁場、具体的には20kOeの外部磁場が印加されたときに磁化が飽和せず、(a)磁性材料が、1種以上の強磁性元素と1種以上の非磁性元素との固溶体である;(b)磁性材料が、1種以上の強磁性元素と1種以上の非磁性元素とを含む非晶質の磁性材料である;又は(c)磁性材料が、1種以上の強磁性体粒子と1種以上の非磁性材料とを含み、強磁性体粒子が非磁性材料中に分散されて支持されている構造を有する磁性材料であることを特徴とする、磁気力顕微鏡用探針が開示されている。このような磁性材料は強磁性体粒子の結晶粒径が強磁性の臨界粒径以下(10nm以下程度)になると、超常磁性を示す。超常磁性を示す材料(超常磁性材料)を磁性材料として備える磁気力顕微鏡探針は、「超常磁性探針」と呼ばれる。 Furthermore, the present inventors have discovered that it is possible to observe magnetic field gradients with high spatial resolution using a magnetic force microscope, even for magnetic samples that generate a strong DC magnetic field (e.g., 10 kOe or more), such as those typified by permanent magnets. In order to do so, we developed a magnetic force microscope probe using a new magnetic material and filed a patent application (Patent Document 7). Patent Document 7 discloses that the magnetic material is provided with at least one kind of magnetic material, and when a strong external magnetic field, specifically an external magnetic field of 20 kOe, is applied at room temperature, specifically over a temperature range of at least 10 to 30°C. magnetization is not saturated; (a) the magnetic material is a solid solution of one or more ferromagnetic elements and one or more non-magnetic elements; (b) the magnetic material is a solid solution of one or more ferromagnetic elements and one or more non-magnetic elements; or (c) the magnetic material contains one or more ferromagnetic particles and one or more non-magnetic materials, and the ferromagnetic particles A probe for a magnetic force microscope is disclosed, which is characterized in that it is made of a magnetic material having a structure in which it is dispersed and supported in a non-magnetic material. Such a magnetic material exhibits superparamagnetism when the crystal grain size of the ferromagnetic particles becomes less than the critical grain size for ferromagnetism (approximately 10 nm or less). A magnetic force microscope probe that includes a material exhibiting superparamagnetism (superparamagnetic material) as a magnetic material is called a "superparamagnetic probe."

特開2008-209276号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-209276 特開2004-20213号公報Japanese Patent Application Publication No. 2004-20213 特開平7-325139号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-325139 特許第4769918号公報Patent No. 4769918 国際公開第2013/047537号International Publication No. 2013/047537 国際公開第2014/157661号International Publication No. 2014/157661 国際公開第2016/024636号International Publication No. 2016/024636

H. Saito, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 191 (1999) 153-161.H. Saito, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 191 (1999) 153-161.

磁気力顕微鏡が高い空間分解能を有する理由は、その原理として磁場勾配を検出しているためである。その一方で、磁場勾配は、磁場そのものと比較して、解析および解釈が容易ではない。この点について、本発明者らは、磁性体試料から生じる直流磁場の正負を含めた絶対値を測定できる磁場測定方法および磁場値測定装置を開発し、特許出願を行った(特許文献6)。特許文献6に記載の直流磁場測定方法および装置は、外部磁場がゼロのときに磁化がゼロである性質をもつ磁性探針を観察試料から発生する直流磁場が加わっている状態で励振させ、当該探針の振動方向にゼロでない(大きな)変化率を有し且つ探針の機械振動周波数と異なる周波数の交流外部磁場を与えることにより、探針の励振振動を周波数変調させる。そして、探針先端に加わる観察試料からの直流磁場を、直流外部磁場を加えて打ち消すことで、探針振動の周波数変調を弱め、周波数変調の大きさがゼロ近傍の極小となったときの直流外部磁場を測定する。このときの直流外部磁場と逆の極性を有する直流磁場が、観察試料から発生する直流磁場である。 The reason why magnetic force microscopes have high spatial resolution is because their principle is to detect magnetic field gradients. On the other hand, magnetic field gradients are not easy to analyze and interpret compared to the magnetic field itself. In this regard, the present inventors have developed a magnetic field measuring method and a magnetic field value measuring device that can measure the absolute value, including the positive and negative, of a DC magnetic field generated from a magnetic sample, and have filed a patent application (Patent Document 6). The method and apparatus for measuring a DC magnetic field described in Patent Document 6 excite a magnetic probe, which has a property that magnetization is zero when the external magnetic field is zero, in a state where a DC magnetic field generated from an observation sample is applied. By applying an AC external magnetic field having a non-zero (large) rate of change in the direction of vibration of the probe and a frequency different from the mechanical vibration frequency of the probe, the excitation vibration of the probe is frequency-modulated. Then, by canceling the DC magnetic field from the observation sample that is applied to the tip of the probe by adding a DC external magnetic field, the frequency modulation of the probe vibration is weakened, and when the frequency modulation becomes a minimum near zero, the DC magnetic field Measure external magnetic field. The DC magnetic field having the opposite polarity to the DC external magnetic field at this time is the DC magnetic field generated from the observation sample.

特許文献6に記載の直流磁場測定方法および装置は、磁場勾配ではなく磁場そのものを測定結果として直接得ることができるという点で画期的であった。しかしながら、特許文献6に記載の直流磁場方法および装置を用いて、ある走査領域内の磁場像を取得しようとする場合、走査領域内に設定された面内座標の一つ一つについて、試料からの直流磁場を打ち消す外部直流磁場を見つけるまで、外部直流磁場の値を走査する必要がある。この問題は、走査領域に含まれる面内座標の数に比例して悪化することになる。したがって、走査領域全体の磁場像を得るまで時間がかかるという点で、依然として改善の余地があった。また特許文献6に記載の方法および装置を、交流磁場の測定に応用することは困難であった。 The DC magnetic field measurement method and apparatus described in Patent Document 6 was revolutionary in that it was possible to directly obtain the magnetic field itself as a measurement result, rather than the magnetic field gradient. However, when attempting to obtain a magnetic field image within a certain scanning region using the DC magnetic field method and apparatus described in Patent Document 6, each in-plane coordinate set within the scanning region is It is necessary to scan the values of the external DC magnetic field until finding an external DC magnetic field that cancels the DC magnetic field of . This problem worsens in proportion to the number of in-plane coordinates included in the scan area. Therefore, there is still room for improvement in that it takes time to obtain a magnetic field image of the entire scanning region. Furthermore, it has been difficult to apply the method and apparatus described in Patent Document 6 to measurement of alternating current magnetic fields.

なお特許文献7は、超常磁性探針を用いた磁場観察方法および磁場観察装置も開示している。特許文献7に記載の磁場観察方法および磁場観察装置によれば、永久磁石等の強い直流磁場を発生する磁性体試料の表面近傍において、改善された空間分解能で磁場を観察することが可能である。また、超常磁性探針に交流磁場を印加することによる探針磁化は、交流磁場の印加方向にのみ生じるので、印加した交流磁場に直交する磁場成分の影響を排して、印加した交流磁場に平行な磁場成分のみを観察することが容易になる。しかしながら、特許文献7に記載の磁場観察方法および磁場観察装置は、従来の磁場観察方法および磁場観察装置と同様に、あくまで磁場勾配を観察する技術である。そのため、測定結果の解析および解釈が容易でないという、従来の磁場観察方法および磁場観察装置と同様の問題を有していた。 Note that Patent Document 7 also discloses a magnetic field observation method and a magnetic field observation apparatus using a superparamagnetic probe. According to the magnetic field observation method and magnetic field observation device described in Patent Document 7, it is possible to observe the magnetic field with improved spatial resolution near the surface of a magnetic sample such as a permanent magnet that generates a strong DC magnetic field. . In addition, since tip magnetization caused by applying an alternating magnetic field to a superparamagnetic probe occurs only in the direction of application of the alternating magnetic field, the influence of the magnetic field component perpendicular to the applied alternating magnetic field is eliminated, and the applied alternating magnetic field It becomes easy to observe only parallel magnetic field components. However, the magnetic field observation method and magnetic field observation apparatus described in Patent Document 7 are techniques for observing magnetic field gradients, like the conventional magnetic field observation method and magnetic field observation apparatus. Therefore, it has the same problem as conventional magnetic field observation methods and magnetic field observation devices, in that it is not easy to analyze and interpret measurement results.

本発明は、直流磁場または交流磁場の磁場値を、簡易な操作で迅速に測定することが可能な、磁場測定方法を提供することを課題とする。また、該磁場測定方法に好ましく用いることができる磁場測定装置を提供する。 An object of the present invention is to provide a magnetic field measuring method that can quickly measure the magnetic field value of a DC magnetic field or an AC magnetic field with a simple operation. Furthermore, a magnetic field measuring device that can be preferably used in the magnetic field measuring method is provided.

本発明は、下記[1]~[4]の実施形態を包含する。
[1] 直流磁場を測定する方法であって、
(a)印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーを励振させる工程と、
(b)前記工程(a)を行いながら、交流磁場発生器から交流磁場を前記探針に印加し、前記探針の磁化を周期的に変動させることにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる工程と、
(c)前記工程(b)を行いながら、前記探針の振動を検出し、該探針の振動の検出信号を周波数復調する工程と、
(d)前記工程(c)で復調された信号の、前記交流磁場の周波数の成分を測定する工程と、
(e)前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させ、前記走査領域内に設定された各面内座標について、前記工程(a)~(d)を行う工程と、
(f)前記走査領域における、前記工程(d)の測定結果に対応する情報を、前記走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換する工程と、
(g0)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程と、
(i0)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得る工程と、
を含み、
前記工程(g0)における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロである
ことを特徴とする、直流磁場測定方法。
The present invention includes the embodiments [1] to [4] below.
[1] A method for measuring a direct current magnetic field, comprising:
(a) exciting a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field;
(b) While performing step (a), an alternating current magnetic field is applied to the probe from an alternating current magnetic field generator to periodically vary the magnetization of the probe, thereby modulating the frequency of the excitation vibration of the cantilever. process and
(c) while performing the step (b), detecting the vibration of the probe and demodulating the frequency of the detection signal of the vibration of the probe;
(d) measuring the frequency component of the alternating magnetic field of the signal demodulated in step (c);
(e) The probe is caused to scan a scanning area set in a plane intersecting the vibration direction of the probe, and the steps (a) to ( d);
(f) performing a two-dimensional Fourier transform on the information corresponding to the measurement result of the step (d) in the scanning region in the in-plane direction of the scanning region;
(g0) From the Fourier transform information obtained in step (f), extract information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. The process of
(i0) Based on the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning region, each of the components within the scanning region is For in-plane coordinates, obtaining a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the step (g0) includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the a second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, or a combination of two ratios therebetween and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region; carried out based on
A method for measuring a DC magnetic field, characterized in that the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe and the value of the second derivative of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are non-zero.

[2] 直流磁場を測定する装置であって、
印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
交流磁場を前記探針に印加し、前記探針の磁化を周期的に変動させることにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる、交流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させる、走査機構と、
前記振動センサーの検出信号を周波数復調する、復調器と、
前記復調器からの復調信号に含まれる、前記交流磁場の周波数の成分を測定する、検出器と、
前記走査領域内の各面内座標について、前記検出器の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された、前記走査領域の各面内座標についての測定値を、前記面内座標について二次元フーリエ変換する、フーリエ変換器と、
前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第1の波数フィルタ演算器と、
前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得ることが可能に構成された、逆フーリエ変換器と、
を含み、
前記第1の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロである
ことを特徴とする、直流磁場測定装置。
[2] A device for measuring a direct current magnetic field,
a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of an applied magnetic field;
an exciter that excites the cantilever;
an alternating current magnetic field generator that frequency-modulates the excitation vibration of the cantilever by applying an alternating magnetic field to the probe and periodically varying the magnetization of the probe;
a vibration sensor that detects vibrations of the probe;
a scanning mechanism that causes the probe to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe;
a demodulator that frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor;
a detector that measures a frequency component of the alternating magnetic field included in the demodulated signal from the demodulator;
a storage device that stores a measurement value corresponding to a measurement signal of the detector for each in-plane coordinate in the scanning area;
a Fourier transformer that performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate of the scanning area stored in the storage device with respect to the in-plane coordinate;
From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, it is possible to extract information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in an in-plane direction of the scanning area. a first wave number filter computing unit configured to;
Each in-plane coordinate within the scanning area is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to the two-dimensional Fourier transformation of the component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. an inverse Fourier transformer configured to be able to obtain a value corresponding to a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field;
including;
The extraction in the first wave number filter calculator includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. It is done based on a combination of
A DC magnetic field measuring device, wherein the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe and the value of the second derivative of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are non-zero.

[3] 交流磁場を測定する方法であって、
(a)印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーを励振させる工程と、
(b)前記工程(a)を行いながら、直流磁場発生器から直流磁場を前記探針に印加することにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる工程と、
(c)前記工程(b)を行いながら、前記探針の振動を検出し、該探針の振動の検出信号を周波数復調する工程と、
(d)前記工程(c)で復調された信号の、前記交流磁場の測定すべき周波数成分に対応する周波数の成分を測定する工程と、
(e)前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させ、前記走査領域内に設定された各面内座標について、前記工程(a)~(d)を行う工程と、
(f)前記走査領域における、前記工程(d)の測定結果に対応する情報を、前記走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換する工程と、
(g0)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程と、
(i0)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得る工程と、
を含み、
前記工程(g0)における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場、および、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロである
ことを特徴とする、交流磁場測定方法。
[3] A method of measuring an alternating magnetic field, comprising:
(a) exciting a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field;
(b) while performing the step (a), frequency-modulating the excitation vibration of the cantilever by applying a DC magnetic field to the probe from a DC magnetic field generator;
(c) while performing the step (b), detecting the vibration of the probe and demodulating the frequency of the detection signal of the vibration of the probe;
(d) measuring a frequency component of the signal demodulated in step (c) that corresponds to the frequency component to be measured of the alternating magnetic field;
(e) The probe is caused to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe, and the steps (a) to ( d);
(f) performing a two-dimensional Fourier transform on the information corresponding to the measurement result of the step (d) in the scanning region in the in-plane direction of the scanning region;
(g0) From the Fourier transform information obtained in step (f), two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field is performed in the in-plane direction of the scanning area. a step of extracting information corresponding to the
(i0) By two-dimensional inverse Fourier transform based on information corresponding to two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, For each in-plane coordinate within the scanning area, obtaining a value corresponding to the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the step (g0) includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the position of the probe. is performed based on the second derivative of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region,
AC magnetic field measurement, characterized in that the value of the DC magnetic field at the position of the probe and the second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe are non-zero. Method.

[4] 交流磁場を測定する装置であって、
印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
直流磁場を前記探針に印加することにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる、直流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させる、走査機構と、
前記振動センサーの検出信号を周波数復調する、復調器と、
前記復調器からの復調信号に含まれる、前記交流磁場の測定すべき周波数の成分に対応する周波数成分を測定する、検出器と、
前記走査領域内の各面内座標について、前記検出器の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された、前記走査領域の各面内座標についての測定値を、前記面内座標について二次元フーリエ変換する、フーリエ変換器と、
前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第1の波数フィルタ演算器と、
前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得ることが可能に構成された、逆フーリエ変換器と、
を含み、
前記第1の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場、および、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロである
ことを特徴とする、交流磁場測定装置。
[4] A device for measuring an alternating current magnetic field,
a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of an applied magnetic field;
an exciter that excites the cantilever;
a DC magnetic field generator that frequency-modulates the excitation vibration of the cantilever by applying a DC magnetic field to the probe;
a vibration sensor that detects vibrations of the probe;
a scanning mechanism that causes the probe to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe;
a demodulator that frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor;
a detector that measures a frequency component included in the demodulated signal from the demodulator that corresponds to a frequency component to be measured of the alternating current magnetic field;
a storage device that stores a measurement value corresponding to a measurement signal of the detector for each in-plane coordinate in the scanning area;
a Fourier transformer that performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate of the scanning area stored in the storage device with respect to the in-plane coordinate;
Information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of the amplitude of a component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, from the Fourier transform information output from the Fourier transformer. a first wave number filter calculator configured to be able to extract the
The scanning area is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to two-dimensional Fourier transformation of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the DC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. an inverse Fourier transformer configured to be able to obtain, for each in-plane coordinate within, a value corresponding to the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the first wave number filter calculator includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the probe. Based on the second derivative of the DC magnetic field at the needle position with respect to the vibration direction of the probe, or the two ratios therebetween, and the combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. I,
AC magnetic field measurement, characterized in that the value of the DC magnetic field at the position of the probe and the second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe are non-zero. Device.

本発明の直流磁場測定方法および交流磁場測定方法においては、磁気力勾配に対応する工程(d)の測定結果を、一旦、走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換し(工程(f))、フーリエ空間上で、波数と探針に印加した交流磁場の情報とに基づく抽出処理を行う(工程(g0)、並びに任意的に、工程(g2)及び/又は工程(g1))。この抽出処理により、磁気力勾配に対応する情報から、磁場のフーリエ変換に対応する情報(並びに任意的に、磁場の2階微分のフーリエ変換に対応する情報、及び/又は、磁場の1階微分(すなわち磁場勾配)のフーリエ変換に対応する情報)を直接取り出すことができる。磁場のフーリエ変換に対応する情報に基づいて、逆フーリエ変換により、実空間での磁場像を得ることができる(工程(i0))。このような磁場像は、従来の磁気力顕微鏡を用いた磁場勾配イメージングでは得られなかったものである。さらに、直流磁場の測定にあっては、走査領域内の各面内座標での測定のたびに交流磁場発生器から探針に印加する交流磁場の強度を変化させる必要はなく、交流磁場の測定にあっては、走査領域内の各面内座標での測定のたびに直流磁場発生器から探針に印加する直流磁場の強度を変化させる必要はない。したがって、走査領域内の各面内座標での測定が短時間で済むので、直流磁場または交流磁場の磁場自体を、簡易な操作で迅速に測定することが可能である。 In the DC magnetic field measurement method and the AC magnetic field measurement method of the present invention, the measurement results in step (d) corresponding to the magnetic force gradient are once subjected to two-dimensional Fourier transformation in the in-plane direction of the scanning region (step (f)). , in Fourier space, performs an extraction process based on the wave number and information on the alternating magnetic field applied to the probe (step (g0), and optionally, step (g2) and/or step (g1)). Through this extraction process, information corresponding to the Fourier transform of the magnetic field (and optionally information corresponding to the Fourier transform of the second derivative of the magnetic field and/or information corresponding to the first derivative of the magnetic field) is extracted from the information corresponding to the magnetic force gradient. (that is, information corresponding to the Fourier transform of the magnetic field gradient) can be directly extracted. Based on the information corresponding to the Fourier transform of the magnetic field, a magnetic field image in real space can be obtained by inverse Fourier transform (step (i0)). Such a magnetic field image could not be obtained by magnetic field gradient imaging using a conventional magnetic force microscope. Furthermore, when measuring a DC magnetic field, it is not necessary to change the strength of the AC magnetic field applied to the probe from the AC magnetic field generator each time measurement is made at each in-plane coordinate within the scanning area. In this case, it is not necessary to change the strength of the DC magnetic field applied to the probe from the DC magnetic field generator every time measurements are taken at each in-plane coordinate within the scanning region. Therefore, the measurement at each in-plane coordinate within the scanning area can be completed in a short time, so that the magnetic field itself of the DC magnetic field or the AC magnetic field can be quickly measured with simple operations.

本発明の直流磁場測定装置または交流磁場測定装置は、本発明の直流磁場測定方法または交流磁場測定方法による直流磁場または交流磁場の測定に、それぞれ好ましく用いることができる。 The DC magnetic field measurement device or the AC magnetic field measurement device of the present invention can be preferably used for measuring a DC magnetic field or an AC magnetic field by the DC magnetic field measurement method or the AC magnetic field measurement method of the present invention, respectively.

一の実施形態に係る超常磁性探針の構成を模式的に説明する図である。FIG. 1 is a diagram schematically explaining the configuration of a superparamagnetic probe according to one embodiment. 図1のA-A矢視図である。2 is a view taken along the line AA in FIG. 1. FIG. 磁性被膜の成膜に用いるスパッタリング装置の構成を模式的に説明する図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the configuration of a sputtering apparatus used for forming a magnetic coating. 本発明の一の実施形態に係る直流磁場測定装置1000の構成を模式的に説明する図である。FIG. 1 is a diagram schematically explaining the configuration of a DC magnetic field measuring device 1000 according to an embodiment of the present invention. 一の実施形態に係る信号処理装置600の構成、および、信号処理装置600におけるデータ処理の流れを説明する図である。6 is a diagram illustrating the configuration of a signal processing device 600 and the flow of data processing in the signal processing device 600 according to one embodiment. FIG. 本発明の他の一の実施形態に係る直流磁場測定装置2000の構成を模式的に説明する図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the configuration of a DC magnetic field measuring device 2000 according to another embodiment of the present invention. 本発明の一の実施形態に係る交流磁場測定装置3000の構成を模式的に説明する図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the configuration of an alternating current magnetic field measuring device 3000 according to an embodiment of the present invention. 一の実施形態に係る信号処理装置3600の構成、および、信号処理装置3600におけるデータ処理の流れを説明する図である。3 is a diagram illustrating the configuration of a signal processing device 3600 and the flow of data processing in the signal processing device 3600 according to one embodiment. FIG. 本発明の他の一の実施形態に係る交流磁場測定装置4000の構成を模式的に説明する図である。FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the configuration of an alternating current magnetic field measuring device 4000 according to another embodiment of the present invention. 実施例において用いた空芯コイルの平面図(写真)である。FIG. 2 is a plan view (photograph) of an air-core coil used in Examples. (A)外部直流磁場を印加していないときのH dc(sample)(x,y,z)像である。(B)H dc(sample)=0Oeの等値線を表した図である。(C)Hdc(ex)=-600Oeの外部直流磁場を印加したときのH dc(sample)(x,y,z)像である。(D)H dc(sample)=600Oeの等値線を表した図である。(E)Hdc(ex)=-1kOeの外部直流磁場を印加したときのH dc(sample)(x,y,z)像である。(F)H dc(sample)=1kOeの等値線を表した図である。(G)較正後のH dc(sample)(x,y,z)像である。(A) It is a Hz dc (sample) (x, y, z) image when no external DC magnetic field is applied. (B) It is a figure showing the isopleth line of Hzdc (sample) =0Oe. (C) H z dc (sample) (x, y, z) image when an external DC magnetic field of H dc (ex) = -600 Oe is applied. (D) It is a figure showing the isopleth line of Hz dc (sample) =600Oe. (E) H z dc (sample) (x, y, z) image when an external DC magnetic field of H dc (ex) = -1 kOe is applied. (F) It is a figure showing the isopleth line of Hz dc (sample) =1 kOe. (G) H z dc(sample) (x, y, z) image after calibration. (A)工程(i2-2)で得られた∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)像である。(B)工程(i2-0)で得られたH dc(sample)(x,y,z)像である。(A) is a ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (x, y, z) image obtained in step (i2-2). (B) Hz dc(sample) (x, y, z) image obtained in step (i2-0).

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。なお、図面は必ずしも正確な寸法を反映したものではない。また図では、一部の符号を省略することがある。本明細書においては特に断らない限り、数値A及びBについて「A~B」という表記は「A以上B以下」を意味するものとする。かかる表記において数値Bのみに単位を付した場合には、当該単位が数値Aにも適用されるものとする。また「又は」及び「若しくは」の語は、特に断りのない限り論理和を意味するものとする。また要素E及びEについて「E及び/又はE」という表記は「E若しくはE、又はそれらの組み合わせ」を意味するものとし、要素E、…、E(Nは3以上の整数)について「E、…、EN-1、及び/又はE」という表記は「E、…、EN-1、若しくはE、又はそれらの組み合わせ」を意味するものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these forms. Note that the drawings do not necessarily reflect exact dimensions. Also, some symbols may be omitted in the figures. In this specification, unless otherwise specified, the notation "A to B" for numerical values A and B means "above A and below B". In such a notation, if a unit is attached only to the numerical value B, the unit shall also be applied to the numerical value A. Furthermore, the words "or" and "or" shall mean a logical sum unless otherwise specified. Regarding elements E 1 and E 2 , the notation "E 1 and/or E 2 " means "E 1 or E 2 , or a combination thereof", and the elements E 1 , ..., E N (N is 3 (integers above), the notation "E 1 , ..., E N-1 , and/or E N " means "E 1 , ..., E N-1 , or E N , or a combination thereof". do.

<1.超常磁性探針>
本発明の直流磁場測定方法および直流磁場測定装置、ならびに交流磁場測定方法および交流磁場測定装置について説明する前に、これらの方法および装置において用いられる磁気力顕微鏡用探針(超常磁性探針)について説明する。図1は、一の実施形態に係る磁気力顕微鏡用探針10(以下において「探針10」ということがある。)を模式的に説明する図であり、図2は、図1のA-A矢視図である。図1及び図2に示すように、磁気力顕微鏡用探針10は、非磁性体からなる三角錐形状の芯部材1と、該芯部材1の表面の少なくとも一部を被覆する磁性材料の被膜3(以下において「磁性被膜3」ということがある。)とを有する。磁気力顕微鏡用探針10は、三角錐形状の芯部材の底面がカンチレバー2の一方の端部に固定されていることにより、カンチレバー2の一方の端部に立設されている。なお図1に示すように、磁性材料の被膜3は、芯部材1の表面だけでなく、カンチレバー2の表面も被覆していてもよい。
<1. Superparamagnetic probe>
Before explaining the DC magnetic field measurement method and DC magnetic field measurement device, as well as the AC magnetic field measurement method and AC magnetic field measurement device of the present invention, we will explain the magnetic force microscope probe (superparamagnetic probe) used in these methods and devices. explain. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a magnetic force microscope probe 10 (hereinafter sometimes referred to as "probe 10") according to one embodiment, and FIG. It is a view from arrow A. As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetic force microscope probe 10 includes a triangular pyramid-shaped core member 1 made of a non-magnetic material, and a coating made of a magnetic material that covers at least a part of the surface of the core member 1. 3 (hereinafter sometimes referred to as "magnetic coating 3"). The magnetic force microscope probe 10 is erected at one end of the cantilever 2 by fixing the bottom surface of a triangular pyramid-shaped core member to one end of the cantilever 2 . As shown in FIG. 1, the magnetic material coating 3 may cover not only the surface of the core member 1 but also the surface of the cantilever 2.

探針10は、芯部材1の表面が磁性被膜3で被覆されていることにより、少なくとも1種の磁性材料を備えている。探針10は、室温において、より具体的には少なくとも10~30℃の温度域にわたって、強度20kOeの外部磁場が印加されたときに、磁化が飽和しないという特徴を有する。そのため、探針10を磁気力顕微鏡に用いることにより、強い磁場を印加しても探針磁化の飽和が起きないので、強い磁場を発生する観察試料に対しても高い感度および空間分解能での磁場観察が可能となる。 The probe 10 includes at least one kind of magnetic material by coating the surface of the core member 1 with a magnetic coating 3. The probe 10 is characterized in that its magnetization does not saturate when an external magnetic field with a strength of 20 kOe is applied at room temperature, more specifically over a temperature range of at least 10 to 30°C. Therefore, by using the probe 10 in a magnetic force microscope, saturation of the probe magnetization does not occur even when a strong magnetic field is applied, so even for observation samples that generate strong magnetic fields, the magnetic field can be applied with high sensitivity and spatial resolution. Observation becomes possible.

好ましくは、探針10は、消磁後か着磁後かに関わらず、磁場が印加されていない条件下では室温において、より具体的には少なくとも10~30℃の温度域にわたって磁化を有しない。磁場が印加されていない条件下で残留磁化を有しない(よってヒステリシスも有しない)探針10によれば、磁気力顕微鏡を用いた磁場観察において、高精度の計測が可能になる。 Preferably, the probe 10, whether after demagnetization or magnetization, has no magnetization under conditions in which no magnetic field is applied at room temperature, more specifically over a temperature range of at least 10 to 30°C. According to the probe 10 which has no residual magnetization (and therefore has no hysteresis) under conditions where no magnetic field is applied, highly accurate measurement is possible in magnetic field observation using a magnetic force microscope.

(芯部材1)
芯部材1は、非磁性体からなり、探針10の概形を定める部材であって、表面に磁性被膜3を保持する役割を果たす。芯部材1の一方の端部は、カンチレバー2の一方の端部に立設されており、芯部材1の他方の端部は、先端に向かうにしたがって尖るように成形されている。芯部材1を構成する非磁性体としては、探針10の形状を維持するために必要な強度を有する非磁性体を特に制限なく採用可能であり、例えばSi、Si-N、Si-O等を好ましく用いることができる。
なお図1、2に示している探針10において、芯部材1は三角錐形状を有しているが、芯部材1の形状は三角錐形状に限定されるものではない。磁気力顕微鏡による磁場観察に必要な空間分解能および必要な強度を確保できる限りにおいて、その形状は適宜選択することができる。ただし、磁場観察の空間分解能を高める観点からは、その形状はとがった先端部を有することが好ましく、カンチレバー2に固定される側の端部は、カンチレバー2との固定を容易にするためにある程度の大きさを有することが好ましい。このような事情を考慮すると、三角錐形状、四角錐形状、円錐形状等の錐形状を好ましく採用することができる。
(Core member 1)
The core member 1 is made of a non-magnetic material, is a member that defines the general shape of the probe 10, and plays the role of holding the magnetic coating 3 on its surface. One end of the core member 1 is erected on one end of the cantilever 2, and the other end of the core member 1 is shaped to become sharper toward the tip. As the non-magnetic material constituting the core member 1, any non-magnetic material having the strength necessary to maintain the shape of the probe 10 can be used without any particular restriction, such as Si, Si-N, Si-O, etc. can be preferably used.
In the probe 10 shown in FIGS. 1 and 2, the core member 1 has a triangular pyramid shape, but the shape of the core member 1 is not limited to the triangular pyramid shape. The shape can be appropriately selected as long as the spatial resolution and strength required for magnetic field observation using a magnetic force microscope can be ensured. However, from the viewpoint of increasing the spatial resolution of magnetic field observation, it is preferable that the shape has a pointed tip, and the end on the side fixed to the cantilever 2 should be shaped to a certain extent in order to facilitate fixation with the cantilever 2. It is preferable to have a size of . Considering these circumstances, a pyramid shape such as a triangular pyramid shape, a quadrangular pyramid shape, or a conical shape can be preferably employed.

(磁性被膜3)
磁性被膜3を構成する磁性材料は、常磁性体、及び超常磁性合金からなる群から選ばれる1種以上の磁性材料とすることができる。これら強磁性体以外の磁性材料の磁気モーメントは強磁性体より小さいので、これらの磁性材料によって磁性被膜3を構成することにより、磁気力顕微鏡を用いて永久磁石等の強磁場発生試料の磁場を観察する場合であっても、磁性体試料からの磁場によって探針10に誘起される磁気モーメントと磁性体試料の磁気モーメントとの磁気的相互作用により探針10に作用する磁気力によって探針10が磁性体試料に磁気吸着される事態を防止することができる。磁性被膜3の膜厚は、磁気力顕微鏡における測定感度(磁性被膜3が厚いほど感度は向上する)と、空間分解能(磁性被膜3が厚いほど探針10の先端が鈍い形状になり空間分解能は低下する)とのトレードオフを考慮して、適宜決定することができる。なお磁性被膜3を構成する磁性材料の初磁化率は、室温において、より具体的には少なくとも10~30℃の温度域にわたって、3×10-8H/m以上であることが好ましい。
(Magnetic coating 3)
The magnetic material constituting the magnetic film 3 can be one or more magnetic materials selected from the group consisting of paramagnetic materials and superparamagnetic alloys. Since the magnetic moment of magnetic materials other than these ferromagnetic materials is smaller than that of ferromagnetic materials, by forming the magnetic film 3 with these magnetic materials, it is possible to use a magnetic force microscope to detect the magnetic field of a sample that generates a strong magnetic field such as a permanent magnet. Even when observing, the probe 10 is moved by the magnetic force acting on the probe 10 due to the magnetic interaction between the magnetic moment induced in the probe 10 by the magnetic field from the magnetic sample and the magnetic moment of the magnetic sample. It is possible to prevent a situation where the magnetic material is magnetically attracted to the magnetic sample. The thickness of the magnetic coating 3 is determined by the measurement sensitivity of the magnetic force microscope (the thicker the magnetic coating 3, the better the sensitivity) and the spatial resolution (the thicker the magnetic coating 3, the blunter the tip of the probe 10 becomes, and the spatial resolution decreases. The decision can be made as appropriate, taking into account the trade-off between Note that the initial magnetic susceptibility of the magnetic material constituting the magnetic coating 3 is preferably at least 3×10 −8 H/m at room temperature, more specifically over a temperature range of at least 10 to 30° C.

常磁性体はキュリー温度付近で最も大きな磁化率を示す(ホプキンソン効果)。したがって、磁性被膜3を構成する磁性材料として好ましく使用可能な常磁性体としては、常磁性体のキュリー温度を調整することで磁化率を高めて磁気力顕微鏡の測定感度を高めることが可能である点で、1種以上の強磁性元素と1種以上の非磁性元素とを含んでなる磁性材料を好ましく用いることができる。具体的には、(a)1種以上の強磁性元素と1種以上の非磁性元素とが固溶体を形成したもの(以下において「固溶体型常磁性材料」ということがある。)、及び、(b)1種以上の強磁性元素と1種以上の非磁性元素とが非晶質構造を形成したもの(以下において「非晶質型常磁性材料」ということがある。)を好ましく採用できる。これらの多成分系の常磁性体においては、強磁性元素が、Ni、Fe、及びCoからなる群から選ばれる1種以上の強磁性元素であり、非磁性元素が、Ti、V,Cr,Mn,Cu、Zn、Zr、Nb,Mo、Ta、W、B、Al、C、O、N、及びSiからなる群から選ばれる1種以上の非磁性元素であることが好ましい。なお、少ない量の非磁性元素でキュリー温度を下げる観点からは、Cr、Mn、Moから選ばれる1種以上の元素を上記非磁性元素として含むことがより好ましい。 Paramagnetic materials exhibit the highest magnetic susceptibility near the Curie temperature (Hopkinson effect). Therefore, as a paramagnetic material that can be preferably used as the magnetic material constituting the magnetic coating 3, it is possible to increase the magnetic susceptibility and increase the measurement sensitivity of the magnetic force microscope by adjusting the Curie temperature of the paramagnetic material. In this respect, a magnetic material containing one or more ferromagnetic elements and one or more non-magnetic elements can be preferably used. Specifically, (a) one or more ferromagnetic elements and one or more non-magnetic elements forming a solid solution (hereinafter sometimes referred to as "solid solution paramagnetic material"), and ( b) A material in which one or more ferromagnetic elements and one or more non-magnetic elements form an amorphous structure (hereinafter sometimes referred to as "amorphous paramagnetic material") can be preferably employed. In these multicomponent paramagnetic materials, the ferromagnetic element is one or more ferromagnetic elements selected from the group consisting of Ni, Fe, and Co, and the nonmagnetic elements are Ti, V, Cr, Preferably, it is one or more nonmagnetic elements selected from the group consisting of Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ta, W, B, Al, C, O, N, and Si. Note that from the viewpoint of lowering the Curie temperature with a small amount of nonmagnetic element, it is more preferable to include one or more elements selected from Cr, Mn, and Mo as the nonmagnetic element.

上記(a)固溶体型常磁性材料は、当該固溶体型常磁性材料の全量に対する強磁性元素の全含有量が50~70原子%、非磁性元素の全含有量が30~50原子%である組成を有することが好ましい。 The above solid solution paramagnetic material (a) has a composition in which the total content of ferromagnetic elements is 50 to 70 at% and the total content of nonmagnetic elements is 30 to 50 at% based on the total amount of the solid solution paramagnetic material. It is preferable to have.

上記(b)非晶質型常磁性材料は、当該非晶質型常磁性材料の全量に対する強磁性元素の全含有量が70~90原子%、非磁性元素の全含有量が10~30原子%である組成を有することが好ましい。 The above (b) amorphous paramagnetic material has a total content of ferromagnetic elements of 70 to 90 at% and a total content of nonmagnetic elements of 10 to 30 at% based on the total amount of the amorphous paramagnetic material. %.

上記(a)固溶体型常磁性材料の具体例としては、Ni-Cr固溶体(例えばNi93Cr(25℃において初磁化率4.7×10-8H/m))、Fe-Cr固溶体(例えばFe59Cr41(25℃において初磁化率6.0×10-8H/m))、Fe-Mn固溶体(例えばFe67Mn33(25℃において初磁化率1.2×10-7H/m))等を好ましく挙げることができる。 Specific examples of the solid solution type paramagnetic material (a) include Ni-Cr solid solution (for example, Ni 93 Cr 7 (initial magnetic susceptibility 4.7×10 -8 H/m at 25°C)), Fe-Cr solid solution ( For example, Fe 59 Cr 41 (initial magnetic susceptibility 6.0×10 -8 H/m at 25°C), Fe-Mn solid solution (eg Fe 67 Mn 33 (initial magnetic susceptibility 1.2×10 -7 H at 25°C) /m)) etc. can be preferably mentioned.

上記(b)非晶質型常磁性材料の具体例としては、Fe-Mo-B非晶質材料(例えばFe86Mo7.56.5(25℃において初磁化率1.4×10-7H/m))等を好ましく挙げることができる。 A specific example of the amorphous paramagnetic material (b) is an Fe-Mo-B amorphous material (for example, Fe 86 Mo 7.5 B 6.5 (initial magnetic susceptibility 1.4×10 at 25°C) -7 H/m)) and the like can be preferably mentioned.

これらの多成分系の常磁性体で磁性被膜3を作製するにあたっては、例えば、各成分を同時スパッタリングにより芯部材1の表面に堆積させる方法を好ましく採用できる。その際、芯部材1の表面に堆積される磁性被膜3の組成は、各成分のスパッタリングターゲットに印加する電力量やスパッタリングターゲットに貼り付ける薄膜素材シートの量によって調整することができる。 In producing the magnetic film 3 using these multi-component paramagnetic materials, for example, a method of depositing each component on the surface of the core member 1 by simultaneous sputtering can be preferably employed. At this time, the composition of the magnetic coating 3 deposited on the surface of the core member 1 can be adjusted by the amount of electric power applied to the sputtering target of each component and the amount of the thin film material sheet attached to the sputtering target.

本明細書において、ある材料が「超常磁性を示す」とは、当該材料に含まれる自発磁化を有する強磁性体(本発明において「強磁性体」はフェリ磁性体を包含する概念とする。)の粒子が、隣接する粒子との磁気的相互作用が弱い状態にあって且つ粒子サイズが小さいことにより、熱エネルギーの影響で個々の粒子の磁化の向きがランダムに変化し、磁場を印加しない状態で材料全体の磁化が平均してゼロとなることを意味する。磁性被膜3に使用可能な磁性材料であって超常磁性を示すものとしては、(c)1種以上の強磁性体粒子と1種以上の非磁性材料とを含み、強磁性体粒子が非磁性材料中に分散されて支持されている構造を有する磁性材料(以下において「グラニュラー型超常磁性材料」ということがある。)を好ましく例示できる。グラニュラー型超常磁性材料においては、微細な強磁性体粒子が非磁性マトリックス中に分散して磁気的に孤立した状態で存在し、強磁性体粒子の磁気エネルギーが熱エネルギーに対してある閾値以下になることにより、強磁性体粒子の磁気モーメントが熱の影響によりランダムにその方向を変化させることによって超常磁性が発現する。 In this specification, when a certain material "exhibits superparamagnetism", it refers to a ferromagnetic material that has spontaneous magnetization contained in the material (in the present invention, "ferromagnetic material" is a concept that includes ferrimagnetic material). A state in which the magnetic interaction between adjacent particles is weak and the particle size is small, so the direction of magnetization of each particle changes randomly due to the influence of thermal energy, and no magnetic field is applied. This means that the magnetization of the entire material is zero on average. Magnetic materials that can be used for the magnetic coating 3 and exhibit superparamagnetism include (c) containing one or more types of ferromagnetic particles and one or more types of non-magnetic material, where the ferromagnetic particles are non-magnetic; A preferred example is a magnetic material having a structure that is dispersed and supported within the material (hereinafter sometimes referred to as "granular superparamagnetic material"). In granular superparamagnetic materials, fine ferromagnetic particles are dispersed in a non-magnetic matrix and exist in a magnetically isolated state, and the magnetic energy of the ferromagnetic particles is below a certain threshold relative to thermal energy. As a result, the magnetic moment of the ferromagnetic particles randomly changes its direction due to the influence of heat, and thus superparamagnetism is developed.

磁性被膜3にグラニュラー型超常磁性材料を用いる場合、磁性材料の全量に対して、強磁性体粒子の含有量が10~45体積%、非磁性材料の含有量が55~90体積%であることが好ましい。強磁性体粒子の含有量を上記範囲内とすることにより、強磁性体粒子どうしの接触を抑制できるので、強磁性体粒子の磁気的な孤立状態を実現することが容易になる。同様の観点から、強磁性体粒子の含有量が15~40体積%、非磁性材料の含有量が60~85体積%であることがより好ましい。 When using a granular superparamagnetic material for the magnetic coating 3, the content of ferromagnetic particles is 10 to 45% by volume, and the content of nonmagnetic material is 55 to 90% by volume, based on the total amount of magnetic material. is preferred. By setting the content of the ferromagnetic particles within the above range, contact between the ferromagnetic particles can be suppressed, and therefore it becomes easy to realize a magnetically isolated state of the ferromagnetic particles. From the same viewpoint, it is more preferable that the content of the ferromagnetic particles is 15 to 40% by volume, and the content of the nonmagnetic material is 60 to 85% by volume.

そして強磁性体粒子の磁気エネルギーを減少させ、熱エネルギーによる磁気モーメントのランダム化を容易にする観点から、グラニュラー型超常磁性材料における強磁性材料粒子の粒子サイズは、画像解析法による球換算直径の平均値として、好ましくは30nm以下であり、より好ましくは5~10nmである。強磁性材料の粒子サイズには材料固有の臨界粒径があり、強磁性材料の粒子サイズがこの臨界粒径以上になると強磁性材料粒子は超常磁性状態から強磁性状態に変化し磁気ヒステリシスを示すようになるので、強磁性材料粒子のサイズは当該材料の臨界粒径以下とすることが好ましい。例えば強磁性材料として面心立方構造(fcc)のコバルト(Co)を用いる場合には、コバルト粒子の粒子サイズは10nm以下であることが好ましく、8nm以下であることがより好ましい。ここで、強磁性体粒子の画像解析法による球換算直径とは、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて、2次電子検出により倍率10万~20万倍で磁性材料の表面を観察したときに、強磁性体粒子がSEM画像中に占める面積と等しい面積を有する円の直径を意味するものとする。そしてその平均値とは、同一の磁性材料試料の100個以上の強磁性体粒子について、上記球換算直径の算術平均をとった値を意味するものとする。 From the viewpoint of reducing the magnetic energy of the ferromagnetic particles and making it easier to randomize the magnetic moment due to thermal energy, the particle size of the ferromagnetic material particles in the granular superparamagnetic material is determined based on the equivalent sphere diameter by image analysis method. The average value is preferably 30 nm or less, more preferably 5 to 10 nm. The particle size of ferromagnetic material has a material-specific critical particle size, and when the particle size of ferromagnetic material exceeds this critical particle size, the ferromagnetic material particles change from a superparamagnetic state to a ferromagnetic state and exhibit magnetic hysteresis. Therefore, it is preferable that the size of the ferromagnetic material particles be equal to or less than the critical grain size of the material. For example, when cobalt (Co) having a face-centered cubic structure (FCC) is used as the ferromagnetic material, the particle size of the cobalt particles is preferably 10 nm or less, more preferably 8 nm or less. Here, the equivalent spherical diameter of ferromagnetic particles determined by image analysis is defined as the diameter when the surface of a magnetic material is observed at a magnification of 100,000 to 200,000 times by secondary electron detection using a scanning electron microscope (SEM). , shall mean the diameter of a circle having an area equal to the area occupied by the ferromagnetic particles in the SEM image. The average value shall mean a value obtained by taking the arithmetic mean of the spherical equivalent diameters of 100 or more ferromagnetic particles of the same magnetic material sample.

(c)グラニュラー型超常磁性材料の構成材料としては、強磁性金属と非磁性金属とからなる非固溶金属の組み合わせや、強磁性金属と非磁性非金属材料との組み合わせを例示できる。 (c) Examples of constituent materials of the granular superparamagnetic material include a combination of a non-solid solution metal consisting of a ferromagnetic metal and a nonmagnetic metal, and a combination of a ferromagnetic metal and a nonmagnetic nonmetallic material.

グラニュラー型超常磁性材料において、強磁性体粒子としては、Ni、Fe、及びCoからなる群から選ばれる1種以上の強磁性元素の粒子を好ましく採用でき、非磁性材料としては、Au、Ag、Cu、二酸化ケイ素、酸化チタン、酸化タングステン、酸化クロム、酸化コバルト、酸化タンタル、酸化ホウ素、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、酸化ルテニウム、希土類元素の酸化物、及び炭素からなる群から選ばれる1種以上の非磁性材料を好ましく採用できる。希土類元素の酸化物としては、例えば酸化ガドリニウム、酸化テルビウム等を好ましく採用できる。 In the granular superparamagnetic material, as the ferromagnetic particles, particles of one or more ferromagnetic elements selected from the group consisting of Ni, Fe, and Co can be preferably employed, and as the nonmagnetic materials, Au, Ag, From Cu, silicon dioxide, titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, cobalt oxide, tantalum oxide, boron oxide, magnesium oxide, cerium oxide, yttrium oxide, nickel oxide, aluminum oxide, ruthenium oxide, oxides of rare earth elements, and carbon One or more nonmagnetic materials selected from the group consisting of: As the rare earth element oxide, for example, gadolinium oxide, terbium oxide, etc. can be preferably employed.

非固溶金属の組み合わせによるグラニュラー型超常磁性材料としては、例えばCu、Ag、及びAuからなる群から選ばれる1種以上の非磁性金属のマトリクス中に強磁性金属であるCoの粒子が分散された材料を挙げることができる。 As a granular superparamagnetic material made of a combination of non-solid solution metals, for example, particles of Co, which is a ferromagnetic metal, are dispersed in a matrix of one or more nonmagnetic metals selected from the group consisting of Cu, Ag, and Au. The following materials can be mentioned.

強磁性金属と非磁性非金属材料との組み合わせによる超常磁性材料としては、例えば、二酸化ケイ素、酸化チタン、酸化タングステン、酸化クロム、酸化コバルト、酸化タンタル、酸化ホウ素、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、酸化ルテニウム、希土類元素の酸化物、及び炭素からなる群から選ばれる1種以上の非磁性非金属材料のマトリクス中に、Fe、Co、及びNiからなる群から選ばれる1種以上の強磁性金属の粒子が分散された材料を挙げることができる。希土類元素の酸化物としては、例えば酸化ガドリニウム、酸化テルビウム等を好ましく採用できる。 Examples of superparamagnetic materials made by combining ferromagnetic metals and nonmagnetic nonmetallic materials include silicon dioxide, titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, cobalt oxide, tantalum oxide, boron oxide, magnesium oxide, cerium oxide, and yttrium oxide. , nickel oxide, aluminum oxide, ruthenium oxide, rare earth element oxide, and carbon, in a matrix of one or more nonmagnetic nonmetallic materials selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. Mention may be made of materials in which particles of one or more ferromagnetic metals are dispersed. As the rare earth element oxide, for example, gadolinium oxide, terbium oxide, etc. can be preferably employed.

グラニュラー型超常磁性材料の被膜は、後述するように、例えば非磁性材料と強磁性材料とを通常よりも高い成膜速度(例えばAg-Coの場合には0.2~1.0nm/sec等。)で同時スパッタリング(co-sputtering)することにより作製することができる。成膜速度を高めることにより材料が急冷されるので、分散される強磁性材料粒子のサイズを小さくすることができる。 As will be described later, a film of a granular superparamagnetic material is formed by, for example, depositing a non-magnetic material and a ferromagnetic material at a deposition rate higher than usual (for example, 0.2 to 1.0 nm/sec in the case of Ag-Co). ) can be produced by co-sputtering. Since the material is rapidly cooled by increasing the deposition rate, the size of the dispersed ferromagnetic material particles can be reduced.

グラニュラー型超常磁性材料によれば、常磁性体では得られない高い磁化率を実現することが可能である。例えば、グラニュラー型超常磁性材料の室温における初磁化率は好ましくは2×10-7H/m以上であり、1×10-6H/m以上とすることも可能である。したがって磁性被膜3にグラニュラー型超常磁性材料を用いる形態の探針10によれば、同じ膜厚でも磁気力顕微鏡の測定感度を高めることが可能になる。また同程度の測定感度をより薄い膜厚で得ることができるので、探針10の先端部をより先鋭化することができ、したがって磁気力顕微鏡による磁場測定の空間分解能をより高めることが可能になる。 Granular superparamagnetic materials can achieve high magnetic susceptibility that cannot be obtained with paramagnetic materials. For example, the initial magnetic susceptibility of the granular superparamagnetic material at room temperature is preferably 2×10 −7 H/m or more, and can also be 1×10 −6 H/m or more. Therefore, according to the probe 10 in which the magnetic coating 3 is made of a granular superparamagnetic material, it is possible to increase the measurement sensitivity of the magnetic force microscope even with the same film thickness. In addition, since the same level of measurement sensitivity can be obtained with a thinner film thickness, the tip of the probe 10 can be sharpened, and the spatial resolution of magnetic field measurement using a magnetic force microscope can therefore be further increased. Become.

さらに、磁性被膜3にグラニュラー型超常磁性材料を用いる形態によれば、磁気特性の温度安定性を高めた探針10とすることが可能になる。例えば磁化率が常温25℃から200℃までの範囲で実質的に温度依存性を有しない探針10とすることも可能である。ここで、本明細書において、磁化率が「25~200℃の温度範囲において実質的に温度依存性を有しない」ことは、25℃、50℃、100℃、150℃、200℃の計5つの温度条件のそれぞれにおいて、当該磁性材料の初磁化率を測定したときに、それら5つの測定値のばらつきが、当該5つの測定値の算術平均値に対して±10%以内であることを意味するものとする。磁性被膜3にグラニュラー型超常磁性材料を用いた探針10は、初磁化率等の磁気特性の温度安定性が高められているので、例えば永久磁石の磁区構造観察のように磁性体試料の温度依存性を評価する場合であっても、精度の高い評価結果を得ることが可能になる。 Further, by using a granular superparamagnetic material for the magnetic coating 3, it is possible to obtain a probe 10 with improved temperature stability of magnetic properties. For example, the probe 10 may have a magnetic susceptibility that has substantially no temperature dependence in the range from room temperature 25° C. to 200° C. Here, in this specification, the fact that the magnetic susceptibility "has substantially no temperature dependence in the temperature range of 25 to 200°C" means 25°C, 50°C, 100°C, 150°C, and 200°C. This means that when the initial magnetic susceptibility of the magnetic material is measured under each of the following temperature conditions, the variation among the five measured values is within ±10% of the arithmetic mean of the five measured values. It shall be. The probe 10, which uses a granular superparamagnetic material for the magnetic coating 3, has improved temperature stability of magnetic properties such as initial magnetic susceptibility. Even when evaluating dependence, it is possible to obtain highly accurate evaluation results.

(磁気力顕微鏡用探針10の製造)
磁気力顕微鏡用探針10を製造する方法について説明する。以下においては、磁性被膜3にグラニュラー型超常磁性材料を用いる形態の探針10を製造する形態を主に例示するが、本発明が当該形態に限定されることを意図するものではない。探針10は、カンチレバー2の一方の端部に固定された芯部材1を準備する工程S1と、芯部材1の露出表面に磁性被膜3を形成する工程S2とを経ることにより、製造することができる。
(Manufacture of magnetic force microscope probe 10)
A method of manufacturing the magnetic force microscope probe 10 will be explained. In the following, a mode in which the probe 10 is manufactured using a granular superparamagnetic material for the magnetic coating 3 will be mainly illustrated, but the present invention is not intended to be limited to this mode. The probe 10 is manufactured through a step S1 of preparing a core member 1 fixed to one end of the cantilever 2 and a step S2 of forming a magnetic coating 3 on the exposed surface of the core member 1. I can do it.

(工程S1)
工程S1において、非磁性材料であるSiからなる芯部材1が準備される。芯部材1は、探針10に望まれる形状を有するように加工されている。芯部材1は、具体的には例えば、Si単結晶ウェハーに異方性エッチングを行うことにより製造することができる。芯部材1は、カンチレバー2の一方の端部に固定されている。芯部材1のカンチレバー2への固定は、公知の手法によって行うことができる。これ以後、芯部材1及びカンチレバー2は、後の工程において一体として扱われる。
なお、芯部材1を構成するSiとしては、導電性を確保するために不純物ドープされたSiを用いてもよい。
(Step S1)
In step S1, a core member 1 made of Si, which is a non-magnetic material, is prepared. The core member 1 is processed to have a shape desired for the probe 10. Specifically, the core member 1 can be manufactured, for example, by performing anisotropic etching on a Si single crystal wafer. The core member 1 is fixed to one end of the cantilever 2. The core member 1 can be fixed to the cantilever 2 by a known method. After this, the core member 1 and the cantilever 2 are treated as one body in subsequent steps.
Note that as the Si constituting the core member 1, impurity-doped Si may be used to ensure conductivity.

(工程S2)
工程S2は、同時スパッタリングにより芯部材1の露出表面に磁性被膜3を形成する工程である。図3は、工程S2において用いるスパッタリング装置900を模式的に説明する図である。スパッタリング装置900は、密閉されたチャンバ901(マグネトロンスパッタ装置用のチャンバ。以下において「チャンバ901」と略記することがある。)を有している。そしてチャンバ901内には、回転駆動軸903を介して回転可能に配設され、芯部材1を回転可能に保持する回転保持台902と、強磁性元素ターゲット904(例えばCoターゲット。以下において「ターゲット904」と略記することがある。)と、非磁性元素ターゲット905(例えばAgターゲット。以下において「ターゲット905」と略記することがある。)とが配設されている。チャンバ901内部には、芯部材1に対するスパッタリングが可能であるように、真空引きされた状態でアルゴンガスが供給される。各ターゲット904、905と芯部材1との間隔は70mm~120mmまで変化させることができる。
(Step S2)
Step S2 is a step of forming the magnetic coating 3 on the exposed surface of the core member 1 by simultaneous sputtering. FIG. 3 is a diagram schematically explaining a sputtering apparatus 900 used in step S2. The sputtering apparatus 900 has a sealed chamber 901 (a chamber for a magnetron sputtering apparatus. Hereinafter, it may be abbreviated as "chamber 901"). Inside the chamber 901, there is a rotary holding table 902 which is rotatably disposed via a rotary drive shaft 903 and rotatably holds the core member 1, and a ferromagnetic element target 904 (for example, a Co target; hereinafter referred to as "target"). 904) and a non-magnetic element target 905 (for example, an Ag target. Hereinafter, it may be abbreviated as "target 905"). Argon gas is supplied into the chamber 901 in a vacuumed state so that sputtering can be performed on the core member 1 . The distance between each target 904, 905 and the core member 1 can be varied from 70 mm to 120 mm.

強磁性元素ターゲット904は、スパッタリング用のDC電源に接続されている。非磁性元素905は、スパッタリング用の高周波(例えばRF)電源に接続されている。 The ferromagnetic element target 904 is connected to a DC power source for sputtering. The nonmagnetic element 905 is connected to a high frequency (eg, RF) power source for sputtering.

非磁性元素ターゲット905用の高周波電源の周波数は、例えば13.56MHz等とすることができる。スパッタリングのための高速のアルゴンイオンが各ターゲット904、905に向かうように、各ターゲット904、905には大電力が印加されている。そして、各ターゲット904、905(直径は例えば75mm等とすることができる。)に対する印加電力を変更する(例えば50W~250W等。)ことにより、スパッタリングにより形成される磁性被膜3の組成を調整できるようになっている。 The frequency of the high frequency power source for the non-magnetic element target 905 can be, for example, 13.56 MHz. A large power is applied to each target 904, 905 so that high-speed argon ions for sputtering are directed toward each target 904, 905. The composition of the magnetic coating 3 formed by sputtering can be adjusted by changing the power applied to each target 904, 905 (the diameter can be, for example, 75 mm) (for example, from 50 W to 250 W). It looks like this.

カンチレバー2と一体化された芯部材1が、回転保持台902に保持される。回転保持台902は、成膜中は例えば10rpmの速度で回転される。また回転保持台902は、上下に移動させることができ、回転保持台902と非磁性元素ターゲット905との間の距離を、70mmから120mmまで変化させることが可能である。 The core member 1 integrated with the cantilever 2 is held on a rotary holding table 902. The rotating holding table 902 is rotated at a speed of 10 rpm, for example, during film formation. Further, the rotating holding table 902 can be moved up and down, and the distance between the rotating holding table 902 and the non-magnetic element target 905 can be changed from 70 mm to 120 mm.

次に、室温下でもって、同時スパッタリングにより磁性被膜3が形成される。すなわち、スパッタリングターゲットとして、強磁性元素ターゲット904と非磁性元素ターゲット905との両方を用いて、両元素を同時にスパッタリング成膜する。成膜される磁性被膜3中では、非磁性元素(例えばAg)が強磁性元素(例えばCo)に固溶することなく、強磁性元素(例えばCo)の磁性結晶粒子が非磁性元素(例えばAg)の非磁性粒界領域中に分散して孤立した状態で存在する(グラニュラー構造化)。非磁性物質を含む磁性被膜3の厚さは、例えば10~100nm等とすることができる。例えば強磁性元素ターゲット904としてCoターゲット、非磁性元素ターゲット905としてAgターゲットを用い、成膜厚さが100nmである場合には、成膜の所要時間は約3~5分である。工程S1及び工程S2を経ることにより、磁気力顕微鏡用探針10が製造される。 Next, the magnetic coating 3 is formed by simultaneous sputtering at room temperature. That is, using both the ferromagnetic element target 904 and the nonmagnetic element target 905 as sputtering targets, both elements are sputtered to form a film at the same time. In the magnetic film 3 to be formed, the non-magnetic element (for example, Ag) does not form a solid solution in the ferromagnetic element (for example, Co), and the magnetic crystal particles of the ferromagnetic element (for example, Co) are mixed with the non-magnetic element (for example, Ag). ) exists in an isolated state dispersed in the non-magnetic grain boundary region (granular structure). The thickness of the magnetic film 3 containing a non-magnetic substance can be, for example, 10 to 100 nm. For example, when a Co target is used as the ferromagnetic element target 904 and an Ag target is used as the nonmagnetic element target 905, and the film formation thickness is 100 nm, the time required for film formation is about 3 to 5 minutes. The magnetic force microscope probe 10 is manufactured through Step S1 and Step S2.

磁気力顕微鏡用探針10の製造方法に関する上記説明では、強磁性元素と非磁性元素とを同時スパッタリングすることにより磁性被膜3を形成する形態の製造プロセスを例示したが、磁気力顕微鏡用探針の製造方法は当該形態に限定されるものではない。例えば、非磁性元素(例えばAg)のスパッタリング成膜と強磁性元素(例えばCo)のスパッタリング成膜とを交互に行うことにより、最終的に非磁性物質を含む磁性被膜3を形成することも可能である。ただし、強磁性元素(例えばCo)の磁性結晶粒子が非磁性元素(例えばAg)の非磁性粒界領域中に分散して孤立した状態で存在する状態を実現することが容易である点からは、上記のような同時スパッタリングにより磁性被膜を成膜する形態を好ましく採用できる。 In the above description regarding the manufacturing method of the magnetic force microscope probe 10, a manufacturing process in which the magnetic coating 3 is formed by simultaneous sputtering of a ferromagnetic element and a nonmagnetic element was exemplified. The manufacturing method is not limited to this form. For example, by alternately performing sputtering deposition of a nonmagnetic element (for example, Ag) and sputtering deposition of a ferromagnetic element (for example, Co), it is also possible to finally form the magnetic coating 3 containing a nonmagnetic substance. It is. However, it is easy to realize a state in which magnetic crystal grains of a ferromagnetic element (e.g. Co) are dispersed and isolated in a non-magnetic grain boundary region of a non-magnetic element (e.g. Ag). , a configuration in which the magnetic film is formed by simultaneous sputtering as described above can be preferably adopted.

<2.直流磁場測定装置、及び直流磁場測定方法>
本発明の直流磁場測定方法は、下記[1]~[28]の実施形態を包含する。
[1] 直流磁場を測定する方法であって、
(a)印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーを励振させる工程と、
(b)前記工程(a)を行いながら、交流磁場発生器から交流磁場を前記探針に印加し、前記探針の磁化を周期的に変動させることにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる工程と、
(c)前記工程(b)を行いながら、前記探針の振動を検出し、該探針の振動の検出信号を周波数復調する工程と、
(d)前記工程(c)で復調された信号の、前記交流磁場の周波数の成分を測定する工程と、
(e)前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させ、前記走査領域内に設定された各面内座標について、前記工程(a)~(d)を行う工程と、
(f)前記走査領域における、前記工程(d)の測定結果に対応する情報を、前記走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換する工程と、
(g0)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程と、
(i0)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得る工程と、
を含み、
前記工程(g0)における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、直流磁場測定方法。
<2. DC magnetic field measurement device and DC magnetic field measurement method>
The DC magnetic field measurement method of the present invention includes the embodiments [1] to [28] below.
[1] A method for measuring a direct current magnetic field, comprising:
(a) exciting a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field;
(b) While performing step (a), an alternating current magnetic field is applied to the probe from an alternating current magnetic field generator to periodically vary the magnetization of the probe, thereby modulating the frequency of the excitation vibration of the cantilever. process and
(c) while performing the step (b), detecting the vibration of the probe and demodulating the frequency of the detection signal of the vibration of the probe;
(d) measuring the frequency component of the alternating magnetic field of the signal demodulated in step (c);
(e) The probe is caused to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe, and the steps (a) to ( d);
(f) performing a two-dimensional Fourier transform on the information corresponding to the measurement result of the step (d) in the scanning region in the in-plane direction of the scanning region;
(g0) From the Fourier transform information obtained in the step (f), extract information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. The process of
(i0) Based on the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning region, each of the components within the scanning region is For in-plane coordinates, obtaining a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the step (g0) includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the a second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, or a combination of two ratios therebetween and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region; carried out based on
A method for measuring a DC magnetic field, characterized in that the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe and the value of the second derivative of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are non-zero.

[2] (j)少なくとも測定感度を較正する工程をさらに含む、[1]に記載の直流磁場測定方法。 [2] The method for measuring a DC magnetic field according to [1], further comprising the step of (j) calibrating at least the measurement sensitivity.

[3] 前記工程(j)が、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の位置に依存しない一定値成分を較正することをさらに含む、[2]に記載の直流磁場測定方法。 [3] The direct current according to [2], wherein the step (j) further includes calibrating a constant value component of a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field that does not depend on the position within the scanning area. Magnetic field measurement method.

[4] 前記工程(j)が、
(j1)前記交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)である外部直流磁場を、さらに前記探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第1の面内座標を特定する工程と、
(j2)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の値が、前記第1の面内座標で-Hdc(ex)となるように、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の各面内座標における強度を較正する工程とを含む、[2]又は[3]に記載の直流磁場測定方法。
[4] The step (j) is
(j1) The steps (a) to (f ) and (g0) to (i0 ), and specifying a first in-plane coordinate within the scanning region where a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field obtained in the step (i0) is zero;
(j2) A component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field such that the value of the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field becomes −H dc(ex) in the first in-plane coordinates. The method for measuring a direct current magnetic field according to [2] or [3], including the step of calibrating the intensity at each in-plane coordinate within the scanning region.

[5] 前記工程(j)が、
(j1)前記交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)である外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第1の面内座標を特定する工程と、
(j3)前記外部直流磁場を探針に印加していないときに、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行って得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第2の面内座標を特定する工程と、
(j4)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の値が、前記第1の面内座標で-Hdc(ex)となり、かつ前記第2の面内座標でゼロとなるように、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の各面内座標における強度および一定値成分を較正する工程とを含む、[2]又は[3]に記載の直流磁場測定方法。
[5] The step (j) is
(j1) Performing the steps (a) to (f) and (g0) to (i0) while applying to the probe an external DC magnetic field whose intensity of the component parallel to the AC magnetic field is H dc (ex). , a step of specifying a first in-plane coordinate within the scanning region where a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field obtained in the step (i0) is zero;
(j3) When the external DC magnetic field is not applied to the probe, the DC magnetic field is parallel to the AC magnetic field obtained by performing the steps (a) to (f) and (g0) to (i0). specifying a second in-plane coordinate within the scanning area where the value corresponding to the component is zero;
(j4) The value of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field is −H dc(ex) at the first in-plane coordinate and zero at the second in-plane coordinate, The DC magnetic field measuring method according to [2] or [3], comprising the step of calibrating the intensity and constant value component at each in-plane coordinate in the scanning region of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field.

[6] 前記工程(j)が、
(j1)前記交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)である外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第1の面内座標を特定する工程と、
(j5)前記交流磁場に平行な成分の強度が前記Hdc(ex)と異なるHdc(ex2)である外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第2の面内座標を特定する工程と、
(j6)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の値が、前記第1の面内座標で-Hdc(ex)となり、かつ前記第2の面内座標で-Hdc(ex2)となるように、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の各面内座標における強度および一定値成分を較正する工程とを含む、[2]又は[3]に記載の直流磁場測定方法。
[6] The step (j) is
(j1) Performing the steps (a) to (f) and (g0) to (i0) while applying to the probe an external DC magnetic field whose intensity of the component parallel to the AC magnetic field is H dc (ex). , a step of specifying a first in-plane coordinate within the scanning region where a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field obtained in the step (i0) is zero;
(j5) The steps (a ) to (f ) and ( g0) to (i0), and determine second in-plane coordinates within the scanning area where the value corresponding to the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field obtained in the step (i0) is zero. The process of identifying;
(j6) The value of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field is -H dc(ex) in the first in-plane coordinates, and -H dc(ex2) in the second in-plane coordinates. The method according to [2] or [3], comprising the step of calibrating the intensity and constant value component at each in-plane coordinate in the scanning area of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field so that Direct current magnetic field measurement method.

[7] 前記工程(j)が、
(j7)前記交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)である第1の外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値が、第1の値αとなる、前記走査領域内の第1の面内座標を特定する工程と、
(j8)前記交流磁場に平行な成分の強度が前記Hdc(ex)とは異なるHdc(ex2)である第2の外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値が、前記第1の値αとなる、前記走査領域内の第2の面内座標を特定する工程と、
(j9)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記第1の面内座標における値H dc(sample)と、前記第2の面内座標における値H dc(sample)との差H dc(sample)-H dc(sample)が、差Hdc(ex2)-Hdc(ex)に等しくなるように、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の各面内座標における強度、または測定感度を較正する工程とを含む、[2]又は[3]に記載の直流磁場測定方法。
[7] The step (j) is
(j7) The above steps (a) to (f ) and (g0) to (i0 ), and determine a first in-plane coordinate in the scanning area where the value corresponding to the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field obtained in the step (i0) is a first value α. The process of identifying;
(j8) The steps ( a ) to ( f) and (g0) to (i0), and the value corresponding to the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field obtained in the step (i0) is the first value α. identifying second in-plane coordinates within the region;
(j9) A value H 1 dc (sample) at the first in-plane coordinate and a value H 2 dc (sample) at the second in-plane coordinate of the component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field. The scanning area of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field such that the difference H 1 dc(sample) - H 2 dc(sample) is equal to the difference H dc(ex2) - H dc(ex). The method for measuring a direct current magnetic field according to [2] or [3], comprising the step of calibrating the intensity or measurement sensitivity at each in-plane coordinate within the range.

[8] 前記工程(j)が、
(j10)前記交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)である第1の外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(e)を行い、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分に対応する、第1の値を抽出する工程と、
(j11)前記第1の外部直流磁場と同一の強度および逆の極性を有する第2の外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(e)を行い、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分に対応する、第2の値を抽出する工程と、
(j12)前記第1の値と前記第2の値との差と、前記Hdc(ex)とに基づいて、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値の測定感度を求める工程と、
(j13)前記第1の値と前記第2の値との和と、前記工程(j12)で求めた測定感度とに基づいて、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分を求める工程とを含む、[2]又は[3]に記載の直流磁場測定方法。
[8] The step (j) is
(j10) Performing the steps (a) to (e) while applying to the probe a first external DC magnetic field whose intensity of the component parallel to the AC magnetic field is H dc(ex) , extracting a first value corresponding to a constant value component of a component parallel to the alternating magnetic field that is independent of in-plane coordinates within the scanning region;
(j11) Performing the steps (a) to (e) while applying a second external DC magnetic field having the same strength and opposite polarity as the first external DC magnetic field to the probe, and extracting a second value corresponding to a constant value component of a component parallel to the alternating magnetic field that is independent of in-plane coordinates within the scanning area;
(j12) Based on the difference between the first value and the second value and the H dc(ex) , determine the measurement sensitivity of the value corresponding to the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field. process and
(j13) Based on the sum of the first value and the second value and the measurement sensitivity obtained in the step (j12), the scanning area of the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field The method for measuring a direct current magnetic field according to [2] or [3], comprising the step of determining a constant value component that does not depend on in-plane coordinates within.

[9] 前記工程(j)が、
(j10)前記交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)である第1の外部直流磁場を探針に印加しながら、前記工程(a)~(e)を行い、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分に対応する、第1の値を抽出する工程と、
(j14)外部直流磁場を探針に印加せずに、前記工程(a)~(e)を行い、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分に対応する、第3の値を抽出する工程と、
(j15)前記第1の値と前記第3の値との差と、前記Hdc(ex)とに基づいて、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値の測定感度を求める工程と、
(j16)前記第1の値と、前記工程(j15)で求めた測定感度とに基づいて、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分を求める工程とを含む、[2]又は[3]に記載の直流磁場測定方法。
[9] The step (j) is
(j10) Performing the steps (a) to (e) while applying to the probe a first external DC magnetic field whose intensity of the component parallel to the AC magnetic field is H dc(ex) , extracting a first value corresponding to a constant value component of a component parallel to the alternating magnetic field that is independent of in-plane coordinates within the scanning region;
(j14) Perform the steps (a) to (e) without applying an external DC magnetic field to the probe, and calculate the in-plane coordinates of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field within the scanning area. extracting a third value corresponding to a constant value component that is not present;
(j15) Based on the difference between the first value and the third value and the H dc(ex) , determine the measurement sensitivity of the value corresponding to the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field. process and
(j16) Based on the first value and the measurement sensitivity obtained in the step (j15), a constant value of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field is determined to be constant regardless of the in-plane coordinates within the scanning area. The method for measuring a direct current magnetic field according to [2] or [3], comprising the step of determining a value component.

[10] 前記交流磁場の方向が、前記探針の振動方向に平行であり、
前記方法は、
(k0)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(l0)前記工程(k0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記直流磁場の前記面内方向の成分に対応する値を得る工程と、
をさらに含み、
前記工程(k0)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[1]~[9]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[10] The direction of the alternating magnetic field is parallel to the vibration direction of the probe,
The method includes:
(k0) Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area is transmitted to the scanning area of the component of the DC magnetic field in the in-plane direction. a step of converting into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction;
(l0) obtaining a value corresponding to the in-plane direction component of the DC magnetic field by two-dimensional inverse Fourier transform based on the information obtained in the step (k0);
further including;
The DC magnetic field measuring method according to any one of [1] to [9], wherein the conversion in the step (k0) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[11] (m0)前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(n0)前記工程(m0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(m0)における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[1]~[10]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[11] (m0) The second component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning region obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. The information corresponding to the dimensional Fourier transform is converted into a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe. converting into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(n0) Based on the information obtained in the step (m0), obtain a value corresponding to the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at the second probe position by two-dimensional inverse Fourier transformation. further comprising a process;
The conversion in the step (m0) is based on the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The DC magnetic field measurement method according to any one of [1] to [10], which is performed based on a combination of.

[12] (g2)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程をさらに含み、
前記工程(g2)における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の2つの比、及び、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[1]~[11]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[12] (g2) From the Fourier transform information obtained in the step (f), calculate the second differential of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the scanning area. further comprising the step of extracting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in an in-plane direction,
The extraction in the step (g2) includes: the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe; the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; Based on the combination of two ratios between the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe and the second derivative with respect to the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. The DC magnetic field measurement method according to any one of [1] to [11], which is carried out.

[13] (h2-0)前記工程(g2)で抽出された情報を、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(i2-0)前記工程(h2-0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(h2-0)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[12]に記載の直流磁場測定方法。
[13] (h2-0) Convert the information extracted in step (g2) into information corresponding to two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. a process of converting into
(i2-0) Based on the information obtained in the step (h2-0), a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field is determined for each in-plane coordinate within the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation. and obtaining a value corresponding to
The DC magnetic field measurement method according to [12], wherein the conversion in the step (h2-0) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[14] (i2-2)前記工程(g2)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得る工程をさらに含む、[12]又は[13]に記載の直流磁場測定方法。 [14] (i2-2) Based on the information obtained in step (g2), two-dimensional inverse Fourier transform is used to calculate the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field for each in-plane coordinate within the scanning area. The DC magnetic field measuring method according to [12] or [13], further comprising the step of obtaining a value corresponding to a second-order differential of the component with respect to the vibration direction of the probe.

[15] 前記交流磁場の方向が、前記探針の振動方向に平行であり、
前記方法は、
(k2)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(l2)前記工程(k2)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(k2)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[14]に記載の直流磁場測定方法。
[15] The direction of the alternating magnetic field is parallel to the vibration direction of the probe,
The method includes:
(k2) Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area of the second-order differential of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. converting a second-order differential of the in-plane direction component of the magnetic field with respect to the vibration direction of the probe into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(l2) Based on the information obtained in the step (k2), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed to correspond to the second derivative of the in-plane direction component of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising the step of obtaining a value,
The DC magnetic field measurement method according to [14], wherein the conversion in the step (k2) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[16] (m2)前記探針の振動方向における第3の探針位置での測定によって得られた、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第3の探針位置から前記探針の振動方向にずれた第4の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(n2)前記工程(m2)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記第4の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(m2)における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第4の探針位置の前記第3の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[12]~[15]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[16] (m2) The second order of the component parallel to the AC magnetic field of the DC magnetic field in the vibration direction of the probe, obtained by measurement at the third probe position in the vibration direction of the probe. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the differential in the in-plane direction of the scanning area is converted into the DC magnetic field at a fourth probe position shifted from the third probe position in the vibration direction of the probe. converting a second-order differential of a component parallel to the alternating magnetic field with respect to the vibration direction of the probe into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(n2) Based on the information obtained in the step (m2), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed to transform the component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field at the fourth probe position of the probe. and obtaining a value corresponding to a second derivative with respect to the vibration direction,
The conversion in the step (m2) includes the distance of the fourth probe position from the third probe position in the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The DC magnetic field measurement method according to any one of [12] to [15], which is performed based on a combination of.

[17] (h2-1)前記工程(g2)で抽出された情報を、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程をさらに含み、
前記工程(h2-1)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[12]~[16]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[17] (h2-1) The information extracted in the step (g2) is calculated by calculating the first derivative of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the scanning area. further comprising the step of converting into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction,
The DC magnetic field measuring method according to any one of [12] to [16], wherein the conversion in the step (h2-1) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[18] (g1)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報に基づいて、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程をさらに含み、
前記工程(g1)における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の2つの比、及び、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の値が非ゼロである、[1]~[16]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[18] (g1) Based on the Fourier transform information obtained in step (f), calculate the first-order differential of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising the step of extracting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform about the in-plane direction of the scanning area,
The extraction in the step (g1) includes: the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; Based on the combination of two ratios between the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe and the second derivative with respect to the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. carried out,
The DC magnetic field measurement method according to any one of [1] to [16], wherein the value of the first-order differential of the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe is non-zero.

[19] (h1-0)前記工程(g1)で抽出された情報を、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(i1-0)前記工程(h1-0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(h1-0)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[18]に記載の直流磁場測定方法。
[19] (h1-0) Convert the information extracted in step (g1) into information corresponding to two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. a process of converting into
(i1-0) Based on the information obtained in the step (h1-0), a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field is determined for each in-plane coordinate within the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation. and obtaining a value corresponding to
The DC magnetic field measurement method according to [18], wherein the conversion in the step (h1-0) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[20] (i1)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得る工程をさらに含む、[17]~[19]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。 [20] (i1) Information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a first-order differential of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. Based on this, a value corresponding to the first-order differential of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe is calculated for each in-plane coordinate in the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation. The DC magnetic field measurement method according to any one of [17] to [19], further comprising the step of obtaining.

[21] 前記交流磁場の方向が、前記探針の振動方向に平行であり、
前記方法は、
(k3)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(l3)前記工程(k3)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(k3)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[17]~[20]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[21] The direction of the alternating magnetic field is parallel to the vibration direction of the probe,
The method includes:
(k3) Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area of the first-order differential of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. converting a first-order differential of a component of the magnetic field in the in-plane direction with respect to the vibration direction of the probe into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(l3) Based on the information obtained in the step (k3), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed to correspond to the first-order differential of the in-plane direction component of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising the step of obtaining a value,
The DC magnetic field measurement method according to any one of [17] to [20], wherein the conversion in the step (k3) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[22] (m1)前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(n1)前記工程(m1)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得る工程とをさらに含み、
前記工程(m1)における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[17]~[21]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[22] (m1) The first order of the component parallel to the AC magnetic field of the DC magnetic field in the vibration direction of the probe, obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the differential in the in-plane direction of the scanning area at a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe; converting a first-order differential of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(n1) Based on the information obtained in the step (m1), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed to convert the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field at the second probe position to the tip of the probe. further comprising the step of obtaining a value corresponding to a first-order differential with respect to the vibration direction,
The conversion in the step (m1) includes the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The DC magnetic field measurement method according to any one of [17] to [21], which is performed based on a combination of.

[23] 前記交流磁場発生器が、
空芯コイルと、
前記空芯コイルに交流電流を供給する、交流電流源と、
を備える、[1]~[22]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[23] The alternating current magnetic field generator,
air core coil,
an alternating current source that supplies alternating current to the air-core coil;
The DC magnetic field measurement method according to any one of [1] to [22], comprising:

[24] 前記探針は、前記空芯コイルの空洞部に配置される、[23]に記載の直流磁場測定方法。 [24] The DC magnetic field measuring method according to [23], wherein the probe is placed in a cavity of the air-core coil.

[25] 前記探針は、前記空芯コイルの中心軸上に配置される、[23]又は[24]に記載の直流磁場測定方法。 [25] The DC magnetic field measuring method according to [23] or [24], wherein the probe is placed on the central axis of the air-core coil.

[26] 前記交流磁場発生器が、
電磁コア、及び、前記電磁コアに巻回されたコイルを備える、電磁石と、
前記電磁石に交流電流を供給する、交流電流源と、
を備える、[1]~[22]のいずれかに記載の直流磁場測定方法。
[26] The alternating current magnetic field generator,
an electromagnet comprising an electromagnetic core and a coil wound around the electromagnetic core;
an alternating current source that supplies alternating current to the electromagnet;
The DC magnetic field measurement method according to any one of [1] to [22], comprising:

[27] (o)前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の、2つの比を求める工程をさらに含み、
前記工程(o)は、
前記交流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の測定結果を、前記交流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記2つの比を最適化する工程を含む、[26]に記載の直流磁場測定方法。
[27] (o) The amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the position of the probe further comprising the step of determining two ratios between the amplitude of the alternating magnetic field and the second derivative with respect to the vibration direction of the probe;
The step (o) includes:
A measurement result of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field when the electromagnet is used as the AC magnetic field generator is made to match a measurement result when an air-core coil is used as the AC magnetic field generator. , the DC magnetic field measurement method according to [26], including the step of optimizing the two ratios.

[28] (o)前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の、2つの比を求める工程をさらに含み、
前記工程(o)は、
前記交流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向における2階微分の測定結果を、前記交流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記2つの比を最適化する工程を含む、[26]に記載の直流磁場測定方法。
[28] (o) The amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the position of the probe further comprising the step of determining two ratios between the amplitude of the alternating magnetic field and the second derivative with respect to the vibration direction of the probe;
The step (o) includes:
When the electromagnet is used as the alternating current magnetic field generator, the measurement result of the second order differential in the vibration direction of the probe of the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field is measured using an air core as the alternating current magnetic field generator. The method for measuring a direct current magnetic field according to [26], including the step of optimizing the two ratios so as to match the measurement results when using a coil.

本発明の直流磁場測定装置は、下記[29]~[49]の実施形態を包含する。
[29] 直流磁場を測定する装置であって、
印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
交流磁場を前記探針に印加し、前記探針の磁化を周期的に変動させることにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる、交流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させる、走査機構と、
前記振動センサーの検出信号を周波数復調する、復調器と、
前記復調器からの復調信号に含まれる、前記交流磁場の周波数の成分を測定する、検出器と、
前記走査領域内の各面内座標について、前記検出器の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された、前記走査領域の各面内座標についての測定値を、前記面内座標について二次元フーリエ変換する、フーリエ変換器と、
前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第1の波数フィルタ演算器と、
前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得ることが可能に構成された、逆フーリエ変換器とを含み、
前記第1の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、直流磁場測定装置。
The DC magnetic field measuring device of the present invention includes the following embodiments [29] to [49].
[29] A device for measuring a direct current magnetic field, comprising:
a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of an applied magnetic field;
an exciter that excites the cantilever;
an alternating current magnetic field generator that frequency-modulates the excitation vibration of the cantilever by applying an alternating magnetic field to the probe and periodically varying the magnetization of the probe;
a vibration sensor that detects vibrations of the probe;
a scanning mechanism that causes the probe to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe;
a demodulator that frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor;
a detector that measures a frequency component of the alternating magnetic field included in the demodulated signal from the demodulator;
a storage device that stores a measurement value corresponding to a measurement signal of the detector for each in-plane coordinate in the scanning area;
a Fourier transformer that performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate of the scanning area stored in the storage device with respect to the in-plane coordinate;
From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, it is possible to extract information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in an in-plane direction of the scanning area. a first wave number filter computing unit configured to;
Each in-plane coordinate in the scanning area is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to the two-dimensional Fourier transformation of the component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. an inverse Fourier transformer configured to be able to obtain a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field,
The extraction in the first wave number filter calculator includes: the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe; the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. It is done based on a combination of
A DC magnetic field measuring device, wherein the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe and the value of the second derivative of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are non-zero.

[30] 前記探針が前記走査領域内の各面内座標を走査するとき、前記交流磁場発生器からの交流磁場に平行な成分の強度が所定の値である外部直流磁場を、前記探針に印加することが可能に構成された、外部直流磁場発生器をさらに含む、[29]に記載の直流磁場測定装置。 [30] When the probe scans each in-plane coordinate within the scanning region, the probe receives an external DC magnetic field whose intensity of a component parallel to the AC magnetic field from the AC magnetic field generator has a predetermined value. The DC magnetic field measuring device according to [29], further comprising an external DC magnetic field generator configured to be able to apply an external DC magnetic field.

[31] 前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第2の波数フィルタ演算器をさらに含み、
前記第2の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の2つの比、及び、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[29]又は[30]に記載の直流磁場測定装置。
[31] From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, determine the in-plane direction of the scanning region of the second derivative of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising a second wave number filter calculator configured to be able to extract information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of
The extraction in the second wave number filter calculator includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, and the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe. and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. The DC magnetic field measuring device according to [29] or [30], which is carried out based on [29] or [30].

[32] 前記第2の波数フィルタ演算器により抽出された、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、第1の積分フィルタ演算器をさらに含み、
前記第1の積分フィルタ演算器における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[31]に記載の直流磁場測定装置。
[32] The second derivative of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field, extracted by the second wave number filter calculator, with respect to the vibration direction of the probe, with respect to the in-plane direction of the scanning region. The device is configured to be able to convert information corresponding to a two-dimensional Fourier transform into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in an in-plane direction of the scanning area. , further including a first integral filter calculator,
The DC magnetic field measurement device according to [31], wherein the conversion in the first integral filter calculator is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[33] 前記逆フーリエ変換器は、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[31]又は[32]に記載の直流磁場測定装置。 [33] The inverse Fourier transformer is capable of performing a two-dimensional Fourier transform of a second-order differential of a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in an in-plane direction of the scanning area. Based on the information, the second derivative of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe is determined for each in-plane coordinate within the scanning region by two-dimensional inverse Fourier transform. The DC magnetic field measuring device according to [31] or [32], further configured to be able to obtain a value for which

[34] 前記第2の波数フィルタ演算器により抽出された、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、第2の積分フィルタ演算器をさらに含み、
前記第2の積分フィルタ演算器における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[31]~[33]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。
[34] The second derivative of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field, extracted by the second wave number filter calculator, with respect to the vibration direction of the probe, with respect to the in-plane direction of the scanning region. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform is converted into a two-dimensional Fourier transform of the first derivative of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. further including a second integral filter calculator configured to be able to convert into corresponding information;
The DC magnetic field measuring device according to any one of [31] to [33], wherein the conversion in the second integral filter calculator is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region. .

[35] 前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第3の波数フィルタ演算器をさらに含み、
前記第3の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の2つの比、及び、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の値が非ゼロである、[29]~[34]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。
[35] From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, determine the in-plane direction of the scanning region of the first derivative of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further including a third wave number filter calculator configured to be able to extract information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of;
The extraction in the third wave number filter calculator includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, and the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe. and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. It is carried out based on
The DC magnetic field measurement device according to any one of [29] to [34], wherein the value of the first derivative of the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe is non-zero.

[36] 前記第3の波数フィルタ演算器により抽出された、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、第3の積分フィルタ演算器をさらに含み、
前記第3の積分フィルタ演算器における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[35]に記載の直流磁場測定装置。
[36] The first derivative of the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field extracted by the third wave number filter calculator with respect to the vibration direction of the probe, with respect to the in-plane direction of the scanning region. The device is configured to be capable of converting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in an in-plane direction of the scanning area. , further including a third integral filter calculator,
The DC magnetic field measuring device according to [35], wherein the conversion in the third integral filter calculator is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[37] 前記逆フーリエ変換器は、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[34]~[36]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。 [37] The inverse Fourier transformer converts a first-order differential of a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe into a two-dimensional Fourier transform with respect to the in-plane direction of the scanning area. Based on the corresponding information, a two-dimensional inverse Fourier transform is used to calculate the first derivative of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe for each in-plane coordinate in the scanning area. The DC magnetic field measuring device according to any one of [34] to [36], further configured to be able to obtain a corresponding value.

[38] 前記交流磁場発生器が前記探針に印加する前記交流磁場は、前記探針の振動方向に平行であり、
前記直流磁場測定装置は、
前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、方向変換フィルタ演算器をさらに含み、
前記逆フーリエ変換器は、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記面内方向の成分に対応する値を得ることがさらに可能に構成されている、[29]~[37]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。
[38] The alternating current magnetic field applied to the probe by the alternating current magnetic field generator is parallel to the vibration direction of the probe,
The DC magnetic field measurement device includes:
Information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, based on a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area, further comprising a direction conversion filter calculator configured to be able to convert the in-plane direction component of the DC magnetic field into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The inverse Fourier transformer transforms the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to two-dimensional Fourier transformation of the in-plane direction component of the DC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. The DC magnetic field measurement according to any one of [29] to [37], further configured to be able to obtain a value corresponding to the in-plane direction component of the DC magnetic field for each in-plane coordinate within Device.

[39] 前記方向変換フィルタ演算器は、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが、さらに可能に構成されており、
前記逆フーリエ変換器は、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[38]に記載の直流磁場測定装置。
[39] The direction conversion filter calculator performs a two-dimensional Fourier transform of a second-order differential of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. Based on the combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region, information corresponding to the second differential of the in-plane direction component of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe is It is further configured to be capable of converting into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The inverse Fourier transformer converts the in-plane direction component of the DC magnetic field into information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the second-order differential with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. Based on the two-dimensional inverse Fourier transform, for each in-plane coordinate in the scanning region, a value corresponding to the second derivative of the in-plane direction component of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe is obtained. The DC magnetic field measuring device according to [38], further configured to enable the following.

[40] 前記方向変換フィルタ演算器は、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが、さらに可能に構成されており、
前記逆フーリエ変換器は、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記面内方向の成分の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[38]又は[39]に記載の直流磁場測定装置。
[40] The direction conversion filter calculator performs a two-dimensional Fourier transform of a first-order differential of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. Based on the combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region, information corresponding to It is further configured to be capable of converting into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The inverse Fourier transformer converts information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning region of a first-order differential of the in-plane direction component of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. Based on the two-dimensional inverse Fourier transform, for each in-plane coordinate in the scanning region, a value corresponding to the first-order differential of the in-plane direction component of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe is obtained. The DC magnetic field measuring device according to [38] or [39], further configured to enable the above-mentioned.

[41] 前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、距離変換フィルタ演算器をさらに含み、
前記距離変換フィルタ演算器における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[29]~[40]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。
[41] Two-dimensional Fourier transform of a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field, in the in-plane direction of the scanning region, obtained by measurement at a first probe position in the vibration direction of the probe. information corresponding to the scanning area of the component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field at a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe. further includes a distance conversion filter calculator configured to be able to convert information into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in an in-plane direction;
The conversion in the distance conversion filter calculator calculates two values: the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and the distance in the in-plane direction within the scanning area. The DC magnetic field measurement device according to any one of [29] to [40], which is carried out based on a combination of wave numbers.

[42] 前記距離変換フィルタ演算器は、前記探針の振動方向における前記第1の探針位置での測定によって得られた、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが、さらに可能に構成されており、
前記距離変換フィルタ演算器における前記2階微分の二次元フーリエ変換に対応する情報の変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[41]に記載の直流磁場測定装置。
[42] The distance conversion filter calculator converts a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field of the probe obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the second-order differential with respect to the vibration direction in the in-plane direction of the scanning area is obtained by converting information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the second-order differential with respect to the vibration direction into a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field at the second probe position. It is further configured to be capable of converting a second differential with respect to the vibration direction of the probe into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in an in-plane direction of the scanning area,
The conversion of information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the second order differential in the distance conversion filter calculation unit is based on the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe. and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area, the DC magnetic field measuring device according to [41].

[43] 前記距離変換フィルタ演算器は、前記探針の振動方向における前記第1の探針位置での測定によって得られた、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第2の探針位置における、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成されており、
前記距離変換フィルタ演算器における前記1階微分の二次元フーリエ変換の変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[41]又は[42]に記載の直流磁場測定装置。
[43] The distance conversion filter calculator converts a component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field of the probe obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the first-order differential with respect to the vibration direction in the in-plane direction of the scanning area is converted into information of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at the second probe position. It is configured to be capable of converting a first-order differential with respect to the vibration direction of the probe into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The conversion of the two-dimensional Fourier transform of the first-order differential in the distance conversion filter calculator calculates the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and the scanning direction. The DC magnetic field measuring device according to [41] or [42], wherein the measurement is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within a region.

[44] 前記交流磁場発生器が、
空芯コイルと、
前記空芯コイルに交流電流を供給する、交流電流源と、
を備える、[29]~[43]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。
[44] The alternating current magnetic field generator,
air core coil,
an alternating current source that supplies alternating current to the air-core coil;
The DC magnetic field measuring device according to any one of [29] to [43], comprising:

[45] 前記探針は、前記空芯コイルの空洞部に配置されている、[44]に記載の直流磁場測定方法。 [45] The DC magnetic field measuring method according to [44], wherein the probe is placed in a cavity of the air-core coil.

[46] 前記探針は、前記空芯コイルの中心軸上に配置される、[44]又は[46]に記載の直流磁場測定装置。 [46] The DC magnetic field measuring device according to [44] or [46], wherein the probe is arranged on the central axis of the air-core coil.

[47] 前記交流磁場発生器が、
電磁コア、及び、前記電磁コアに巻回されたコイルを備える、電磁石と、
前記電磁石に交流電流を供給する、交流電流源と、
を備える、[29]~[46]のいずれかに記載の直流磁場測定装置。
[47] The alternating current magnetic field generator,
an electromagnet comprising an electromagnetic core and a coil wound around the electromagnetic core;
an alternating current source that supplies alternating current to the electromagnet;
The DC magnetic field measuring device according to any one of [29] to [46], comprising:

[48] 前記交流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の測定結果を、前記交流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の、2つの比を最適化することにより、前記2つの比を決定することが可能に構成された、パラメータフィッティング演算器をさらに備える、[47]に記載の直流磁場測定装置。 [48] The measurement results of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field when the electromagnet is used as the AC magnetic field generator are the measurement results when an air-core coil is used as the AC magnetic field generator. The amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the a parameter fitting operation configured to be capable of determining two ratios by optimizing two ratios between the amplitude of the alternating magnetic field and the second derivative with respect to the vibration direction of the probe; The DC magnetic field measuring device according to [47], further comprising a device.

[49] 前記交流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記探針の振動方向における2階微分の測定結果を、前記交流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の2つの比を最適化することにより、前記2つの比を決定することが可能に構成された、パラメータフィッティング演算器をさらに備える、[47]に記載の直流磁場測定装置。 [49] When the electromagnet is used as the alternating current magnetic field generator, the measurement result of the second-order differential in the vibration direction of the probe of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field is measured as the second order differential in the vibration direction of the probe. In order to match the measurement result when an air-core coil is used as determining the two ratios by optimizing the two ratios between a first derivative and a second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; The DC magnetic field measuring device according to [47], further comprising a parameter fitting calculator configured to be able to perform the following operations.

本発明の直流磁場測定装置について、直流磁場測定方法の各工程とともに説明する。図5は、本発明の一の実施形態に係る直流磁場測定装置1000を模式的に説明する図である。直流磁場測定装置1000は、試料20から発生する直流磁場を観察する装置である。直流磁場測定装置1000は、カンチレバー100、励振器200、交流磁場発生器300、振動センサー400、復調器430、検出器440、走査機構500、信号処理装置600、及び、外部直流磁場発生器700を備えている。 The DC magnetic field measuring device of the present invention will be explained along with each step of the DC magnetic field measuring method. FIG. 5 is a diagram schematically explaining a DC magnetic field measuring device 1000 according to one embodiment of the present invention. The DC magnetic field measuring device 1000 is a device that observes a DC magnetic field generated from a sample 20. The DC magnetic field measuring device 1000 includes a cantilever 100, an exciter 200, an AC magnetic field generator 300, a vibration sensor 400, a demodulator 430, a detector 440, a scanning mechanism 500, a signal processing device 600, and an external DC magnetic field generator 700. We are prepared.

(磁性体試料20)
直流磁場測定装置1000の計測対象である磁性体試料20は、直流磁場を発生する試料である。磁性体試料20の具体例としては、永久磁石を挙げることができる。
(Magnetic sample 20)
The magnetic sample 20 that is the measurement target of the DC magnetic field measuring device 1000 is a sample that generates a DC magnetic field. A specific example of the magnetic sample 20 is a permanent magnet.

(探針10及びカンチレバー100)
カンチレバー100の一方の端部には、探針10が備えられている。探針10は、上記説明した磁気力顕微鏡用探針10である。探針10は、印加磁場方向に磁気モーメントが発生する磁性探針であって、少なくとも10~30℃の温度域にわたって、強度20kOeの外部磁場が印加されたときに磁気が飽和しないという特徴を有する。
磁気飽和がある強磁性体やフェリ磁性体の探針を用いた場合には、磁性体試料20から漏洩している強力な直流磁場により探針の磁化が飽和してしまい、交流磁場を印加しても探針の磁化を変動させることができないので、カンチレバーの励振振動に周波数変調を起こすことができない。
(probe 10 and cantilever 100)
A probe 10 is provided at one end of the cantilever 100. The probe 10 is the magnetic force microscope probe 10 described above. The probe 10 is a magnetic probe that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field, and is characterized in that the magnetism does not saturate when an external magnetic field with a strength of 20 kOe is applied over a temperature range of at least 10 to 30°C. .
If a probe made of ferromagnetic or ferrimagnetic material with magnetic saturation is used, the magnetization of the probe will be saturated due to the strong DC magnetic field leaking from the magnetic sample 20, making it impossible to apply an AC magnetic field. However, since the magnetization of the probe cannot be varied even if the probe is moved, frequency modulation cannot be caused in the excitation vibration of the cantilever.

なお、磁気飽和がなく印加磁場方向に磁気モーメントが発生する磁性材料が探針10に含まれ、かつ、探針10が磁性体試料20に吸着されることによる測定不能の問題が起きない限りにおいて、探針は強磁性体(すなわち磁気飽和のある材料)を含んでいてもよい。強磁性体の磁化が磁性体試料1からの直流磁場によって飽和しても、磁気飽和のない磁性材料の磁化は交流磁場の印加によって変動させることができるから、探針全体としての磁化は交流磁場の印加によって変動させることができる。磁性体被膜に強磁性体を含む探針の場合には残留磁化がゼロではなくヒステリシスを有することになるが、永久磁石等の強力な直流磁場を観察する限り、探針全体としての磁化はヒステリシス領域を外れた可逆的な領域で変動することになる。したがって、探針10が磁性体試料20に吸着されて測定自体が不能にならない限りは、磁化飽和がなく印加磁場方向に磁気モーメントが発生する磁性材料に加えて強磁性体を含む探針も本発明において使用可能である。
ただし、測定精度の観点からは、探針10は磁気ヒステリシスを有しないことが好ましい。
Note that as long as the probe 10 contains a magnetic material that has no magnetic saturation and generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field, and the probe 10 is not attracted to the magnetic sample 20 and the problem of inability to measure occurs. , the tip may include a ferromagnetic material (ie, a material with magnetic saturation). Even if the magnetization of the ferromagnetic material is saturated by the DC magnetic field from the magnetic sample 1, the magnetization of the magnetic material without magnetic saturation can be changed by applying an AC magnetic field. It can be varied by applying . In the case of a probe whose magnetic coating contains a ferromagnetic material, the residual magnetization is not zero and has hysteresis, but as long as a strong DC magnetic field such as a permanent magnet is observed, the magnetization of the entire probe has hysteresis. It will fluctuate in a reversible area outside of this area. Therefore, unless the probe 10 is attracted to the magnetic sample 20 and the measurement itself becomes impossible, a probe containing a ferromagnetic material in addition to a magnetic material that has no magnetization saturation and generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field can also be used. Can be used in the invention.
However, from the viewpoint of measurement accuracy, it is preferable that the probe 10 does not have magnetic hysteresis.

探針10に用いる磁気飽和がなく印加磁場方向に磁気モーメントが発生する磁性材料としては、常磁性または超常磁性を示す材料を用いることが好ましく、超常磁性を示す材料(超常磁性材料)を用いることが特に好ましい。超常磁性材料は常磁性体と比較して高い磁化率を示すので、高感度での磁場検出に有利である。 As the magnetic material used for the probe 10 that has no magnetic saturation and generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field, it is preferable to use a material that exhibits paramagnetism or superparamagnetism, and it is preferable to use a material that exhibits superparamagnetism (superparamagnetic material). is particularly preferred. Superparamagnetic materials exhibit higher magnetic susceptibility than paramagnetic materials, so they are advantageous for detecting magnetic fields with high sensitivity.

探針10における磁性材料の被膜厚さは特に制限されるものではなく、磁場計測感度と空間分解能のトレードオフを考慮して適宜決定することができ、例えば10~100nm等とすることができる。 The thickness of the coating of the magnetic material on the probe 10 is not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the trade-off between magnetic field measurement sensitivity and spatial resolution, and can be, for example, 10 to 100 nm.

探針10に使用可能な常磁性体としては、1種以上の強磁性元素と1種以上の非磁性元素とを含んでなる多成分系の常磁性材料を好ましく例示できる。常磁性体はキュリー温度付近で最も大きな磁化率を示す(ホプキンソン効果)ので、多成分系の常磁性材料によれば、組成を変更してキュリー温度を調整することで、測定温度における磁化率を高めて磁気力顕微鏡の測定感度を高めることが可能である。多成分系の常磁性材料としては具体的には、上記(a)固溶体型常磁性材料、及び、上記(b)非晶質型常磁性材料を好ましく採用できる。 A preferred example of the paramagnetic material that can be used in the probe 10 is a multi-component paramagnetic material containing one or more ferromagnetic elements and one or more non-magnetic elements. Paramagnetic materials exhibit the highest magnetic susceptibility near the Curie temperature (Hopkinson effect), so with multicomponent paramagnetic materials, by changing the composition and adjusting the Curie temperature, the magnetic susceptibility at the measurement temperature can be adjusted. It is possible to increase the measurement sensitivity of the magnetic force microscope. Specifically, as the multi-component paramagnetic material, the above (a) solid solution type paramagnetic material and the above (b) amorphous type paramagnetic material can be preferably employed.

探針10に使用可能な超常磁性材料としては、上記(c)グラニュラー型超常磁性材料(強磁性材料の十分に小さい粒子が非磁性マトリクス中に分散され、強磁性材料粒子が全体の10~45体積%、好ましくは15~40体積%を占める構造を有する材料)を例示できる。強磁性材料粒子が全体の10~45体積%を占めることにより、パーコレーション(球近似モデルにおいて、2種類の球を混合したとき、同一種類の球どうしが接触しない状態)が起きるので、強磁性材料粒子同士の間での強い磁気的な相互作用(交換相互作用)を抑止することができる。強磁性材料粒子のサイズが小さくなると、熱エネルギーにより粒子の磁化の方向がランダム化し、無磁場下では個々の粒子の磁化が打ち消しあうので、平均として材料全体の磁化がゼロになり強磁性から超常磁性に転移する。無磁場下では磁化がゼロであるので、残留磁化および保磁力も同時にゼロになる。超常磁性材料に磁場を印加すると、磁場方向にのみ磁化が発生し、磁場と直交方向の磁化は個々の粒子間で打ち消しあうので、超常磁性材料は磁場の印加方向に垂直な磁化成分は有しない。 As the superparamagnetic material that can be used for the probe 10, the above-mentioned (c) granular superparamagnetic material (sufficiently small particles of ferromagnetic material are dispersed in a non-magnetic matrix, and ferromagnetic material particles account for 10 to 45 of the total % by volume, preferably 15 to 40% by volume). When ferromagnetic material particles occupy 10 to 45% by volume of the whole, percolation (in a sphere approximation model, when two types of spheres are mixed, the spheres of the same type do not come into contact with each other) occurs, so ferromagnetic material Strong magnetic interaction (exchange interaction) between particles can be suppressed. As the size of ferromagnetic material particles decreases, thermal energy randomizes the direction of magnetization of the particles, and in the absence of a magnetic field, the magnetization of individual particles cancel each other out, so the magnetization of the entire material becomes zero on average, changing from ferromagnetic to supernormal. Transfer to magnetism. Since magnetization is zero under no magnetic field, residual magnetization and coercive force are also zero at the same time. When a magnetic field is applied to a superparamagnetic material, magnetization occurs only in the direction of the magnetic field, and magnetization in the direction orthogonal to the magnetic field cancels out between individual particles, so the superparamagnetic material does not have a magnetization component perpendicular to the direction of the applied magnetic field. .

超常磁性材料は温度低下に伴い超常磁性から強磁性に転移し、その転移温度はブロッキング温度と呼ばれる。超常磁性材料を探針に用いる場合には、使用中の探針の温度は上記ブロッキング温度以上に保たれる。 Superparamagnetic materials transition from superparamagnetism to ferromagnetism as the temperature decreases, and the transition temperature is called the blocking temperature. When a superparamagnetic material is used for the probe, the temperature of the probe during use is kept above the blocking temperature.

(励振器200)
上記探針10はカンチレバー100の一方の端部(自由端)近傍に備えられており、該カンチレバー100の他方の端部(固定端)は固定されている。励振器200はカンチレバー100を励振させる(工程(a))。
(Exciter 200)
The probe 10 is provided near one end (free end) of the cantilever 100, and the other end (fixed end) of the cantilever 100 is fixed. The exciter 200 excites the cantilever 100 (step (a)).

カンチレバー100を励振させることができる限りにおいて、励振器200の構成は特に限定されない。励振器200は、例えば、カンチレバー100の固定端近傍に取り付けられた励振用アクチュエータ(例えばピエゾ素子等。)と、該励振用アクチュエータに接続された交流電圧電源とによって構成することができる。励振器200がカンチレバー100を励振させる周波数は、励振が可能である限りにおいて特に制限されるものではないが、通常はカンチレバー100の共振周波数近傍の周波数が励振周波数として好ましく採用される。 The configuration of the exciter 200 is not particularly limited as long as the cantilever 100 can be excited. The exciter 200 can be configured, for example, by an excitation actuator (for example, a piezo element, etc.) attached to the vicinity of the fixed end of the cantilever 100, and an AC voltage power supply connected to the excitation actuator. The frequency at which the exciter 200 excites the cantilever 100 is not particularly limited as long as excitation is possible, but a frequency near the resonant frequency of the cantilever 100 is usually preferably employed as the excitation frequency.

(交流磁場発生器300)
交流磁場発生器300は、交流磁場を探針10に印加する装置である。交流磁場発生器300が探針10に印加する交流磁場は、磁性体試料20を磁化反転させない強度を有することが好ましい。また、該交流磁場は、探針10の磁化を飽和させない強度を有することが好ましい。図4の直流磁場測定装置1000において、交流磁場発生器300は、空芯コイル310と、空芯コイル310に交流電流を供給する交流電流源320とを備えている。交流電流源320から空芯コイル310に交流電流が供給されることにより、探針の振動方向(すなわち試料表面に垂直な方向)に平行な交流磁場が、探針10に印加される(工程(b))。
(AC magnetic field generator 300)
The AC magnetic field generator 300 is a device that applies an AC magnetic field to the probe 10. The alternating current magnetic field applied to the probe 10 by the alternating current magnetic field generator 300 preferably has an intensity that does not cause the magnetization of the magnetic sample 20 to be reversed. Further, it is preferable that the alternating magnetic field has an intensity that does not saturate the magnetization of the probe 10. In the DC magnetic field measurement device 1000 of FIG. 4, the AC magnetic field generator 300 includes an air-core coil 310 and an AC current source 320 that supplies an AC current to the air-core coil 310. By supplying an alternating current from the alternating current source 320 to the air-core coil 310, an alternating magnetic field parallel to the vibration direction of the probe (that is, the direction perpendicular to the sample surface) is applied to the probe 10 (step ( b)).

なお、交流磁場発生器300から発生させる交流磁場の周波数は、探針10の振動の周波数変調が検出可能である限りにおいて特に制限されるものではなく、例えば10Hz~1kHz等とすることができる。例えば励振器200がカンチレバー100をその共振周波数または共振周波数近傍の周波数で励振させる場合には、励振振動が周波数変調されることにより生じる側波帯の周波数が、共振曲線において必要な利得を得られる範囲内となる周波数を適宜選択することができる。 Note that the frequency of the AC magnetic field generated by the AC magnetic field generator 300 is not particularly limited as long as the frequency modulation of the vibration of the probe 10 can be detected, and may be, for example, 10 Hz to 1 kHz. For example, when the exciter 200 excites the cantilever 100 at its resonant frequency or a frequency near the resonant frequency, the sideband frequency generated by frequency modulating the excitation vibration can obtain the necessary gain in the resonance curve. A frequency within the range can be selected as appropriate.

また交流磁場発生器300により探針10に印加する交流磁場の強度は、探針10が磁性体試料20に吸着されない範囲であって、かつ所望の磁場計測感度が得られる範囲において、適宜調整することができる。 The strength of the alternating current magnetic field applied to the probe 10 by the alternating current magnetic field generator 300 is adjusted as appropriate within a range in which the probe 10 is not attracted to the magnetic sample 20 and a desired magnetic field measurement sensitivity is obtained. be able to.

交流磁場発生器300を構成する要素の設置位置は、交流磁場発生器300からの交流磁場の振幅、及び、その探針10の振動方向(図4のz軸方向)における2階微分の値が非ゼロである限りにおいて、特に限定されない。例えば図4の直流磁場測定装置1000においては、探針10は空芯コイル310の空洞部に配置されることが好ましく、空芯コイル310の中心軸上に配置されることが好ましい。一の好ましい実施形態において、探針10は、空芯コイル310の中心軸上であって、空芯コイル310の厚みの中心位置に配置される。この位置においては、空芯コイル310から発生する磁場が最大となるので、この位置に探針10を配置することにより、測定感度をさらに高めることが可能になる。 The installation positions of the elements constituting the AC magnetic field generator 300 are determined so that the amplitude of the AC magnetic field from the AC magnetic field generator 300 and the value of the second-order differential in the vibration direction of the probe 10 (z-axis direction in FIG. 4) are determined. There is no particular limitation as long as it is non-zero. For example, in the DC magnetic field measuring device 1000 shown in FIG. 4, the probe 10 is preferably disposed in a hollow portion of the air-core coil 310, and preferably on the central axis of the air-core coil 310. In one preferred embodiment, the probe 10 is placed on the central axis of the air-core coil 310 and at the center of the thickness of the air-core coil 310. At this position, the magnetic field generated from the air-core coil 310 is at its maximum, so by arranging the probe 10 at this position, it is possible to further increase the measurement sensitivity.

(振動センサー400、復調器430、検出器440)
磁性体試料20からの直流磁場および交流磁場発生器300からの交流磁場が重畳されてなる磁場ベクトルと、探針10の磁気モーメントとの間の磁気的相互作用により、探針10は強度が周期的に変動する磁気力を受ける。この強度が周期的に変動する磁気力の勾配が、カンチレバー100の実効的なバネ定数を周期的に変動させ、これにより探針10の振動の周波数が周期的に変動する。振動センサー400、復調器430、および検出器440により、この周波数変調された探針10の振動から、探針10の位置における磁気力勾配の振幅に対応する情報を取り出すことができる。
(Vibration sensor 400, demodulator 430, detector 440)
Due to the magnetic interaction between the magnetic field vector formed by the superposition of the DC magnetic field from the magnetic sample 20 and the AC magnetic field from the AC magnetic field generator 300 and the magnetic moment of the probe 10, the probe 10 has a periodic strength. subject to varying magnetic forces. The gradient of the magnetic force whose strength periodically varies causes the effective spring constant of the cantilever 100 to vary periodically, thereby causing the frequency of vibration of the probe 10 to vary periodically. Vibration sensor 400, demodulator 430, and detector 440 can extract information corresponding to the amplitude of the magnetic force gradient at the position of probe 10 from this frequency-modulated vibration of probe 10.

(振動センサー400)
直流磁場測定装置1000において、振動センサー400は、カンチレバー100の自由端側の先端にレーザー光を照射する光源410と、カンチレバー100に反射された該レーザー光を検知する光学変位センサー420とを有している。光源410から照射されてカンチレバー100の自由端側の先端で反射したレーザー光を光学変位センサー420で検出することにより、探針10の変位を出力として取り出すことができる。後述する走査機構500によって、探針10の振動方向(z軸方向)に交差する面内に設定された走査領域の各面内(x,y)座標を探針10で走査することにより得られる、光学変位センサー420からの出力は、復調器430に入力される。
(Vibration sensor 400)
In the DC magnetic field measuring device 1000, the vibration sensor 400 includes a light source 410 that irradiates the free end side tip of the cantilever 100 with laser light, and an optical displacement sensor 420 that detects the laser light reflected by the cantilever 100. ing. By detecting the laser beam emitted from the light source 410 and reflected by the free end of the cantilever 100 with the optical displacement sensor 420, the displacement of the probe 10 can be extracted as an output. It is obtained by scanning each in-plane (x, y) coordinate of a scanning area set in a plane intersecting the vibration direction (z-axis direction) of the probe 10 with the probe 10 using a scanning mechanism 500 described later. , the output from optical displacement sensor 420 is input to demodulator 430.

(復調器430)
振動センサー400の検出信号は、カンチレバー100の励振振動が、探針10に作用する磁気力の交流成分によって周波数変調された信号である。復調器430は、振動センサー400の検出信号を周波数復調して(工程(c))、探針10に作用する磁気力の交流成分に対応する信号を得る。図4の直流磁場測定装置1000において、復調器430は、振動センサー400の検出信号を周波数復調するFM復調器である。復調器430としては、例えばPLL(Phase Locked Loop)回路、フォスター・シーレー検波回路、レシオ検波回路、クワドラチャ検波回路等の、FM復調器として公知の回路を特に制限なく採用することができる。復調器430によって周波数復調された信号は、検出器440に入力される。
(Demodulator 430)
The detection signal of the vibration sensor 400 is a signal obtained by frequency-modulating the excitation vibration of the cantilever 100 by the alternating current component of the magnetic force acting on the probe 10. The demodulator 430 frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor 400 (step (c)) to obtain a signal corresponding to the alternating current component of the magnetic force acting on the probe 10. In the DC magnetic field measuring device 1000 of FIG. 4, the demodulator 430 is an FM demodulator that demodulates the frequency of the detection signal of the vibration sensor 400. As the demodulator 430, any circuit known as an FM demodulator, such as a PLL (Phase Locked Loop) circuit, a Foster-Seeley detection circuit, a ratio detection circuit, a quadrature detection circuit, etc., can be employed without particular limitation. The signal frequency demodulated by demodulator 430 is input to detector 440 .

(検出器440)
検出器440は、復調器430から入力される復調信号に含まれる、交流磁場発生器300から発生している交流磁場に対応する周波数を有する周波数成分の強度(振幅)を測定する(工程(d))。後述するように、検出器440の測定信号は、探針10に作用する磁気力の探針10の振動方向の成分の、探針10の振動方向における勾配の振幅に対応する。このような検出器440は、例えば特定の周波数成分(すなわち交流磁場の周波数を有する周波数成分)を抽出することが可能な狭帯域のバンドパスフィルタと振幅復調器との組み合わせによって構成することも可能であり、また例えば、交流磁場の周波数に対応する側帯波スペクトルの強度を測定するスペクトラムアナライザを用いて構成することも可能である。図4の直流磁場測定装置において、検出器440は、交流磁場発生器300が備える交流電流源320の電圧信号または電流信号を参照信号として用いて、入力信号のうち上記交流磁場に対応する周波数を有する周波数成分を検出し、その強度(振幅)を測定する。このような検出器440は、ロックインアンプまたは同期検波器により構成することができる。
(Detector 440)
The detector 440 measures the intensity (amplitude) of a frequency component that is included in the demodulated signal input from the demodulator 430 and has a frequency corresponding to the alternating current magnetic field generated from the alternating current magnetic field generator 300 (step (d) )). As will be described later, the measurement signal of the detector 440 corresponds to the amplitude of the gradient in the vibration direction of the probe 10 of the component of the magnetic force acting on the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 . Such a detector 440 can also be configured, for example, by a combination of a narrowband bandpass filter capable of extracting a specific frequency component (i.e., a frequency component having the frequency of an alternating magnetic field) and an amplitude demodulator. It is also possible, for example, to configure it using a spectrum analyzer that measures the intensity of the sideband spectrum corresponding to the frequency of the alternating magnetic field. In the DC magnetic field measuring device of FIG. 4, the detector 440 uses the voltage signal or current signal of the AC current source 320 included in the AC magnetic field generator 300 as a reference signal, and detects the frequency corresponding to the AC magnetic field in the input signal. Detects the frequency components that have the same characteristics and measures their intensity (amplitude). Such a detector 440 can be configured with a lock-in amplifier or a synchronous detector.

(走査機構500)
走査機構500は、探針10と磁性体試料20との位置を相対的に変化させることができる機構である。走査機構500により、探針10の振動方向(z方向)に交差する面内(x,y方向)に設定された走査領域(例えば、磁性体試料20表面上に設定された走査領域)を、探針10が走査し、走査領域内に設定された各面内座標(x,y)について、検出器440から出力される測定結果が信号処理装置600のメモリー610に記憶される(工程(e))。走査領域内で測定を行う面内座標(測定点)(x,y)は、格子状に(すなわちデカルト座標を構成するように)好ましく配置される。走査領域内の測定点の数は、後述する二次元フーリエ変換が容易であるように、例えば、x方向およびy方向においてそれぞれ2の整数乗個とすることができる。走査機構としては、例えば、磁性体試料20が載置される試料設置台を駆動装置によって動かすことにより、試料設置台の位置を探針10に対して相対的に変化させることによって、探針10と磁性体試料20との位置を相対的に変化させることができる機構を好ましく用いることができる。そのような機構の例としては、X-Y2軸ステージ、X-Y-Z3軸ステージ等を挙げることができる。このほか、探針10を駆動装置によって動かすことにより、探針10と磁性体試料20の相対的な位置関係を変化させる態様の走査機構を採用することも可能である。また走査機構500として、従来の走査型プローブ顕微鏡などに用いられている公知の機構(例えば、ピエゾ素子等。)を用いることも可能である。
(Scanning mechanism 500)
The scanning mechanism 500 is a mechanism that can relatively change the positions of the probe 10 and the magnetic sample 20. The scanning mechanism 500 scans a scanning area (for example, a scanning area set on the surface of the magnetic sample 20) set in a plane (x, y directions) intersecting the vibration direction (z direction) of the probe 10. The probe 10 scans, and the measurement results output from the detector 440 are stored in the memory 610 of the signal processing device 600 for each in-plane coordinate (x, y) set within the scanning area (step (e) )). In-plane coordinates (measurement points) (x, y) for performing measurements within the scanning area are preferably arranged in a grid pattern (that is, so as to constitute Cartesian coordinates). The number of measurement points in the scanning area can be set to an integer power of 2 in each of the x direction and the y direction, for example, so that the two-dimensional Fourier transform described later is easy. As a scanning mechanism, for example, the probe 10 can be moved by moving the sample platform on which the magnetic sample 20 is placed using a drive device to change the position of the sample platform relative to the probe 10. A mechanism that can relatively change the positions of the magnetic sample 20 and the magnetic sample 20 can be preferably used. Examples of such mechanisms include an XY two-axis stage, an XYZ three-axis stage, and the like. In addition, it is also possible to employ a scanning mechanism in which the relative positional relationship between the probe 10 and the magnetic sample 20 is changed by moving the probe 10 with a drive device. Further, as the scanning mechanism 500, it is also possible to use a known mechanism (for example, a piezo element, etc.) used in a conventional scanning probe microscope.

(外部直流磁場発生器700)
外部直流磁場発生器700は、探針10が走査領域内の各面内座標(x,y)を走査するとき、交流磁場発生器300からの交流磁場に平行な成分の強度が所定の値である外部直流磁場を、探針10に印加することが可能に構成されている。図4の直流磁場測定装置1000において、外部直流磁場発生器700は、電磁コア710と、電磁コア710に巻回されたコイル720とを備える電磁石と、電磁石のコイル720に所定の直流電流を供給することが可能に構成された直流電流源730とを備えている。外部直流磁場発生器700は、直流磁場測定装置1000を用いた磁場情報の測定値を較正する際に用いられる。較正方法の詳細については後述する。
(External DC magnetic field generator 700)
The external DC magnetic field generator 700 maintains the intensity of the component parallel to the AC magnetic field from the AC magnetic field generator 300 at a predetermined value when the probe 10 scans each in-plane coordinate (x, y) within the scanning area. It is configured to be able to apply a certain external DC magnetic field to the probe 10. In the DC magnetic field measuring device 1000 of FIG. 4, the external DC magnetic field generator 700 supplies a predetermined DC current to the electromagnet including an electromagnetic core 710 and a coil 720 wound around the electromagnetic core 710, and to the coil 720 of the electromagnet. and a direct current source 730 configured to be able to do so. The external DC magnetic field generator 700 is used when calibrating the measured value of magnetic field information using the DC magnetic field measuring device 1000. Details of the calibration method will be described later.

(信号処理装置600)
図5は、信号処理装置600の構成、および、信号処理装置600におけるデータ処理の流れを説明する図である。信号処理装置600は、メモリー610と、フーリエ変換器620と、第1の波数フィルタ演算器631と、第2の波数フィルタ演算器632と、第3の波数フィルタ演算器633と、逆フーリエ変換器640と、第1の積分フィルタ演算器651と、第2/第3の積分フィルタ演算器652と、方向変換フィルタ演算器660と、距離変換フィルタ演算器670とを備えている。
(Signal processing device 600)
FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of the signal processing device 600 and the flow of data processing in the signal processing device 600. The signal processing device 600 includes a memory 610, a Fourier transformer 620, a first wavenumber filter calculator 631, a second wavenumber filter calculator 632, a third wavenumber filter calculator 633, and an inverse Fourier transformer. 640, a first integral filter calculator 651, a second/third integral filter calculator 652, a direction conversion filter calculator 660, and a distance conversion filter calculator 670.

メモリー610は、走査領域内の各面内座標(x,y)について、検出器440の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置である。メモリー610は、公知の記憶装置によって構成することができる。 The memory 610 is a storage device that stores measurement values corresponding to the measurement signals of the detector 440 for each in-plane coordinate (x, y) within the scanning area. Memory 610 can be configured by a known storage device.

フーリエ変換器620は、記憶装置610に記憶された、走査領域の各面内座標(x,y)についての測定値を、面内座標(x,y)について二次元フーリエ変換し、その結果を出力する(工程(f))。フーリエ変換器620としては、二次元離散フーリエ変換を行うことが可能な公知の計算機によって構成することができる。フーリエ変換器620は、、二次元離散フーリエ変換を行う公知のアルゴリズムを実装したプログラムと電子計算機との組み合わせによって構成されていてもよい。 The Fourier transformer 620 performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate (x, y) of the scanning area stored in the storage device 610, and converts the result into a two-dimensional Fourier transform for the in-plane coordinate (x, y). Output (step (f)). The Fourier transformer 620 can be configured by a known computer capable of performing two-dimensional discrete Fourier transform. The Fourier transformer 620 may be configured by a combination of a computer and a program implementing a known algorithm for performing two-dimensional discrete Fourier transform.

第1の波数フィルタ演算器631は、フーリエ変換器620から出力されたフーリエ変換の情報から、直流磁場の、交流磁場発生器300からの交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報を抽出する(工程(g0))ことが可能に構成されている。第1の波数フィルタ演算器631における抽出演算は、探針10の位置における交流磁場の振幅Hacと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hac/∂zと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分∂ac/∂zとの間の2つの比、及び、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。そのさらなる詳細については後述する。 The first wave number filter calculator 631 scans the component (here, the z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field from the AC magnetic field generator 300 based on the Fourier transform information output from the Fourier transformer 620. It is configured to be able to extract information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z) in the in-plane direction of the region (step (g0)). The extraction calculation in the first wave number filter calculator 631 is performed on the amplitude H ac of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 and the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, in the z direction). ), and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) ∂ 2 H ac /∂z 2 and the combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Further details will be discussed below.

第2の波数フィルタ演算器632は、フーリエ変換器620から出力されたフーリエ変換の情報から、直流磁場の、交流磁場発生器300からの交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を抽出する(工程(g2))ことが可能に構成されている。第2の波数フィルタ演算器632における抽出演算は、探針10の位置における交流磁場の振幅Hacと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hac/∂zと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分∂ac/∂zとの間の2つの比、及び、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。そのさらなる詳細については後述する。 The second wave number filter calculator 632 searches for a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field from the AC magnetic field generator 300 (here, the z component) from the Fourier transform information output from the Fourier transformer 620. Two-dimensional Fourier transform of the second differential with respect to the vibration direction of the needle 10 (here, the z direction) in the in-plane direction of the scanning area ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) is configured to be able to extract information corresponding to (step (g2)). The extraction calculation in the second wave number filter calculator 632 is performed on the amplitude H ac of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 and the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, in the z direction). ), and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) ∂ 2 H ac /∂z 2 and the combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Further details will be discussed below.

第3の波数フィルタ演算器633は、フーリエ変換器620から出力されたフーリエ変換の情報から、直流磁場の、交流磁場発生器300からの交流磁場に平行な成分の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分の、前記走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を抽出する(工程(g3))ことが可能に構成されている。第3の波数フィルタ演算器633における抽出演算は、探針10の位置における交流磁場の振幅Hacと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hac/∂zと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分∂ac/∂zとの間の2つの比、及び、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。そのさらなる詳細については後述する。ただし、第3の波数フィルタ演算器633が機能するのは、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hac/∂zの値が非ゼロである場合のみである。 The third wave number filter calculator 633 calculates, from the Fourier transform information output from the Fourier transformer 620, the vibration direction of the probe 10 ( Here , the two-dimensional Fourier transform ∂H z dc (sample) /∂z ( k The configuration is such that it is possible to extract corresponding information (step (g3)). The extraction calculation in the third wave number filter calculator 633 is performed on the amplitude H ac of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 and the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, in the z direction). ), and the second derivative ∂ 2 H ac /∂z of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). 2 and a combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Further details will be discussed below. However, the third wave number filter calculator 633 functions based on the first-order differential ∂H ac /∂ of the amplitude of the alternating current magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). Only if the value of z is non-zero.

逆フーリエ変換器640は、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換の情報(すなわち、(k,k)波数空間すなわちフーリエ空間での値F(k,k))に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、走査領域内の各面内(x,y)座標について、入力に対応する実空間での値(f(x,y))を得る(工程(i0)、(i2-0)、(i2-2)、(i1-0)、(i1)、(l0)、(l2)、(l1)、(n0)、(n2)、(n1))ことが可能に構成されている。例えば、直流磁場の交流磁場発生器300からの交流磁場に平行な成分(ここではz成分)H dc(sample)(x,y,z)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報を、逆フーリエ変換器640に入力すると、逆フーリエ変換器640は入力された情報を二次元逆フーリエ変換して、走査領域内の各面内座標(x,y)について、直流磁場の交流磁場に平行な成分に対応する値H dc(sample)(x,y,z)が得られる(工程(i0))。このような逆フーリエ変換器640は、二次元離散逆フーリエ変換を行うことが可能な公知の計算機によって構成することができる。逆フーリエ変換器640は、二次元離散逆フーリエ変換を行う公知のアルゴリズムを実装したプログラムと電子計算機との組み合わせによって構成されていてもよい。 The inverse Fourier transformer 640 generates information about the two-dimensional Fourier transform in the in-plane ( x , y ) direction of the scanning area (i.e., the value F(k x , k y )), the value (f(x, y)) in real space corresponding to the input is obtained for each in-plane (x, y) coordinate in the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation (step (i0), (i2-0), (i2-2), (i1-0), (i1), (l0), (l2), (l1), (n0), (n2), (n1)) It is configured to be possible. For example, the in-plane (x, y) direction of the scanning area of the component (here, the z component ) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field from the AC magnetic field generator 300 (x, y, z) When the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z) is input to the inverse Fourier transformer 640, the inverse Fourier transformer 640 converts the input information into Through Fourier transformation, for each in-plane coordinate (x, y) within the scanning area, the value Hz dc(sample) (x, y, z) corresponding to the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field is obtained ( Step (i0)). Such an inverse Fourier transformer 640 can be configured by a known computer capable of performing two-dimensional discrete inverse Fourier transform. The inverse Fourier transformer 640 may be configured by a combination of a computer and a program implementing a known algorithm for performing two-dimensional discrete inverse Fourier transform.

第1の積分フィルタ演算器651は、入力された二次元フーリエ変換を、フーリエ空間上で探針10の振動方向(ここではz方向)に2回積分する操作を行う。第2の波数フィルタ演算器632により抽出された、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、第1の積分フィルタ演算器651に入力すると、入力された情報は、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報に変換されて出力される(工程(h2-0))。第1の積分フィルタ演算器651における上記変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる、具体的には、そのような操作は、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力された値に1/(k +k )を乗じることにより、行うことができる。 The first integral filter calculator 651 performs an operation of integrating the input two-dimensional Fourier transform twice in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) in Fourier space. Scanning of the second-order differential with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z-direction) of the component (here, the z-component) of the DC magnetic field parallel to the alternating-current magnetic field, extracted by the second wave number filter calculator 632 The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz dc(sample) / ∂z 2 ( k 651, the input information is a two-dimensional Fourier transform H z dc (sample ) (k x , k y , z) is converted into information and output (step (h2-0)). The above conversion in the first integral filter calculator 651 is performed based on a combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Such an operation is to multiply the input value by 1/(k x 2 + k y 2 ) for each combination of wave numbers (k x , k y ) except for (k x , ky ) = (0, 0). This can be done by:

第2/第3の積分フィルタ演算器652は、入力された二次元フーリエ変換を、フーリエ空間上で探針10の振動方向(ここではz方向)に2回積分する操作(工程(h2-1)、(h1-0))を行う。例えば、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、第2/第3の積分フィルタ演算器652に入力すると、入力された情報は、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報に変換されて出力される(工程(h2-1))。また例えば、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、第2/第3の積分フィルタ演算器652に入力すると、入力された情報は、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報に変換されて出力される(工程(h1-0))。第2/第3の積分フィルタ演算器652における上記変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる、具体的には、そのような操作は、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力された値に-1/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。 The second/third integral filter calculator 652 performs an operation (step (h2-1 ), (h1-0)). For example, regarding the in-plane (x, y) direction of the scanning region, the second derivative of the component (here, the z component) of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) When information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) is input to the second/third integral filter calculator 652, the input The information is the in-plane (x, y) direction of the scanning region of the first derivative of the component (here, the z component) of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). The information is converted into information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z) and output (step (h2-1)). For example, the first derivative of the component (here, the z component) of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) in the in-plane (x, y) direction of the scanning region When information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z) is input to the second/third integral filter calculator 652, the input information is the two-dimensional Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z ) is converted into information corresponding to and output (step (h1-0)). Specifically, the above conversion in the second/third integral filter calculator 652 is performed based on a combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning region. For each combination of wavenumbers (k x , k y ) except (k x , k y )=(0,0), such an operation adds −1/(k x 2 +k y ) to the input value. 2 ) This can be done by multiplying by 1/2 .

方向変換フィルタ演算器660は、探針10の振動方向に平行な成分(ここではz成分)の直流磁場情報(直流磁場自体であってもよく、直流磁場の探針10の振動方向(z方向)についての1階微分であってもよく、直流磁場の探針10の振動方向(z方向)についての2階微分であってもよい。)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、走査領域の面内(x,y)方向の成分(ここではz成分)の直流磁場情報に変換する操作を行う(工程(k0)、(k2)、(k1))。例えば、直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報を、方向変換フィルタ演算器660に入力すると、直流磁場の面内(x,y)方向の成分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)、H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報が出力される(工程(k0))。また例えば、直流磁場の交流磁場に平行な成分(z成分)の、探針10の振動方向についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、方向変換フィルタ演算器660に入力すると、直流磁場の面内(x,y)方向の成分の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)、∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報が出力される(工程(k2))。また例えば、直流磁場の交流磁場に平行な成分(z成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、方向変換フィルタ演算器660に入力すると、直流磁場の面内(x,y)方向の成分の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)、∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報が出力される(工程(k1))。方向変換フィルタ演算器660における上記各変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。具体的には、z(垂直方向)成分からx成分への変換は、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力された値に-ik/(k +k 1/2を乗じる(iは虚数単位)ことにより行うことができ、z(垂直方向)成分からy成分への変換は、(k,k)=(0,0)を除く各波数の組み合わせ(k,k)について、入力された値に-ik/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。なお、方向変換フィルタ演算器660は、入力される磁場情報が垂直磁場成分(z成分)の情報である場合、すなわち、交流磁場の印加方向が探針10の振動方向(z方向、すなわち垂直方向)である場合にのみ機能する。 The direction conversion filter calculator 660 uses DC magnetic field information (which may be the DC magnetic field itself, or information about the DC magnetic field in the vibration direction of the probe 10 (in the z direction) of a component (z component here) parallel to the vibration direction of the probe 10. ) may be the first-order differential with respect to the direction of vibration (z-direction) of the probe 10 of the DC magnetic field. ), in the in-plane (x, y) direction of the scanning area. An operation is performed to convert the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform into the DC magnetic field information of the in-plane (x, y) direction component (here, the z component) of the scanning area (steps (k0) and (k2) , (k1)). For example, the two-dimensional Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z ) is input to the direction conversion filter calculator 660, the two-dimensional Fourier transform H of the in-plane (x, y) direction component of the DC magnetic field in the in-plane (x, y) direction of the scanning area is input. Information corresponding to x dc(sample) (k x , k y , z) and H y dc (sample) (k x , ky , z) is output (step (k0)). Also, for example, the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 of the second-order differential of the component (z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10 in the in-plane (x, y) direction of the scanning region When information corresponding to H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) is input to the direction conversion filter calculator 660, the in-plane (x, y) direction component of the DC magnetic field is Two-dimensional Fourier transform of the second differential with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), ∂ 2 H y dc(sample) / ∂z 2 (k x , k y , z) is output (step (k2)). Also, for example, the first derivative of the component (z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10, and the two-dimensional difference in the in-plane (x, y) direction of the scanning region. When information corresponding to the Fourier transform ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z) is input to the direction conversion filter calculator 660, the in-plane (x, y) direction component of the DC magnetic field is The two-dimensional Fourier transform of the first-order differential with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂H x dc(sample) /∂z(k x , k y , z), ∂H y dc(sample) /∂z(k x , k y , z) is output (step (k1)). Each of the above conversions in the direction conversion filter calculator 660 is performed based on a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning region. Specifically, the conversion from the z (vertical direction) component to the x component is performed by adding -ik x / (k x 2 + k y 2 ) 1 to the input value for each wave number combination (k x , k y ). /2 (i is an imaginary unit), and the conversion from the z (vertical direction) component to the y component can be performed by multiplying each wave number combination by (k x , k y ) = (0, 0). For (k x , k y ), this can be done by multiplying the input value by -ik y /(k x 2 +k y 2 ) 1/2 . Note that when the input magnetic field information is information on a vertical magnetic field component (z component), the direction conversion filter calculator 660 is configured such that when the input magnetic field information is information on a vertical magnetic field component (z component), that is, when the direction of application of the alternating magnetic field is in the vibration direction of the probe 10 (the z direction, that is, the vertical direction ).

距離変換フィルタ演算器670は、探針10の振動方向(ここではz方向)における第1の探針位置(z=z’)での測定によって得られた、磁場情報(直流磁場自体の情報であってもよく、直流磁場の探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の情報であってもよく、直流磁場の探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の情報であってもよい。また、探針10の振動方向(z方向すなわち垂直方向)の情報であってもよく、面内方向(x、y方向)の情報であってもよい。)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置(z=z’+Δz)における磁場情報に変換する操作を行う(工程(m0)、(m2)、(m1))。
例えば、探針位置z=z’における直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z’)に対応する情報、及び、Δzを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける直流磁場の交流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される(工程(m0))。また例えば、探針位置z=z’における直流磁場の面内成分(x、y成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z’)、H dc(sample)(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける直流磁場の面内成分(x、y成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z’+Δz)、H dc(sample)(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される。また例えば、探針位置z=z’における直流磁場の交流磁場に平行な成分(z成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける直流磁場の交流磁場に平行な成分(z成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される(工程(m2))。また例えば、探針位置z=z’における直流磁場の面内成分(x、y成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z’)、∂ dc(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける直流磁場の面内成分(x、y成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)、∂ dc(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される。また例えば、探針位置z=z’における直流磁場の交流磁場に平行な成分(z成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける直流磁場の交流磁場に平行な成分(z成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される(工程(m1))。また例えば、探針位置z=z’における直流磁場の面内成分(x、y成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z’)、∂H dc(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける直流磁場の面内成分(x、y成分)の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)、∂H dc(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される。
距離変換フィルタ演算器670における上記各変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。具体的には、そのような探針位置の変換は、(k,k)=(0,0)を除く各波数の組み合わせ(k,k)について、入力された値にexp(-(k +k 1/2Δz)を乗じることにより、行うことができる。
The distance conversion filter calculator 670 receives magnetic field information (information about the DC magnetic field itself) obtained by measurement at the first probe position (z=z') in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). It may be information on the first-order differential with respect to the vibration direction (z-direction) of the probe 10 in the DC magnetic field, or information on the second-order differential with respect to the vibration direction (z-direction) of the probe 10 in the DC magnetic field. It may also be information in the vibration direction of the probe 10 (z direction, that is, vertical direction), or information in the in-plane direction (x, y direction). Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane (x, y) direction of the scanning area is transferred from the first probe position to a virtual second probe position ( An operation of converting into magnetic field information at z=z'+Δz) is performed (steps (m0), (m2), (m1)).
For example, the two-dimensional Fourier transform H z dc (sample ) of the component (here z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at the probe position z = z' in the in-plane (x, y) direction of the scanning area. When information corresponding to (k x , k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670, the component (here, z component) in the in-plane ( x , y) direction of the scanning area. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z dc (sample ) (k m0)). For example, the two-dimensional Fourier transform H x dc(sample) (k x , k y , z'), H y dc(sample) (k x , k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670, the probe position z=z Two-dimensional Fourier transform H x dc (sample ) (k x , k y , z' + Δz ), H y dc(sample) (k x , k y , z'+Δz) is output. Further, for example, the second derivative of the component (z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the plane of the scanning region (x , y), when information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670. , the second derivative of the component (z component) of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field at the probe position z=z'+Δz with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10, in the plane of the scanning region (x, Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z′+Δz) in the y) direction is output (step (m2)). Further, for example, the second derivative of the in-plane components (x, y components) of the DC magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the plane (x, y) of the scanning region y) two-dimensional Fourier transform in the direction ∂ 2 H x dc (sample) / ∂z 2 (k x , k y , z'), ∂ 2 H y dc (sample) / ∂z 2 (k x , k y When the information corresponding to Two-dimensional Fourier transform of the second derivative with respect to the vibration direction (z direction) in the in-plane (x, y) direction of the scanning area ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z '+Δz), ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z'+Δz) is output. For example, the first derivative of the component (z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the plane of the scanning region (x , y) direction, the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z') and Δz are input to the distance transform filter calculator 670. The first derivative of the component (z component) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field at needle position z = z' + Δz with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the plane of the scanning region (x, y) Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z′+Δz) regarding the direction is output (step (m1)). Further, for example, the first derivative of the in-plane components (x, y components) of the DC magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the plane (x, y) of the scanning region y) two-dimensional Fourier transform in the direction ∂H x dc(sample) /∂z(k x , k y , z'), ∂H y dc(sample) /∂z(k x , k y , z') When the information corresponding to Two-dimensional Fourier transform of the first derivative with respect to the direction) in the in-plane ( x , y ) direction of the scanning area ∂H Information corresponding to y dc (sample) / ∂z (k x , k y , z'+Δz) is output.
Each of the above conversions in the distance conversion filter calculator 670 is performed based on a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning region. Specifically , such conversion of the tip position is performed by adding exp ( This can be done by multiplying by -(k x 2 + k y 2 ) 1/2 Δz).

図6は、他の一の実施形態に係る直流磁場測定装置2000を模式的に説明する図である。図6において、図1~5に既に表れた要素には図1~5における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。直流磁場測定装置2000は、交流磁場発生器300に代えて交流磁場発生器2300を有し、交流磁場発生器2300が外部直流磁場発生器としても機能できるように構成されている点において、図4の直流磁場測定装置1000と異なっている。すなわち、直流磁場測定装置2000は、交流電流源320及び直流電流源730に代えて、交流/直流電流源2330を備える。交流/直流電流源2330は、交流電流を供給することに加えて、必要に応じて、交流電流に直流電流が重畳された電流を供給することも可能な電流源である。交流磁場発生器2300は、電磁コア2320と、電磁コア2320に巻回されたコイル2310とを備える電磁石と、該電磁石のコイル2310に交流電流、及び必要に応じて直流電流を供給する交流/直流電流源2330とを備えている。交流/直流電流源2330は、供給している電流の交流成分の電圧または電流信号を、検出器440に参照信号として供給する。交流磁場発生器2300は、切り替えスイッチ2340をさらに備えており、交流/直流電流源2330からの電流を電磁石のコイル2320に供給するか、空芯コイル310に供給するかを、ユーザーが切り替えることができる。直流磁場測定装置2000はさらに、パラメータフィッティング演算器2800を備えている。一の実施形態において、パラメータフィッティング演算器2800は、交流磁場発生器2300として上記電磁石を用いた場合(すなわち、交流/直流電流源2330からの交流電流を電磁石のコイル2320に供給した場合)の、直流磁場の交流磁場に平行な成分の測定結果を、交流磁場発生器として空芯コイル310を用いた場合(すなわち、交流/直流電流源2330からの交流電流を空芯コイル310に供給した場合)の測定結果に合わせるように、探針10の位置における交流磁場の振幅Hacと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分∂Hac/∂zと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向についての2階微分∂ac/∂zとの間の、2つの比を最適化することにより、当該2つの比を決定することが可能に構成され得る。他の一の実施形態において、パラメータフィッティング演算器2800は、交流磁場発生器2300として上記電磁石を用いた場合(すなわち、交流/直流電流源2330からの交流電流を電磁石のコイル2320に供給した場合)の、直流磁場の交流磁場に平行な成分の、探針10の振動方向(z方向)における2階微分の測定結果を、交流磁場発生器として空芯コイル310を用いた場合(すなわち、交流/直流電流源2330からの交流電流を空芯コイル310に供給した場合)の測定結果に合わせるように、探針10の位置における交流磁場の振幅Hacと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分∂Hac/∂zと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向についての2階微分∂ac/∂zとの間の、2つの比を最適化することにより、当該2つの比を決定することが可能に構成され得る。このような構成を有する直流磁場測定装置2000によっても、本発明の直流磁場測定装置および方法の効果を得ることができる。 FIG. 6 is a diagram schematically explaining a DC magnetic field measuring device 2000 according to another embodiment. In FIG. 6, elements that have already appeared in FIGS. 1 to 5 are given the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5, and their explanations may be omitted. The DC magnetic field measuring device 2000 has an AC magnetic field generator 2300 instead of the AC magnetic field generator 300, and is configured so that the AC magnetic field generator 2300 can also function as an external DC magnetic field generator, as shown in FIG. This is different from the DC magnetic field measuring device 1000 of . That is, the DC magnetic field measuring device 2000 includes an AC/DC current source 2330 instead of the AC current source 320 and the DC current source 730. The AC/DC current source 2330 is a current source that can supply not only an AC current but also a current in which a DC current is superimposed on an AC current, if necessary. The alternating current magnetic field generator 2300 includes an electromagnet including an electromagnetic core 2320 and a coil 2310 wound around the electromagnetic core 2320, and an alternating current/direct current that supplies alternating current and optionally direct current to the coil 2310 of the electromagnet. A current source 2330 is provided. The AC/DC current source 2330 supplies a voltage or current signal of the AC component of the supplied current to the detector 440 as a reference signal. The AC magnetic field generator 2300 further includes a changeover switch 2340, which allows the user to switch between supplying the current from the AC/DC current source 2330 to the electromagnetic coil 2320 or to the air core coil 310. can. The DC magnetic field measuring device 2000 further includes a parameter fitting calculator 2800. In one embodiment, the parameter fitting calculator 2800 calculates the following when the electromagnet is used as the AC magnetic field generator 2300 (that is, when the AC/DC current source 2330 supplies AC current to the electromagnetic coil 2320): The measurement results of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field are obtained when the air-core coil 310 is used as an AC magnetic field generator (that is, when AC current from the AC/DC current source 2330 is supplied to the air-core coil 310). In order to match the measurement results of Optimize the two ratios between H ac /∂z and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 ∂ 2 H ac /∂z 2 Accordingly, it may be possible to determine the ratio between the two. In another embodiment, the parameter fitting calculator 2800 uses the electromagnet described above as the AC magnetic field generator 2300 (that is, when the AC/DC current source 2330 supplies AC current to the electromagnetic coil 2320). When the air-core coil 310 is used as an AC magnetic field generator (i.e., when the air-core coil 310 is used as an AC magnetic field generator, The amplitude H ac of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 and the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 are adjusted to match the measurement result when the alternating current from the direct current source 2330 is supplied to the air-core coil 310. The first derivative ∂H ac /∂z with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 and the second derivative ∂ 2 of the amplitude of the alternating current magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10. It may be possible to determine the two ratios by optimizing the two ratios between H ac /∂z 2 . Even with the DC magnetic field measuring device 2000 having such a configuration, the effects of the DC magnetic field measuring device and method of the present invention can be obtained.

本発明に関する上記説明では、方向変換フィルタ演算器660による処理の適用を、距離変換フィルタ演算器670による処理の前に行う形態の直流磁場測定装置1000及び2000、並びに直流磁場測定方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、距離変換フィルタ演算器670による処理を先に適用してから方向変換フィルタ演算器660による処理を適用する形態の直流磁場測定装置および直流磁場測定方法とすることも可能である。 In the above description of the present invention, the DC magnetic field measurement apparatuses 1000 and 2000 and the DC magnetic field measurement method in which the processing by the direction conversion filter calculation unit 660 is applied before the processing by the distance conversion filter calculation unit 670 are taken as examples. However, the present invention is not limited to this form. For example, it is also possible to provide a DC magnetic field measurement device and a DC magnetic field measurement method in which the processing by the distance conversion filter calculation unit 670 is first applied, and then the processing by the direction conversion filter calculation unit 660 is applied.

(測定の原理:直流磁場の測定)
本発明の直流磁場測定装置の動作原理、及び、本発明の直流磁場測定方法における測定の原理について説明する。
xyz座標系において、探針の振動方向をz方向と仮定する。探針の振動方向に(例えば空芯コイルから)交流磁場を印加することにより、超常磁性探針を交流磁場に応じて磁化させると、探針の磁気モーメントと交流磁場との相互作用によって探針に作用する磁気力により、カンチレバーのバネ定数が周期的に変化する。カンチレバーの実効的バネ定数keff
(Principle of measurement: measurement of DC magnetic field)
The operating principle of the DC magnetic field measuring device of the present invention and the measurement principle of the DC magnetic field measuring method of the present invention will be explained.
In the xyz coordinate system, the vibration direction of the probe is assumed to be the z direction. When a superparamagnetic probe is magnetized in response to the alternating magnetic field by applying an alternating magnetic field (for example, from an air-core coil) in the direction of vibration of the probe, the tip will be magnetized by the interaction between the magnetic moment of the tip and the alternating magnetic field. Due to the magnetic force acting on the cantilever, the spring constant of the cantilever changes periodically. The effective spring constant k eff of the cantilever is

Figure 2024025989000002
(k:カンチレバー固有のバネ定数、Δk:実効的バネ定数の周期的変化の振幅、ω:交流磁場の角周波数)
で表される。フックの法則F=-kzから
Figure 2024025989000002
( k0 : spring constant specific to the cantilever, Δk: amplitude of periodic change in effective spring constant, ωm : angular frequency of alternating magnetic field)
It is expressed as From Hooke's law F=-kz

Figure 2024025989000003
であるから、実効的バネ定数の変化は磁気力の勾配に対応する。実効的バネ定数が角周波数ωで周期的に変化するカンチレバーを、カンチレバーの固有共振周波数ω(=(k/m)1/2、mはカンチレバーの質量)で強制振動させると、カンチレバーのz方向の運動方程式は
Figure 2024025989000003
Therefore, the change in the effective spring constant corresponds to the gradient of the magnetic force. When a cantilever whose effective spring constant changes periodically at an angular frequency ω m is forced to vibrate at the cantilever's natural resonance frequency ω 0 (=(k 0 /m) 1/2 , where m is the mass of the cantilever), the cantilever The equation of motion in the z direction is

Figure 2024025989000004
(m:探針質量、γ:減衰係数、F:加振力の振幅、z:探針の座標)
で表される。Δk<kかつΔk<<mγωのとき、解は
Figure 2024025989000004
(m: tip mass, γ: attenuation coefficient, F 0 : amplitude of excitation force, z: tip coordinates)
It is expressed as When Δk<k 0 and Δk<<mγω 0 , the solution is

Figure 2024025989000005
となり、探針振動に狭帯域の周波数変調(FM変調)が発生する。探針振動の検出信号を周波数復調(FM復調)した信号(FM復調信号:)から、角周波数ωで振動する成分(ωt成分)を抽出すると、実効的バネ定数の変化に対応する磁気力勾配を測定することができる。FM復調信号からのωt成分の抽出は、例えば、FM復調信号を、交流磁場発生器(例えば空芯コイル)の交流電流源の電圧信号を参照信号に用いてロックイン検出(同期検波)することにより行うことができる。以下、ω=ωとする。探針位置の磁場Hは
Figure 2024025989000005
Therefore, narrowband frequency modulation (FM modulation) occurs in the tip vibration. When a component that vibrates at an angular frequency ω mm t component) is extracted from a signal obtained by frequency demodulating (FM demodulating) the probe vibration detection signal (FM demodulated signal: ), it corresponds to a change in the effective spring constant. Magnetic force gradients can be measured. To extract the ω m t component from the FM demodulated signal, for example, the FM demodulated signal is subjected to lock-in detection (synchronous detection) using a voltage signal of an AC current source of an AC magnetic field generator (for example, an air-core coil) as a reference signal. This can be done by Hereinafter, ω=ω m . The magnetic field H at the probe position is

Figure 2024025989000006
(Hdc:試料からの直流磁場、Hac:交流磁場発生器からの交流磁場の振幅)
で表される。本明細書において、数式中の太字はベクトル量を意味し、数式中でベクトルを太字で表記しない場合は当該ベクトルのノルムを意味する。超常磁性探針に誘起される磁気モーメントmは
Figure 2024025989000006
(H dc : DC magnetic field from the sample, H ac : amplitude of the AC magnetic field from the AC magnetic field generator)
It is expressed as In this specification, boldface in the formula means a vector quantity, and when a vector is not written in boldface in the formula, it means the norm of the vector. The magnetic moment m induced in the superparamagnetic tip is

Figure 2024025989000007
(χ:超常磁性探針の磁化率)
で表される。磁場H中に存在する磁気モーメントmの位置エネルギーUは
Figure 2024025989000007
(χ: Magnetic susceptibility of superparamagnetic tip)
It is expressed as The potential energy U of the magnetic moment m existing in the magnetic field H is

Figure 2024025989000008
で表される。探針に作用する磁気力Fのz方向成分Fの勾配F’は
Figure 2024025989000008
It is expressed as The gradient Fz ' of the z-direction component Fz of the magnetic force F acting on the probe is

Figure 2024025989000009
であるから、その角周波数ωで振動する成分(ωt成分)F’(ωt)は
Figure 2024025989000009
Therefore, the component that vibrates at the angular frequency ω (ωt component) F z '(ωt) is

Figure 2024025989000010
である。直流磁場が試料から発生することを想定し、HdcをHdc(sample)と書き直す。探針位置の交流磁場がz軸方向であるとき(例えば空芯コイルの平面内の中心からの交流磁場は、空芯コイルの軸方向である。空芯コイルの平面内の中心に探針が配置され、空芯コイルの軸方向がz軸方向であるならば、探針位置の交流磁場もz軸方向となる。)、探針位置の磁場Hは、z軸方向の単位ベクトルkおよび交流磁場Hacのz成分の振幅H acを用いて
Figure 2024025989000010
It is. Assuming that a DC magnetic field is generated from the sample, H dc is rewritten as H dc (sample) . When the AC magnetic field at the probe position is in the z-axis direction (for example, the AC magnetic field from the center in the plane of the air-core coil is in the axial direction of the air-core coil. (If the axial direction of the air-core coil is in the z-axis direction, the alternating current magnetic field at the probe position will also be in the z-axis direction.), The magnetic field H at the probe position is expressed by the unit vector k z in the z-axis direction and Using the amplitude H z ac of the z component of the alternating current magnetic field H ac

Figure 2024025989000011
で表され、超常磁性探針に誘起される磁気モーメントmは
Figure 2024025989000011
The magnetic moment m induced in the superparamagnetic tip is expressed as

Figure 2024025989000012
となるから、磁気力勾配のωt成分において、試料からの直流磁場Hdc(sample)のうちz成分H dc(sample)だけが関与して、測定可能量F’(ωt)は
Figure 2024025989000012
Therefore, in the ωt component of the magnetic force gradient, only the z component H z dc (sample) of the DC magnetic field H dc (sample) from the sample is involved, and the measurable quantity F z '(ωt) is

Figure 2024025989000013
となる。本発明では、測定可能量F’(ωt)から、試料からの直流磁場のz成分H dc(sample)並びにその1階微分∂H dc(sample)/∂z及び2階微分∂ dc(sample)/∂zを分離して抽出する方法を提案する。
Figure 2024025989000013
becomes. In the present invention, from the measurable quantity F z '(ωt), the z component of the DC magnetic field from the sample H z dc (sample) , its first derivative ∂H z dc (sample) /∂z, and the second derivative ∂ 2 We propose a method to separate and extract H z dc(sample) /∂z 2 .

交流磁場源として空芯コイルを用い、空芯コイル中心の軸方向(z方向)の交流磁場H ac(coil)を超常磁性探針に印加する場合を考える。探針の振動振幅はたかだか数10nmであり、空芯コイルの大きさより遙かに小さいので、加振させた探針に加わる磁場や磁場勾配は、コイル定数C、C、及びCとして、 Consider a case where an air-core coil is used as an AC magnetic field source and an AC magnetic field H z ac (coil) in the axial direction (z direction) centered on the air-core coil is applied to a superparamagnetic probe. The vibration amplitude of the probe is at most a few tens of nanometers, which is much smaller than the size of the air-core coil, so the magnetic field and magnetic field gradient applied to the vibrated probe are expressed as coil constants C 1 , C 2 , and C 3 ,

Figure 2024025989000014
とおくことができる。探針の振動振幅は定数C、C、Cに含まれるH ac(coil)並びにその1階微分∂H ac(coil)/∂zおよび2階微分∂ ac(coil)/∂zは、空芯コイルの形状から解析的に求めることができる。例えば、軸方向(厚み方向)がz軸方向、面内方向がxy方向であり、巻線の太さがゼロの1回巻と見なせる半径aの理想的な空芯コイルに電流Iが流れる場合についてビオー・サバールの法則を適用すると、コイル中心からz方向にzだけ離れた位置における磁場(これはz軸方向である。)、並びにその1階微分および2階微分は
Figure 2024025989000014
You can leave it as The vibration amplitude of the tip is determined by the constants C 1 , C 2 , and C 3 including Hz ac (coil) , its first derivative ∂H z ac(coil) /∂z, and its second derivative ∂ 2 Hz ac(coil) ) /∂z 2 can be analytically determined from the shape of the air-core coil. For example, when a current I flows through an ideal air-core coil with radius a, which can be considered as one turn with zero thickness, where the axial direction (thickness direction) is the z-axis direction, the in-plane direction is the xy direction, and the winding thickness is zero. Applying the Biot-Savart law to

Figure 2024025989000015
である。したがって、Cはz座標によらず同符号である、Cはz>0においてCと異符号、z<0においてCと同符号である。Cは0≦z<a/2においてCと異符号、z>a/2においてCと同符号である。現実の空芯コイルは、内半径a、外半径a、長さ2lの多層円筒ソレノイドとみなすことができる。該多層円筒ソレノイドに全巻数Nが均等に巻かれていて、電流Iが流れると仮定し、コイルの中心をz=0とする。中心軸上一端からz+lの距離の点Pの磁界H ac(coil)
Figure 2024025989000015
It is. Therefore, C 1 has the same sign regardless of the z coordinate, C 2 has a different sign from C 1 when z>0, and has the same sign as C 1 when z<0. C 3 has a different sign from C 1 when 0≦z <a/2, and has the same sign as C 1 when z> a/2. An actual air-core coil can be regarded as a multilayer cylindrical solenoid with an inner radius a 1 , an outer radius a 2 , and a length of 2 l. Assume that the multilayer cylindrical solenoid has a total number of turns N evenly wound, a current I flows through it, and the center of the coil is set to z=0. The magnetic field H z ac (coil) at a point P at a distance of z+l from one end on the central axis is

Figure 2024025989000016
で表される。これをzで偏微分することにより1階微分∂H ac(coil)/∂zおよび2階微分∂ ac(coil)/∂zが得られる。実際の計算にあたっては数値微分を好ましく用いることができる。該多層円筒ソレノイドにおいても、Cはz座標によらず同符号であり、z>0においてCに対してCは異符号であり、Cはzが0から正に増加するとき異符号から0を経由して同符号に変化する。探針を空芯コイルの面内(xy)方向の中心かつ軸方向のz>0の位置に配置するとき、式(12)は
Figure 2024025989000016
It is expressed as By partially differentiating this with respect to z, a first-order differential ∂H z ac(coil) /∂z and a second-order differential ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 are obtained. Numerical differentiation can be preferably used in actual calculations. In this multilayer cylindrical solenoid, C 1 has the same sign regardless of the z coordinate, C 2 has a different sign with respect to C 1 when z>0, and C 3 has a different sign when z increases positively from 0. It changes from the sign to the same sign via 0. When the probe is placed at the center of the air-core coil in the in-plane (xy) direction and at a position where z>0 in the axial direction, equation (12) is

Figure 2024025989000017
となる。振幅を比較することにより
Figure 2024025989000017
becomes. By comparing the amplitude

Figure 2024025989000018
が得られる。式(17)において左辺が測定可能量である。空芯コイルの中心軸上においてCの符号は不変であるので、ここではC>0を仮定している。式中、σ(C)はCがCと同符号か異符号かを表す関数であり、
Figure 2024025989000018
is obtained. In equation (17), the left side is the measurable quantity. Since the sign of C 1 does not change on the central axis of the air-core coil, it is assumed here that C 1 >0. In the formula, σ(C 3 ) is a function indicating whether C 3 has the same sign as C 1 or a different sign,

Figure 2024025989000019
で定義される。すなわちCがCと同符号のときσ(C)=+1、異符号のときσ(C)=-1である。探針の振動方向(z軸方向)に交差する面内(xy面内方向)に定められた走査領域を探針で走査しながら測定を行う、すなわち、走査領域内の各(x,y)座標について測定を行うことにより、測定可能量
Figure 2024025989000019
Defined by That is, when C 3 has the same sign as C 1 , σ(C 3 )=+1, and when they have different signs, σ(C 3 )=−1. Measurement is performed while the probe scans a scanning area defined in a plane (xy plane direction) that intersects the vibration direction (z-axis direction) of the probe, that is, each (x, y) within the scanning area Measurable quantities by making measurements on coordinates

Figure 2024025989000020
(すなわち式(17)の左辺)の走査領域内(xy面内)における分布:
Figure 2024025989000020
(i.e., the left side of equation (17)) within the scanning area (in the xy plane):

Figure 2024025989000021
が得られる。その面内方向(x及びy)についてのフーリエ変換(二次元フーリエ変換)は、式(17)及びフーリエ変換の線型性から、
Figure 2024025989000021
is obtained. The Fourier transform (two-dimensional Fourier transform) in the in-plane direction (x and y) is given by equation (17) and the linearity of the Fourier transform.

Figure 2024025989000022
を満たす。式中、k及びkは面内方向における波数である。フーリエ変換により、(x,y)空間が波数空間(k,k)に写されている。式中、
Figure 2024025989000022
satisfy. In the formula, k x and k y are wave numbers in the in-plane direction. The (x, y) space is mapped to the wavenumber space (k x , k y ) by Fourier transformation. During the ceremony,

Figure 2024025989000023
はそれぞれ、
Figure 2024025989000023
are each

Figure 2024025989000024
の面内方向(x及びy)についてのフーリエ変換である。ここで、Saitoら(H. Saito, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 191 (1999) 153-161)は、座標r’に分布する磁荷分布ρ(r’)により座標rに発生する磁場H(r)が、座標rに存在する磁気モーメントmに及ぼす磁気力Fのz方向成分Fの勾配F’(r)
Figure 2024025989000024
This is the Fourier transform in the in-plane direction (x and y) of . Here, Saito et al. (H. Saito, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 191 (1999) 153-161) explained that the magnetic charge distribution ρ(r') distributed at the coordinate r' causes the magnetic charge to be generated at the coordinate r. Gradient Fz'(r) of the z-direction component Fz of the magnetic force F exerted by the magnetic field H(r) on the magnetic moment m existing at coordinate r

Figure 2024025989000025
を、積分
Figure 2024025989000025
, the integral

Figure 2024025989000026
で与える伝達関数Gρ(r)の解析解を報告しており、そのx及びyに関するフーリエ変換が
Figure 2024025989000026
We report the analytical solution of the transfer function G ρ (r) given by , and its Fourier transform with respect to x and y is

Figure 2024025989000027
(k,kは波数(空間周波数))
で表されることを報告している。Saitoの結果(式(26))を用いると、式(21)において
Figure 2024025989000027
(k x , k y are wave numbers (spatial frequencies))
It is reported that it is expressed as Using Saito's result (Equation (26)), in Equation (21),

Figure 2024025989000028
である。式中、ρ(k,k,z)は、z=zにおける(仮想的な)磁荷分布のx及びyについてのフーリエ変換である。m/(2μ)=1で規格化すると、式(21)から
Figure 2024025989000028
It is. In the formula, ρ(k x , k y , z 0 ) is the Fourier transform of the (virtual) magnetic charge distribution at z=z 0 with respect to x and y. When normalized by m z /(2μ 0 )=1, from equation (21),

Figure 2024025989000029
であるから、Cについて
Figure 2024025989000029
Therefore, for C 1

Figure 2024025989000030
である。以下C、Cについても同様にして、
Figure 2024025989000030
It is. Similarly for C 2 and C 3 below,

Figure 2024025989000031
を得る。すなわち、測定可能量の面内方向についてのフーリエ変換(式(21)左辺、式(30a)~(30c)右辺第2項)から、コイル定数C、C、C、及び面内方向の波数k、kに基づいて、探針位置における試料からの直流磁場のz成分H dc(sample)並びにその1階微分(勾配)∂H dc(sample/∂z及び2階微分∂ dc(sample/∂zの、それぞれの面内方向(x及びy)についてのフーリエ変換(左辺)を分離抽出することができる(以下においてこの分離抽出処理を「波数フィルタ」ということがある。)。分離抽出された各左辺をk、kについて二次元逆フーリエ変換することにより、探針位置における試料からの直流磁場のz成分H dc(sample)(x,y,z)並びにその1階微分(勾配)∂H dc(sample/∂z(x,y,z)及び2階微分∂ dc(sample/∂z(x,y,z)を復元することができる。
がCと同符号(C>0)である場合には、σ(C)=+1であるので、式(30a)~(30c)は
Figure 2024025989000031
get. That is, from the Fourier transform of the measurable quantity in the in-plane direction (the left side of equation (21), the second term on the right side of equations (30a) to (30c)), the coil constants C 1 , C 2 , C 3 and the in-plane direction Based on the wavenumbers k x and k y of The Fourier transform (left side) of ∂ 2 Hz dc (sample / ∂z 2 in each in-plane direction (x and y) can be separated and extracted (hereinafter, this separation and extraction process will be referred to as a "wavenumber filter"). ).By performing a two-dimensional inverse Fourier transform on each separated and extracted left side with respect to k , z) and its first derivative (gradient) ∂H z dc(sample /∂z(x, y, z) and second derivative ∂ 2 H z dc(sample /∂z 2 (x, y, z)) Can be restored.
When C 3 has the same sign as C 1 (C 3 >0), σ(C 3 )=+1, so equations (30a) to (30c) are

Figure 2024025989000032
となる。CがCと異符号(C<0)である場合には、σ(C)=-1であるので、式(30a)~(30c)は
Figure 2024025989000032
becomes. When C 3 has a different sign from C 1 (C 3 <0), σ(C 3 )=-1, so equations (30a) to (30c) are

Figure 2024025989000033
となる。
がCと同符号(C>0)である場合(式(31a)~(31c))には、全ての(k,k)について右辺の分母が正であるので、計算に支障は生じない。これに対し、CがCと異符号(C<0)である場合(式(32a)~(32c))には、
Figure 2024025989000033
becomes.
When C 3 has the same sign as C 1 (C 3 >0) (Equations (31a) to (31c)), the denominator on the right side is positive for all (k x , k y ), so the calculation There will be no problem. On the other hand, when C 3 has a different sign from C 1 (C 3 <0) (Equations (32a) to (32c)),

Figure 2024025989000034
を満たす特異点(k,k)において式(32a)~(32c)右辺の分母がゼロ:
Figure 2024025989000034
At the singular point (k x , k y ) that satisfies the following, the denominator on the right side of equations (32a) to (32c) is zero:

Figure 2024025989000035
になるので、式(32a)~(32c)の計算が行えない場合があり得る。この波数(k,k)では、測定可能量のフーリエ変換(式(28))が次のようにゼロになる。
Figure 2024025989000035
Therefore, calculations of equations (32a) to (32c) may not be possible. At this wave number (k x , k y ), the Fourier transform of the measurable quantity (Equation (28)) becomes zero as follows.

Figure 2024025989000036
この現象は、2χ∂ dc(sample) ac/∂z像の内訳において、∂ dc(sample)/∂z像成分および∂H dc(sample)/∂z像成分の和からH dc(sample)像成分が差し引かれることで、像が相互にキャンセルする現象である。この場合には、式(32a)~(32c)の波数フィルタの分母もゼロになるので、式(32a)~(32c)そのままでは、各成分の分離抽出を行うことはできない。そこで、信号に位相が90°進んだ十分小さいノイズiε(εは実数)が含まれているものとして、すなわち、式(28)を
Figure 2024025989000036
This phenomenon is explained by the following two image components: 2χ∂ 2 H z dc(sample) H z ac /∂z 2 image components and ∂ 2 H z dc(sample ) /∂z 2 image components This is a phenomenon in which the images cancel each other out by subtracting the H z dc (sample) image component from the sum of the image components. In this case, since the denominators of the wave number filters in equations (32a) to (32c) also become zero, it is not possible to separate and extract each component using equations (32a) to (32c) as they are. Therefore, assuming that the signal contains a sufficiently small noise iε (ε is a real number) whose phase is advanced by 90°, that is, equation (28) is

Figure 2024025989000037
に変更して、波数フィルタを次のように構成する。
Figure 2024025989000037
and configure the wavenumber filter as follows.

Figure 2024025989000038
式中、「RE」は引数の実部を与える関数である。Cについて波数フィルタの分母を実数化すると
Figure 2024025989000038
In the formula, "RE" is a function that gives the real part of the argument. When converting the denominator of the wave number filter into a real number for C 1 ,

Figure 2024025989000039
となる。以下C、Cについても同様にして、
Figure 2024025989000039
becomes. Similarly for C 2 and C 3 below,

Figure 2024025989000040
となる。式(37a)~(37c)及び(39a)~(39c)より、CがCと異符号である(σ(C)=-1)場合の新たな波数フィルタが次のように得られる。
Figure 2024025989000040
becomes. From equations (37a) to (37c) and (39a) to (39c), a new wavenumber filter when C 3 has a different sign from C 1 (σ(C 3 )=-1) is obtained as follows. It will be done.

Figure 2024025989000041
なお波数フィルタの分母と分子を|C|で規格化している。式中、ε’はεに対応する非ゼロの微小実定数であり、その値としては、ε’
Figure 2024025989000041
Note that the denominator and numerator of the wave number filter are normalized by |C 1 |. In the formula, ε' is a non-zero infinitesimal real constant corresponding to ε, and its value is ε' 2

Figure 2024025989000042
のゼロ点近傍を除く値に対して十分小さくなる値を適宜選択できる。そのようなε’としては、例えば、|ε’|が式(41)のゼロ点すなわち式(34)の解をなす波数(k +k 1/2(式(33))に対して十分小さい値、例えば、|ε’|の当該波数に対する比:
Figure 2024025989000042
A value that is sufficiently smaller than the value near the zero point of can be appropriately selected. As such ε', for example, |ε'| is the zero point of equation (41), that is, the wave number (k x 2 + k y 2 ) 1/2 (equation (33)) that forms the solution to equation (34). For example, the ratio of |ε'| to the corresponding wavenumber:

Figure 2024025989000043
が0.1未満である非ゼロの実定数ε’を好ましく採用できる。波数フィルタの精度の観点からは、当該比(式(42))の値はより好ましくは10-2未満、さらに好ましくは10-3未満、特に好ましくは10-4未満である。なお、式(41)がゼロになる(すなわち式(34)の左辺がゼロになる)波数(k,k)においては、波数フィルタの入力である式(35)の左辺がそもそもゼロになるので、ε’の選び方は実用上の問題をもたらすことはないと考えられ、当業者は波数フィルタの計算が所望の精度を得られるようにε’を適切に選択することができる。また、抽出フィルタによる分離抽出の計算を行う計算機の精度を考慮すると、εは
Figure 2024025989000043
A non-zero real constant ε′ in which is less than 0.1 can be preferably employed. From the viewpoint of accuracy of the wave number filter, the value of the ratio (formula (42)) is more preferably less than 10 −2 , still more preferably less than 10 −3 , particularly preferably less than 10 −4 . Note that at wavenumbers (k x , k y ) where equation (41) becomes zero (that is, the left side of equation (34) becomes zero), the left side of equation (35), which is the input of the wave number filter, becomes zero in the first place. Therefore, the selection of ε' is not considered to pose any practical problems, and those skilled in the art can appropriately select ε' so that the calculation of the wave number filter can obtain the desired accuracy. Also, considering the accuracy of the computer that calculates the separation and extraction using the extraction filter, ε is

Figure 2024025989000044
(式中、δは抽出フィルタの処理を行う計算機のマシンイプシロンを表す。)
を満たすことが好ましい。
Figure 2024025989000044
(In the formula, δ represents the machine epsilon of the computer that processes the extraction filter.)
It is preferable to satisfy the following.

この新たな波数フィルタ(式(40a)~(40c))によれば、右辺の分母が常に正に保たれる、すなわち、式(32a)~(32c)の波数フィルタでは右辺の分母がゼロになってしまう特異点(k,k)においても右辺の分母が非ゼロに保たれるので、CがCと異符号(σ(C)=-1)である場合における波数フィルタの処理を支障なく行うことができる。 According to this new wavenumber filter (Equations (40a) to (40c)), the denominator on the right side is always kept positive. In other words, in the wavenumber filters of Equations (32a) to (32c), the denominator on the right side is zero. Since the denominator on the right side is kept non- zero even at the singular point (k x , k y ) where it becomes can be processed without any problems.

波数フィルタの抽出結果から実空間の磁場を算出することは、
(a)波数フィルタによる磁場のz方向(探針の振動方向)についての2階微分の抽出結果(式(31a)又は(40a))をフーリエ空間でz方向に2回積分する操作を行うこと(工程(h2-0))により、磁場のフーリエ変換の情報を得た後、これをk、kについて二次元逆フーリエ変換すること(工程(i2-0))、
(b)波数フィルタによる磁場のz軸方向(探針の振動方向)についての1階微分の抽出結果(式(31b)又は(40b))をフーリエ空間でz方向に1回積分する操作を行うこと(工程(h1-0))により、磁場のフーリエ変換の情報を得た後、これをk、kについて二次元逆フーリエ変換すること(工程(i1-0))、又は、
(c)波数フィルタによる磁場の抽出結果(式(31c)又は(40c))をk、kについて二次元逆フーリエ変換すること(工程(i0))、
により行うことができる。外部交流磁場の発生装置として空芯コイルを用いた場合には、信号強度を高める観点から、(a)又は(c)が好ましい。また、波数フィルタにより抽出される成分の中では2階微分が最も情報量が豊富であるので、2階微分に含まれる情報量を活かす観点からは(a)が好ましい。ただし、2階微分をフーリエ空間で2回積分して得られる磁場は、(k,k)=(0,0)の成分(面内座標によらない一定値成分)を含まないので、(k,k)≠(0,0)の成分については(a)により得て、測定感度および(k,k)=(0,0)の一定値成分の較正を(c)により行うことが特に好ましい。
Calculating the magnetic field in real space from the wavenumber filter extraction results is as follows:
(a) Integrating the second-order differential extraction result (Equation (31a) or (40a)) in the z-direction of the magnetic field (the vibration direction of the tip) by the wave number filter twice in the z-direction in Fourier space. After obtaining information on the Fourier transform of the magnetic field by (step (h2-0)), subjecting it to two-dimensional inverse Fourier transform for k x and k y (step (i2-0));
(b) Integrate the first-order differential extraction result (Equation (31b) or (40b)) in the z-axis direction of the magnetic field (the vibration direction of the tip) by the wave number filter once in the z-direction in Fourier space. After obtaining information on the Fourier transform of the magnetic field by (step (h1-0)), this is subjected to two-dimensional inverse Fourier transform for k x and k y (step (i1-0)), or
(c) Two-dimensional inverse Fourier transform of the magnetic field extraction result (Equation (31c) or (40c)) by the wave number filter with respect to k x and k y (step (i0));
This can be done by When an air-core coil is used as an external AC magnetic field generator, (a) or (c) is preferable from the viewpoint of increasing signal strength. Further, among the components extracted by the wave number filter, the second-order differential has the richest amount of information, so (a) is preferable from the viewpoint of making use of the amount of information included in the second-order differential. However, the magnetic field obtained by integrating the second-order differential twice in Fourier space does not include the component (k x , k y ) = (0, 0) (a constant value component that does not depend on in-plane coordinates), so The component of (k x , k y )≠(0,0) is obtained by (a), and the measurement sensitivity and the calibration of the constant value component of (k x , k y )=(0,0) are obtained by (c). It is particularly preferable to carry out by.

上記(c)の場合を式に表すと次の通りである。 The above case (c) is expressed as follows.

Figure 2024025989000045
ここで、関数IFTは、引数の逆フーリエ変換を意味する。上記(c)の場合においては、面内座標(x,y)に依存しない一定値成分(すなわち(k,k)=(0,0)の成分)の情報も波数フィルタの抽出結果に含まれているので、逆フーリエ変換により一定値成分を含む磁場像を直接得ることができる。
Figure 2024025989000045
Here, the function IFT means inverse Fourier transform of the argument. In case (c) above, information on constant value components that do not depend on in-plane coordinates (x, y) (i.e., components of (k x , k y ) = (0, 0)) is also included in the extraction results of the wave number filter. Therefore, a magnetic field image containing a constant value component can be directly obtained by inverse Fourier transform.

上記(a)の場合において、波数フィルタによる磁場の2階微分の抽出結果(式(31a)又は(40a))をフーリエ空間でz方向に2回積分する操作(工程(h2-0))は、次の関係を用いて行うことができる。 In the case of (a) above, the operation (step (h2-0)) of integrating the extraction result of the second derivative of the magnetic field by the wave number filter (Equation (31a) or (40a)) twice in the z direction in Fourier space is , can be done using the following relationship.

Figure 2024025989000046
このスペクトルを二次元逆フーリエ変換することにより、磁場の一定値成分を含まない磁場像を得ることができる(工程(i2-0))。これを式に表すと次の通りである。
Figure 2024025989000046
By subjecting this spectrum to two-dimensional inverse Fourier transformation, a magnetic field image that does not include a constant value component of the magnetic field can be obtained (step (i2-0)). This can be expressed as follows.

Figure 2024025989000047
Figure 2024025989000047

また、上記(b)の場合において、波数フィルタによる磁場の1階微分の抽出結果(式(31b)又は(40b))をフーリエ空間でz方向に1回積分する操作(工程(h1-0))は、次の関係を用いて行うことができる。 In the case of (b) above, the operation (step (h1-0) ) can be done using the following relationship.

Figure 2024025989000048
上記(a)の場合と同様に、このスペクトルを二次元逆フーリエ変換することにより、磁場の一定値成分を含まない磁場像を得ることができる(工程(i1-0))。これを式に表すと次の通りである。
Figure 2024025989000048
As in the case of (a) above, by subjecting this spectrum to two-dimensional inverse Fourier transform, a magnetic field image that does not contain a constant value component of the magnetic field can be obtained (step (i1-0)). This can be expressed as follows.

Figure 2024025989000049
Figure 2024025989000049

上記式(44)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z)と、上記式(46)又は(48)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))との違いは、磁場の一定値成分((k,k)=(0,0)の成分)が前者には含まれているのに対し、後者には含まれていない点である。 The magnetic field image H z dc(sample) (x, y, z) obtained by the above equation (44) and the magnetic field image H z dc(sample) (x, y, z; (k x , k y )≠(0,0)) is that the constant value component of the magnetic field ((k x , k y )=(0,0) component) is not included in the former. However, the latter is not included.

dc(sample)(x,y,z)像における磁場値の較正(工程(j))は、例えば次のように行うことができる。上記式(44)により得られるH dc(sample)(x,y,z)像においては、 Calibration of the magnetic field value in the H z dc(sample) (x, y, z) image (step (j)) can be performed, for example, as follows. In the H z dc (sample) (x, y, z) image obtained by the above formula (44),

Figure 2024025989000050
を満たす面内座標(x’,y’)の集合が、測定試料からの磁場がゼロである等値線を形成する(工程(j3))。実際に測定を行った測定点(格子点)において値がゼロにならず、隣接する2つの測定点において値が異符号である場合には、式(49)を満たす面内座標(x’,y’)を補間により求めることができる。
外部交流磁場H acに平行な方向の外部直流磁場であって、各面内座標について同一の強度を有する、強度のわかった外部直流磁場H dc(ex)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行う。そのような測定は、外部直流磁場源(例えば磁心と該磁心に巻回されたコイルとを備える電磁石等)から一様な外部直流磁場、すなわち
Figure 2024025989000050
A set of in-plane coordinates (x', y') that satisfy the following form an isovalue line where the magnetic field from the measurement sample is zero (step (j3)). If the value is not zero at the actual measurement point (lattice point) and the values at two adjacent measurement points have different signs, then the in-plane coordinates (x', y') can be obtained by interpolation.
Conditions in which an external DC magnetic field H z dc (ex) of known intensity, which is an external DC magnetic field in a direction parallel to the external AC magnetic field H z ac and has the same intensity for each in-plane coordinate, is applied to the probe. Then, measurements are made for each in-plane coordinate (x, y). Such measurements are performed by applying a uniform external DC magnetic field from an external DC magnetic field source (e.g. an electromagnet with a magnetic core and a coil wound around the core), i.e.

Figure 2024025989000051
である外部直流磁場H dc(ex)を探針に印加することによって行ってもよい。外部直流磁場H dc(ex)が「一様な外部直流磁場」であること、すなわち式(50)を満たすことは、波数フィルタ処理を通じて得られる∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)像のゼロクロス画素の集合(値がゼロとなる面内座標(x,y)の集合と、値が異符号となる隣接する2つの測定点の組み合わせ((x,y)、(x,y))との和集合。)および、波数フィルタ処理を通じて得られる∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)像のゼロクロス画素の集合が、外部直流磁場H dc(ex)を印加しても変化しないことと言い換えることができる、これにより判断できる。∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)像、及び、∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)像は、ゼロクロス画素の空でない集合を必ず有していることを注記する。上記判断において、∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)像としては、波数フィルタ処理により抽出された∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間上でz方向に1回積分してから逆フーリエ変換することにより得られる∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)像を好ましく用いることができる。また、そのような測定は、外部直流磁場発生器700の電磁石のコイル720に供給する直流電流、及び、外部直流磁場発生器700の電磁石と探針との位置関係を同一に保ちながら走査領域を探針で走査することにより行ってもよい。そのような走査は、例えば、外部直流磁場発生器700の電磁石と探針との位置関係を固定して、試料のみを面内方向に移動させることにより、行うことができる。
外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった一様な外部直流磁場H dc(ex)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行ったとき、上記式(44)の右辺により得られる外部交流磁場H acに平行な方向の磁場像(ここでは垂直磁場像)は
Figure 2024025989000051
This may be done by applying an external DC magnetic field H z dc(ex) to the probe. The fact that the external DC magnetic field H z dc(ex) is a "uniform external DC magnetic field", that is, it satisfies equation (50), is obtained through wave number filtering as ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 A set of zero-crossing pixels of the (x, y, z) image (a set of in-plane coordinates (x, y) whose value is zero, and a combination of two adjacent measurement points whose values have opposite signs ((x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ))), and the set of zero-crossing pixels of the ∂H z dc(sample) /∂z(x, y, z) image obtained through wave number filtering is , which can be said to mean that it does not change even if an external DC magnetic field H z dc(ex) is applied, and can be determined based on this. The ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (x, y, z) image and the ∂H z dc(sample) /∂z (x, y, z) image are non-empty sets of zero-crossing pixels. Note that it must be included. In the above judgment, the ∂H z dc(sample) /∂z(x, y, z) image is the ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y . _ In addition, such a measurement is performed by using a DC current supplied to the electromagnetic coil 720 of the external DC magnetic field generator 700 and a scanning area while keeping the same positional relationship between the electromagnet of the external DC magnetic field generator 700 and the probe. This may be done by scanning with a probe. Such scanning can be performed, for example, by fixing the positional relationship between the electromagnet of the external DC magnetic field generator 700 and the probe and moving only the sample in the in-plane direction.
For each in-plane coordinate (x, y) under the condition that a uniform external DC magnetic field H z dc (ex) of known intensity is applied to the probe in a direction parallel to the external AC magnetic field H z ac . When measuring, the magnetic field image in the direction parallel to the external alternating current magnetic field Hz ac (here, the perpendicular magnetic field image) obtained from the right side of the above equation (44) is

Figure 2024025989000052
に等しい。外部直流磁場H dc(ex)が一様であるとは、観察する試料面上の全ての画素の位置で、H dc(ex)の大きさが等しいと見なせ、なおかつ磁場の勾配、∂H dc(ex)/∂z(x,y,z)、∂ dc(ex)/∂z(x,y,z)がゼロ近傍であることと言い換えることができる。一様な外部直流磁場H dc(ex)を印加すると、式(12)は
Figure 2024025989000052
be equivalent to. The external DC magnetic field H z dc (ex) is uniform because it can be assumed that the magnitude of H z dc (ex) is equal at all pixel positions on the sample surface to be observed, and the gradient of the magnetic field is In other words, ∂H z dc(ex) /∂z(x, y, z) and ∂ 2 H z dc(ex) /∂z 2 (x, y, z) are near zero. When applying a uniform external DC magnetic field H z dc(ex) , equation (12) becomes

Figure 2024025989000053
となる。H dc(ex)が一様な場合、
Figure 2024025989000053
becomes. If H z dc(ex) is uniform,

Figure 2024025989000054
(好ましくは例えば、それぞれ右辺が左辺の1/10未満であり得る。)であるから、さらに
Figure 2024025989000054
(Preferably, for example, each right side may be less than 1/10 of the left side.)

Figure 2024025989000055
となる。式(31c)若しくは(40c)(又は後述する式(31c’)若しくは(40c’))により、磁場の均一成分すなわち(k,k)=(0,0)成分に対応する情報を抽出すると、
Figure 2024025989000055
becomes. Extract information corresponding to the uniform component of the magnetic field, that is, the (k x , k y ) = (0, 0) component using equation (31c) or (40c) (or equation (31c') or (40c') described later). Then,

Figure 2024025989000056
が得られる(工程(j10))。式中、αは後述する測定感度係数(未知)である。外部直流磁場H dc(ex)を印加しないとき、すなわちH dc(ex)=0での測定結果に基づく抽出結果は
Figure 2024025989000056
is obtained (step (j10)). In the formula, α 3 is a measurement sensitivity coefficient (unknown) which will be described later. The extraction result based on the measurement results when no external DC magnetic field H z dc (ex) is applied, that is, at H z dc (ex) = 0, is

Figure 2024025989000057
である(工程(j14))。式(51a)と式(51b)との差をとると
Figure 2024025989000057
(Step (j14)). Taking the difference between equation (51a) and equation (51b),

Figure 2024025989000058
が得られる。H dc(ex)が既知であれば、式(51c)から測定感度係数αを求めることができ(工程(j15))、さらに式(51a)からH dc(sample)を較正できる(工程(j16))。
なお、較正用の磁場H dc(ex)が空間的に一様でない場合には、式(12a)は
Figure 2024025989000058
is obtained. If H z dc(ex) is known, the measurement sensitivity coefficient α 3 can be obtained from equation (51c) (step (j15)), and furthermore, H z dc(sample) can be calibrated from equation (51a) ( Process (j16)).
Note that if the magnetic field for calibration H z dc(ex) is not uniform spatially, equation (12a) becomes

Figure 2024025989000059
となり、波数フィルタの前提となる式にない第4項:
Figure 2024025989000059
The fourth term, which is not in the equation and is the premise of the wave number filter, is:

Figure 2024025989000060
が測定データに加わることで誤差が生じる。
式(51)の値がゼロになる面内座標を(x”,y”)とすると(工程(j1))、
Figure 2024025989000060
is added to the measurement data, causing an error.
If the in-plane coordinates where the value of equation (51) becomes zero are (x'', y'') (step (j1)),

Figure 2024025989000061
であるから、面内座標(x”,y”)の集合は、測定試料からの垂直磁場H dc(sample)が-H dc(ex)である等値線を形成する。実際に測定を行った測定点(格子点)において値がゼロにならず、隣接する2つの測定点において値が異符号である場合には、式(51)の値がゼロになる面内座標(x”,y”)を補間により求めることができる。式(44)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z)の較正は、式(44)により得られる磁場像の面内座標(x’,y’)及び(x”,y”)における値が0及び-H dc(ex)にそれぞれ対応するように、式(44)により得られる磁場像の強度を補正する(定数倍する)ことにより、行うことができる(工程(j4))。
また、式(46)又は(48)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))の較正は、式(46)又は(48)により得られる磁場像の上記面内座標(x’,y’)及び(x”,y”)における値が0及び-H dc(ex)にそれぞれ対応するように、式(46)又は(48)により得られる磁場像の一定値成分および信号強度を補正する(例えば、定数倍して一定値を加える)ことにより、行うことができる(工程(j4))。信号強度(定数倍成分)を別の方法により較正できる場合には、上記の方法で一定値成分のみを較正してもよい。
Figure 2024025989000061
Therefore, the set of in-plane coordinates (x'', y'') forms an isoline where the vertical magnetic field H z dc(sample) from the measurement sample is −H z dc(ex) . If the value does not become zero at the actual measurement point (lattice point) and the values have different signs at two adjacent measurement points, the in-plane coordinate at which the value of equation (51) becomes zero (x'', y'') can be obtained by interpolation. Calibration of the magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z) obtained by equation (44) is performed using the in-plane coordinates (x', y') and (x'') of the magnetic field image obtained by equation (44). This can be done by correcting (multiplying by a constant) the intensity of the magnetic field image obtained by equation (44) so that the values at 0 and −Hz dc(ex) respectively correspond to Process (j4)).
Furthermore, the calibration of the magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z; (k x , k y )≠(0,0)) obtained by equation (46) or (48) is performed using equation (46) Or , the formula ( 46) or (48) by correcting the constant value component and signal intensity of the magnetic field image (for example, multiplying by a constant and adding a constant value) (step (j4)). If the signal strength (constant multiplication component) can be calibrated using another method, only the constant value component may be calibrated using the above method.

式(44)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z)において、磁場値がゼロになる(式(49)を満たす)面内座標(x’,y’)が存在しない(すべての測定点において値が同符号である)場合には、例えば、試料の一部に非磁性領域を形成するように、イオン打込み装置を用いて試料の一部に局所的に非磁性イオンを打込むことにより、磁場値がゼロになる(式(49)を満たす)面内座標(x’,y’)を走査領域中に存在させる前処理を行ってもよい。また、試料を樹脂等の非磁性マトリックス中に埋め込み、表面研磨により、平坦な試料と非磁性マトリックスとの境界部を形成することにより、磁場値がゼロになる(式(49)を満たす)面内座標(x’,y’)を走査領域中に存在させる前処理を行ってもよい。 In the magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z) obtained by equation (44), there exists an in-plane coordinate (x', y') where the magnetic field value becomes zero (satisfying equation (49)). If not (the values have the same sign at all measurement points), for example, use an ion implanter to locally demagnetize a part of the sample to form a non-magnetic region in a part of the sample. By implanting ions, preprocessing may be performed such that in-plane coordinates (x', y') where the magnetic field value becomes zero (satisfying equation (49)) are present in the scanning region. In addition, by embedding the sample in a non-magnetic matrix such as resin and polishing the surface to form a boundary between the flat sample and the non-magnetic matrix, we can create a surface where the magnetic field value becomes zero (satisfying equation (49)). Preprocessing may be performed to make the inner coordinates (x', y') exist in the scanning area.

また、式(44)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z)において、式(49)を満たす、すなわち磁場値がゼロになる面内座標(x’,y’)が存在しない(すべての測定点において値が同符号である)場合には、次のようにして磁場値の較正を行うことができる。外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった一様な外部直流磁場H dc(ex)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行ったとき、磁場値がゼロになる面内座標(x’,y’)が存在したならば、 In addition, in the magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z) obtained by equation (44), in-plane coordinates (x', y') that satisfy equation (49), that is, the magnetic field value becomes zero does not exist (the values have the same sign at all measurement points), the magnetic field values can be calibrated as follows. For each in-plane coordinate (x, y) under the condition that a uniform external DC magnetic field H z dc (ex) of known intensity is applied to the probe in a direction parallel to the external AC magnetic field H z ac . If there is an in-plane coordinate (x', y') where the magnetic field value is zero when measuring,

Figure 2024025989000062
である(工程(j1))。実際に測定を行った測定点(格子点)において値がゼロにならず、隣接する2つの測定点において値が異符号である場合には、式(53)を満たす面内座標(x’,y’)を補間により求めることができる。すなわち、面内座標(x’,y’)における磁場値は、外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった一様な外部直流磁場H dc(ex)を探針に印加した条件で各面内座標について測定を行ったとき、式(44)により算出される磁場値が当該面内座標(x’,y’)においてゼロとなる外部直流磁場H dc(ex)について、値-H dc(ex)として求めることができる。一の実施形態において、式(44)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z)の較正は、式(44)により得られる磁場像の上記面内座標(x’,y’)における値が-H dc(ex)に対応するように、式(44)により得られる磁場像の強度を補正することにより、行うことができる(工程(j2))。他の実施形態において、さらに、外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった一様な外部直流磁場H dc(ex2)であって、上記H dc(ex)とは異なる強度を有する外部直流磁場H dc(ex2)を探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行ったとき、磁場値がゼロになる面内座標(x”,y”)が存在したならば、
Figure 2024025989000062
(Step (j1)). If the value is not zero at the actual measurement point (lattice point) and the values at two adjacent measurement points have different signs, then the in-plane coordinates (x', y') can be obtained by interpolation. That is, the magnetic field value at the in-plane coordinates (x', y') is in a direction parallel to the external AC magnetic field H z ac , and the uniform external DC magnetic field H z dc(ex) of known intensity is detected by the probe. When measuring each in-plane coordinate under the condition that the external DC magnetic field H z dc (ex ) can be determined as the value −H z dc(ex) . In one embodiment, the calibration of the magnetic field image H z dc(sample) (x, y, z) obtained by equation (44) is based on the in-plane coordinates (x', This can be done by correcting the intensity of the magnetic field image obtained by equation (44) so that the value in y') corresponds to -H z dc(ex) (step (j2)). In another embodiment, a uniform external direct current magnetic field H z dc (ex2) of known intensity is further applied in a direction parallel to the external alternating current magnetic field H z ac , the external direct current magnetic field H z dc(ex2) having a known intensity . is the in-plane coordinate ( x , ",y") exists, then

Figure 2024025989000063
である(工程(j5))。実際に測定を行った測定点(格子点)において値がゼロにならず、隣接する2つの測定点において値が異符号である場合には、式(54)を満たす面内座標(x”,y”)を補間により求めることができる。すなわち、上記面内座標(x’,y’)とは異なる面内座標(x”,y”)における磁場値は、上記H dc(ex)とは異なる強度を有する外部直流磁場H dc(ex2)を探針に印加した条件で測定を行ったとき、式(44)により算出される磁場値が当該面内座標(x”,y”)においてゼロとなる外部直流磁場H dc(ex2)について、値-H dc(ex2)として求めることができる。したがって、一の実施形態において、式(44)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z)の較正は、式(44)により得られる磁場像の上記面内座標(x’,y’)及び(x”,y”)における値が-H dc(ex)及び-H dc(ex2)にそれぞれ対応するように、式(44)により得られる磁場像の強度およびゼロ位置を補正することにより、行うことができる(工程(j6))。
また、式(46)又は(48)により得られる磁場像H dc(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))の較正は、式(46)又は(48)により得られる磁場像の上記面内座標(x’,y’)及び(x”,y”)における値が-H dc(ex)及び-H dc(ex2)にそれぞれ対応するように、式(46)又は(48)により得られる磁場像の一定値成分および信号強度を補正する(例えば、定数倍して一定値を加える)ことにより、行うことができる(工程(j6))。信号強度(定数倍成分)を別の方法により較正できる場合には、上記の方法で一定値成分のみを較正してもよい。
Figure 2024025989000063
(Step (j5)). If the value does not become zero at the actual measurement point (lattice point) and the values have different signs at two adjacent measurement points, the in-plane coordinate (x'', y”) can be obtained by interpolation. That is, the magnetic field value at in-plane coordinates (x'', y'') different from the above-mentioned in-plane coordinates (x', y') is an external DC magnetic field H z dc having a different intensity from the above-mentioned H z dc (ex). (ex2) is applied to the probe, the external DC magnetic field H z dc( ex2) can be determined as the value −H z dc(ex2) . Therefore, in one embodiment, the calibration of the magnetic field image H z dc(sample) (x, y, z) obtained by equation (44) is performed using the in-plane coordinates (x, y, z) of the magnetic field image obtained by equation (44). ', y') and (x'', y'') correspond to -Hz dc(ex) and -Hz dc(ex2) , respectively, and the intensity of the magnetic field image obtained by equation (44). This can be done by correcting the zero position (step (j6)).
Furthermore, the calibration of the magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z; (k x , k y )≠(0,0)) obtained by equation (46) or (48) is performed using equation (46) Or, the values at the above-mentioned in-plane coordinates (x', y') and (x'', y'') of the magnetic field image obtained by (48) correspond to -Hz dc(ex) and -Hz dc(ex2), respectively. (Step (j6) )). If the signal strength (constant multiplication component) can be calibrated using another method, only the constant value component may be calibrated using the above method.

さらに他の実施形態において、次のようにして磁場値の較正を行うことができる。 In yet other embodiments, calibration of magnetic field values can be performed as follows.

Figure 2024025989000064
(式中、αは非ゼロの実定数である。)
を満たす面内座標(x’,y’)の集合は、磁場値がαである等値線を形成する。外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった一様な外部直流磁場H dc(ex)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行う。さらに、外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった一様な外部直流磁場H dc(ex2)であって、上記H dc(ex)とは異なる強度を有する外部直流磁場H dc(ex2)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行う。
Figure 2024025989000064
(In the formula, α is a non-zero real constant.)
A set of in-plane coordinates (x', y') that satisfy the following form an isovalue line whose magnetic field value is α. For each in-plane coordinate (x, y) under the condition that a uniform external DC magnetic field H z dc (ex) of known intensity is applied to the probe in a direction parallel to the external AC magnetic field H z ac . Take measurements. Furthermore, an external DC magnetic field H z dc(ex2) having a uniform intensity and a direction parallel to the external AC magnetic field H z ac and having a different intensity from the above-mentioned H z dc(ex) is applied. Measurement is performed for each in-plane coordinate (x, y) under the condition that a DC magnetic field H z dc (ex2) is applied to the probe.

Figure 2024025989000065
を満たす面内座標(x”,y”)の集合および面内座標(x''',y''')の集合が形成する2つの等値線(工程(j7)、(j8))に基づいて、式(44)により得られる磁場像の信号強度を較正することができる。実際に測定を行った測定点(格子点)において値がαにならず、隣接する2つの測定点において値がα-δ及びα+δ(δ、δはそれぞれ正の実数である。)である場合には、式(56)を満たす面内座標(x”,y”)、(x'''、y''')を補間により求めることができる。すなわち、式(56)からαを消去すると
Figure 2024025989000065
In the two isolines (steps (j7), (j8)) formed by the set of in-plane coordinates (x'', y'') and the set of in-plane coordinates (x''', y''') that satisfy Based on this, the signal strength of the magnetic field image obtained by equation (44) can be calibrated. The value does not become α at the measurement point (lattice point) where the measurement was actually performed, and the values at the two adjacent measurement points are α−δ 1 and α+δ 21 and δ 2 are each positive real numbers). ), in-plane coordinates (x'', y'') and (x''', y''') that satisfy equation (56) can be obtained by interpolation. In other words, if we eliminate α from equation (56), we get

Figure 2024025989000066
であるから、外部直流磁場H dc(ex)を印加したときに式(44)により算出される磁場値がαとなる面内座標(x”,y”)と、外部直流磁場H dc(ex2)を印加したときに式(44)により算出される磁場値がαとなる面内座標(x''',y''')とにおける、外部直流磁場を印加していないときの式(44)により算出される磁場値の差H dc(sample)(x”,y”,z)-H dc(sample)(x''',y''',z)が、外部直流磁場の差H dc(ex2)(x''',y''',z)-H dc(ex)(x”,y”,z)に等しくなるように、式(44)、式(46)又は(48)により得られる磁場像の信号強度を較正することができる(工程(j9))。このような較正方法は、走査領域における磁場が全範囲にわたって同符号であるために、式(44)により算出される磁場値がゼロとなる面内座標が存在せず、かつ、走査領域における磁場が全範囲にわたって非常に強いために、式(44)により算出される磁場値がゼロとなる面内座標(x’,y’)が存在するような外部直流磁場H dc(ex)を印加できない場合に有用である。一の実施形態において、走査領域内に磁化飽和していることがわかっている位置が存在する場合には、当該位置における磁化飽和値に基づいて、さらに磁場値の絶対値を補正することができる。
Figure 2024025989000066
Therefore, when the external DC magnetic field H z dc (ex) is applied, the in-plane coordinates (x", y") at which the magnetic field value calculated by equation (44) is α, and the external DC magnetic field H z dc The formula when no external DC magnetic field is applied at the in-plane coordinates (x''', y''') where the magnetic field value calculated by equation (44) is α when (ex2) is applied. The difference in magnetic field values calculated by (44) H z dc(sample) (x'', y'', z) - H z dc(sample) (x''', y''', z) is Equation ( 44 ) , Eq . The signal intensity of the magnetic field image obtained by (46) or (48) can be calibrated (step (j9)). In such a calibration method, since the magnetic field in the scanning region has the same sign over the entire range, there is no in-plane coordinate where the magnetic field value calculated by equation (44) is zero, and the magnetic field in the scanning region is very strong over the entire range, so an external DC magnetic field Hz dc(ex) is applied such that there exists an in-plane coordinate (x', y') where the magnetic field value calculated by equation (44) is zero. This is useful when this is not possible. In one embodiment, if there is a position in the scanning area that is known to be saturated with magnetization, the absolute value of the magnetic field value can be further corrected based on the magnetization saturation value at that position. .

上記のようにして、波数フィルタ(式(31a)~(31c)及び式(40a)~(40c))の入力 Input the wave number filter (Equations (31a) to (31c) and Equations (40a) to (40c)) as described above.

Figure 2024025989000067
が不明な定数倍されていても、式(44)、(46)、又は(48)により得られる磁場像の信号強度を較正することができる。当該不明な定数をβとし、磁場の2階微分、磁場の1階微分、及び磁場の測定感度に対応する係数(以下において「測定感度係数」ということがある。)をそれぞれα、α、及びαとすると、波数フィルタと測定感度係数α、α、αとの関係は、CがCと同符号のとき
Figure 2024025989000067
Even if is multiplied by an unknown constant, the signal strength of the magnetic field image obtained by equation (44), (46), or (48) can be calibrated. The unknown constant is β, and the coefficients corresponding to the second derivative of the magnetic field, the first derivative of the magnetic field, and the measurement sensitivity of the magnetic field (hereinafter sometimes referred to as "measurement sensitivity coefficients") are α 1 and α 2 , respectively. , and α 3 , the relationship between the wave number filter and the measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 , α 3 is as follows when C 3 has the same sign as C 1

Figure 2024025989000068
となり、CがCと異符号のとき
Figure 2024025989000068
So, when C 3 has a different sign from C 1

Figure 2024025989000069
となる(式中、ε’は任意に定められる微小実定数であり、その選び方及び好ましい範囲はεと同様である。)。上記説明した磁場値の較正において磁場の強度を補正する操作は、不明な定数βを乗じられた入力
Figure 2024025989000069
(In the formula, ε' is an arbitrarily determined infinitesimal real constant, and its selection and preferred range are the same as ε.) In the magnetic field value calibration described above, the operation of correcting the magnetic field strength is based on the input multiplied by an unknown constant β.

Figure 2024025989000070
に対して、測定感度係数α、α、及び/又はαを求める操作に対応する。したがって、波数フィルタの入力(式(59))がいかなる定数倍を含んでいるかを知る必要はない。
Figure 2024025989000070
This corresponds to the operation of determining the measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 , and/or α 3 for . Therefore, it is not necessary to know what constant multiple the wave number filter input (Equation (59)) contains.

このように、第1の波数フィルタ演算器631(図5)における具体的な演算は、探針10の位置における交流磁場の振幅H ac(coil)と、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分∂ ac(coil)/∂zとが同符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59))に In this way, the specific calculation in the first wave number filter calculator 631 (FIG. 5) is based on the amplitude H z ac (coil) of the alternating magnetic field at the position of the probe 10 and the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10. When the second-order differential of the amplitude with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 ∂ 2 Hz ac(coil) /∂z 2 has the same sign, the combination of each wave number (k x , k y ), the input (formula (59)) is

Figure 2024025989000071
を乗じることにより行うことができ、H ac(coil)と∂ ac(coil)/∂zとが異符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59))に
Figure 2024025989000071
If H z ac(coil) and ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 have opposite signs, then for each wave number combination (k x , k y ) , input (Equation (59))

Figure 2024025989000072
を乗じることにより行うことができる。また、第2の波数フィルタ演算器632(図5)における具体的な演算は、H ac(coil)と∂ ac(coil)/∂zとが同符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59))に
Figure 2024025989000072
This can be done by multiplying by Further, the specific calculation in the second wave number filter calculation unit 632 (FIG. 5) is as follows when H z ac(coil) and ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 have the same sign. For each wave number combination (k x , k y ), input (Equation (59))

Figure 2024025989000073
を乗じることにより行うことができ、H ac(coil)と∂ ac(coil)/∂zとが異符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59))に
Figure 2024025989000073
If H z ac(coil) and ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 have opposite signs, then for each wave number combination (k x , k y ) , input (Equation (59))

Figure 2024025989000074
を乗じることにより行うことができる。また、第3の波数フィルタ演算器633(図5)における具体的な演算は、H ac(coil)と∂ ac(coil)/∂zとが同符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59))に
Figure 2024025989000074
This can be done by multiplying by Further, the specific calculation in the third wave number filter calculator 633 (FIG. 5) is as follows when H z ac(coil) and ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 have the same sign. For each wave number combination (k x , k y ), input (Equation (59))

Figure 2024025989000075
を乗じることにより行うことができ、H ac(coil)と∂ ac(coil)/∂zとが異符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59))に
Figure 2024025989000075
If H z ac(coil) and ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 have opposite signs, then for each wave number combination (k x , k y ) , input (Equation (59))

Figure 2024025989000076
を乗じることにより行うことができる。ただし上記の通り、第3の波数フィルタ演算器633を用いて入力(式(59):フーリエ変換器620の出力)から直流磁場の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)を抽出することは、探針位置における交流磁場の探針の振動方向についての1階微分∂H ac(coil)/∂zの値が非ゼロである場合にのみ可能である。なお、∂H ac(coil)/∂zの値がゼロであっても、第2の波数フィルタ演算器632により入力(式(59))から直流磁場の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)を抽出し、これを第2/第3の積分フィルタ演算器652によりフーリエ空間上で1回積分(∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)=-(k +k -1/2×∂ dc(sample)/∂z(k,k,z))することにより、直流磁場の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)を得ることができ、これを逆フーリエ変換器640で二次元逆フーリエ変換することにより、実空間での直流磁場の1階微分∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)を得ることができる。
Figure 2024025989000076
This can be done by multiplying by However, as mentioned above, the third wave number filter calculator 633 is used to convert the input (Equation (59): output of the Fourier transformer 620) into the Fourier transform of the first differential of the DC magnetic field ∂H z dc(sample) /∂z Extracting ( k _ It is only possible to Note that even if the value of ∂H z ac(coil) /∂z is zero, the second wave number filter calculator 632 converts the Fourier transform of the second derivative of the DC magnetic field from the input (Equation (59)) to ∂ 2 H z dc(sample) / ∂z 2 ( k ) /∂z (k x , k y , z) = - (k x 2 + k y 2 ) -1/2 ×∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z)) By doing so, it is possible to obtain the Fourier transform of the first derivative of the DC magnetic field ∂H z dc(sample) /∂z(k By converting, the first-order differential of the DC magnetic field in real space ∂H z dc(sample) /∂z(x, y, z) can be obtained.

αは磁場の2階微分の測定感度係数であり、Cに対応する。αは磁場の1階微分の測定感度係数であり、Cに対応する。αは磁場の測定感度係数であり、Cに対応する。測定感度係数α、α、及びαは、定数C、C、及びCの定義(式(13))を介して、相互に比例している。交流磁場の発生源として空芯コイルを用いている場合には、測定感度係数α、α、及びαのいずれか一つが定まったならば、空芯コイルの式(15)及び定数C、C、及びCの定義(式(13))から、残る2つの測定感度係数も求めることができる。例えば、磁場の測定感度係数αが定まったならば、磁場の2階微分の測定感度係数α、及び磁場の1階微分の測定感度係数αは、 α 1 is the measurement sensitivity coefficient of the second derivative of the magnetic field and corresponds to C 1 . α 2 is the measurement sensitivity coefficient of the first derivative of the magnetic field and corresponds to C 2 . α 3 is the measurement sensitivity coefficient of the magnetic field and corresponds to C 3 . The measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 and α 3 are proportional to each other via the definition of constants C 1 , C 2 and C 3 (Equation (13)). When an air-core coil is used as the source of the AC magnetic field, once any one of the measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 , and α 3 is determined, the air-core coil equation (15) and the constant C From the definitions of 1 , C 2 , and C 3 (Equation (13)), the remaining two measurement sensitivity coefficients can also be determined. For example, if the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field is determined, the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second derivative of the magnetic field and the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first derivative of the magnetic field are:

Figure 2024025989000077
で求めることができる。また例えば、磁場の2階微分の測定感度係数αが定まったならば、及び磁場の1階微分の測定感度係数α、及び磁場の測定感度係数α
Figure 2024025989000077
It can be found by For example, if the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second derivative of the magnetic field is determined, the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first derivative of the magnetic field, and the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field are

Figure 2024025989000078
で求めることができる。また例えば、磁場の1階微分の測定感度係数αが定まったならば、磁場の2階微分の測定感度係数α、及び磁場の測定感度係数α
Figure 2024025989000078
It can be found by For example, if the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first derivative of the magnetic field is determined, the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second derivative of the magnetic field and the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field are

Figure 2024025989000079
で求めることができる。
Figure 2024025989000079
It can be found by

さらに、波数フィルタ(式(31a)~(31c)、または式(41a)~(41c))に現れる定数C、C、及びCは探針の磁化率χを含んでいる(式(13))が、波数フィルタの適用にあたって、探針の磁化率χを知っている必要はない。なぜなら、波数フィルタの係数は、式(31a’)~(31c’)及び式(40a’)~(40c’)に表されるように、定数C、C、Cの相互の間の比で表すことができ、これらの比において定数C、C、Cに含まれる探針の磁化率χは相互にキャンセルされるからである。すなわち、上記式(31a’)~(31c’)及び式(40a’)~(40c’)中、波数フィルタの係数は Furthermore, the constants C 1 , C 2 , and C 3 appearing in the wavenumber filter (Equations (31a) to (31c) or Equations (41a) to (41c)) include the magnetic susceptibility χ of the probe (Equation ( 13)) However, in applying the wave number filter, it is not necessary to know the magnetic susceptibility χ of the probe. This is because the coefficients of the wave number filter are determined by the relationship between constants C 1 , C 2 , and C 3 as expressed in equations (31a') to (31c') and equations (40a') to (40c'). This is because it can be expressed as a ratio, and in these ratios, the magnetic susceptibility χ of the probe included in the constants C 1 , C 2 , and C 3 cancel each other out. That is, in the above equations (31a') to (31c') and equations (40a') to (40c'), the coefficients of the wave number filter are

Figure 2024025989000080
の2つであり、これらは探針の磁化率χに依存しない。特に外部交流磁場の発生源が空芯コイルである場合には、空芯コイルの式(15)から、これらの2つの係数を算出できる。なお上記式(31a’)~(31c’)及び式(40a’)~(40c’)の波数フィルタ部分は、定数Cが必ず非ゼロであることを利用して、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を係数として用いるように、波数フィルタ部分の分母及び分子を|C|で除することにより式変形して得られたものであるが、波数フィルタ部分を表す式の形は必ずしもこれに限られるものではない。例えば、波数フィルタの分母および分子の両方に|H ac(coil)|を乗じることにより、|H ac(coil)|、|∂H ac(coil)/∂z|、及び|∂ ac(coil)/∂z|の間の2つの比(式(66)、(67))に代えて、|H ac(coil)|、|∂H ac(coil)/∂z|、及び|∂ ac(coil)/∂z|の3つの値を係数として用いてもよい。また例えば、定数Cが非ゼロであれば、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を係数として用いることも可能である。そのような波数フィルタは次のように表される。
Figure 2024025989000080
These two do not depend on the magnetic susceptibility χ of the probe. In particular, when the source of the external AC magnetic field is an air-core coil, these two coefficients can be calculated from equation (15) for the air-core coil. Note that the wave number filter portion of the above equations (31a') to (31c') and equations (40a') to (40c') uses the fact that the constant C 1 is always non-zero to calculate |C 2 |/| It was obtained by transforming the formula by dividing the denominator and numerator of the wave number filter part by |C 1 | so that the two ratios of C 1 | and |C 3 |/|C 1 | are used as coefficients. However, the form of the equation representing the wave number filter portion is not necessarily limited to this. For example, by multiplying both the denominator and numerator of a wavenumber filter by |H z ac(coil) | , |H z ac(coil) |, |∂H z ac(coil) /∂z|, and |∂ 2 Instead of the two ratios between H z ac(coil) /∂z 2 | (Equations (66) and (67)), |H z ac(coil) |, |∂H z ac(coil) /∂ Three values of z| and |∂ 2 Hz ac(coil) /∂z 2 | may be used as coefficients. For example, if the constant C 2 is non-zero, it is also possible to use two ratios of |C 1 |/|C 2 | and |C 3 |/|C 2 | as coefficients. Such a wavenumber filter is expressed as follows.

Figure 2024025989000081
(式中、CはCと同符号)、
Figure 2024025989000081
(In the formula, C 3 has the same sign as C 1 ),

Figure 2024025989000082
(式中、CはCと異符号;ε”は任意に定められる微小実定数であり、その選び方及び好ましい範囲はεと同様である。)
また例えば定数Cが非ゼロであれば、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を係数として用いるように式変形を行うことも可能である。そのような波数フィルタは次のように表される。
Figure 2024025989000082
(In the formula, C3 has a different sign from C1 ; ε'' is an arbitrarily determined infinitesimal real constant, and its selection and preferred range are the same as ε.)
For example, if the constant C 3 is non-zero, it is also possible to transform the equation so that the two ratios of |C 1 |/|C 3 | and |C 2 |/|C 3 | are used as coefficients. . Such a wavenumber filter is expressed as follows.

Figure 2024025989000083
(式中、CはCと同符号)
Figure 2024025989000083
(In the formula, C 3 has the same sign as C 1 )

Figure 2024025989000084
(式中、CはCと異符号;ε’’’は任意に定められる微小実定数であり、その選び方及び好ましい範囲は式(40a)~(40c)中のεと同様である。)
ただし、汎用性の高さ及び計算の安定性の観点からは、上記式(31a’)~(31c’)及び式(40a’)~(40c’)におけるように、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を、波数フィルタ部分の係数として用いることが好ましい。
Figure 2024025989000084
(In the formula, C 3 has a different sign from C 1 ; ε''' is an arbitrarily determined infinitesimal real constant, and its selection and preferred range are the same as ε in formulas (40a) to (40c). )
However, from the viewpoint of high versatility and stability of calculation, |C 2 |/|C It is preferable to use two ratios of 1 | and |C 3 |/|C 1 | as coefficients of the wave number filter section.

さらに他の実施形態において、上記式(31a’)~(31c’)及び式(40a’)~(40c’)を踏まえて、磁場値の較正を次のように行うことも可能である(工程(j10)~(j13))。外部交流磁場H acに平行な方向であって、強度のわかった外部直流磁場H dc(ex)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行う。式(31c’)又は(40c’)により、磁場の一定値成分すなわち(k,k)=(0,0)成分に対応する情報を抽出すると、 In still other embodiments, it is also possible to calibrate the magnetic field value as follows (step (j10) to (j13)). Measurement is performed for each in-plane coordinate (x, y) under the condition that an external DC magnetic field Hz dc (ex) of known intensity is applied to the probe in a direction parallel to the external AC magnetic field Hz ac. . When information corresponding to the constant value component of the magnetic field, that is, the (k x , k y )=(0,0) component is extracted using equation (31c') or (40c'),

Figure 2024025989000085
が得られる(工程(j10))。さらに、外部直流磁場H dc(ex)に代えて、H dc(ex)とは強度が同一で逆の極性を有する外部直流磁場-H dc(ex)を印加して同様に測定を行い、同様に磁場の一定値成分すなわち(k,k)=(0,0)成分を抽出すると、
Figure 2024025989000085
is obtained (step (j10)). Furthermore, in place of the external DC magnetic field H z dc(ex) , an external DC magnetic field -H z dc(ex) having the same strength and opposite polarity as that of H z dc(ex) is applied and measurements are made in the same way. Similarly, if we extract the constant value component of the magnetic field, that is, the (k x , k y )=(0,0) component, we get

Figure 2024025989000086
が得られる(工程(j11))。両測定結果の差(式(68)-式(69))は
Figure 2024025989000086
is obtained (step (j11)). The difference between both measurement results (Equation (68) - Equation (69)) is

Figure 2024025989000087
に等しい。この値と、外部交流磁場H dc(ex)の値(これは既知である)とから、磁場値の測定感度係数αを求めることができる(工程(j12))。得られた測定感度係数αを用いて、式(44)により得られる磁場像の信号強度を較正できる。さらに、両測定結果の和(式(68)+式(69))は
Figure 2024025989000087
be equivalent to. From this value and the value of the external alternating magnetic field H z dc(ex) (which is known), the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field value can be determined (step (j12)). Using the obtained measurement sensitivity coefficient α 3 , the signal intensity of the magnetic field image obtained by equation (44) can be calibrated. Furthermore, the sum of both measurement results (formula (68) + formula (69)) is

Figure 2024025989000088
に等しい。この値と、先に決定された測定感度係数αとから、試料からの直流磁場の一定値成分H dc(sample)((k,k)=(0,0),z)を求めることができる(工程(j13))。このようにして求められた磁場の一定値成分は、式(46)又は(48)により得られる磁場像における磁場の一定値成分として用いることができる。また、外部交流磁場の発生源に空芯コイルを用いている場合には、さらに、得られた測定感度係数αと、上記式(60)又は(61)と、空芯コイルの式(15)とから、磁場の2階微分の測定感度係数α又は磁場の1階微分の測定感度係数αを算出して、式(46)又は(48)により得られる磁場像の信号強度を較正することができる。
Figure 2024025989000088
be equivalent to. From this value and the previously determined measurement sensitivity coefficient α 3 , the constant value component of the DC magnetic field from the sample H z dc (sample) ((k x , k y ) = (0, 0), z) is calculated. can be obtained (step (j13)). The constant value component of the magnetic field obtained in this way can be used as the constant value component of the magnetic field in the magnetic field image obtained by equation (46) or (48). In addition, when an air-core coil is used as the source of the external AC magnetic field, the obtained measurement sensitivity coefficient α 3 , the above equation (60) or (61), and the air-core coil equation (15 ), calculate the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second-order differential of the magnetic field or the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first-order differential of the magnetic field, and calibrate the signal strength of the magnetic field image obtained by equation (46) or (48). can do.

直流磁場測定装置1000(図4)においては、交流磁場発生器300が空芯コイル310に交流電流を供給することにより交流磁場を発生させるので、波数フィルタ処理に必要な情報、すなわち、探針位置の交流磁場H ac(coil)並びにその1階微分∂H ac(coil)/∂z及び2階微分∂ ac(coil)/∂zは、空芯コイルの式(15)(元をたどればビオー・サバールの法則)から直接求めることが可能である。これに対して、直流磁場測定装置2000(図6)においては、交流磁場発生器2300が電磁コア2310を備える電磁石のコイル2320に交流電流を供給することにより交流磁場を発生させる。直流磁場測定装置2000におけるように、交流磁場の発生源として空芯コイルではなく、磁心と該磁心に巻回されたコイルとを備える電磁石を用いる場合には、上記式(31a’)~(31c’)及び(40a’)~(40c’)において、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を精度よく評価することは一般に困難である。交流磁場の発生源として電磁石を用いる場合には、例えば、交流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料(標準試料)を観察した結果に基づいて式(44)、式(46)又は(48)により得られた磁場像H dc(sample)(x,y,z)又はH dc(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))に、交流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から式(44)、式(46)又は(48)により算出される磁場像H dc(sample)(x,y,z)又はH dc(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))を合わせるように、式(31a’)~(31c’)及び(40a’)~(40c’)のいずれかにおいて係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を(パラメータフィッティング演算器2800によって)最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を求めることができる(工程(o))。他の実施形態において、交流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料(標準試料)を観察した結果に基づいて得られた2階微分像∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)又は∂ dc(sample)/∂z(x,y,z;(x,y)≠(0,0))に、交流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から算出される2階微分像∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)又は∂ dc(sample)/∂z(x,y,z;(x,y)≠(0,0))を合わせるように、式(31a’)又は(40a’)において係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を求めてもよい(工程(o))。最適化計算の前に、例えば2つの像の間で像信号の最大値および最小値を揃えるように規格化する等の、前処理を行ってもよい。これら2つの係数を求めることは、定数|C|、|C|、|C|の間の2つの比を求めることと等価であると同時に、探針10の位置における交流磁場の振幅H ac(coil)と、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向についての1階微分∂H ac(coil)/∂zと、探針10の位置における交流磁場の振幅の、探針10の振動方向についての2階微分∂ ac(coil)/∂zとの間の、2つの比を求めることと等価である。なお交流磁場源として電磁石を用いる場合、探針10の位置における交流磁場の振幅H ac(coil)とその2階微分∂ ac(coil)/∂zとは異符号(すなわちCとCとが異符号)であることが多い。直流磁場測定装置2000において、交流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料を観察する際には、切り替えスイッチ2340を電磁石コイル2320の側から空芯コイル310の側に切り替えることにより、交流/直流電流源2330から空芯コイル310に交流電流を供給して測定を行うことができる。電磁石に関する条件が同一である(すなわち同一の電磁石に同一の電流が供給され、電磁石と探針との位置関係が同一である)限り、係数|C|/|C|及び|C|/|C|は同一に保たれる。したがって電磁石に関する条件が同一である限りにおいて、得られた係数|C|/|C|及び|C|/|C|を他の測定にも適用することができる。その後、他の測定において、電磁石に関して同一の条件を適用するとともに、得られた係数|C|/|C|及び|C|/|C|を適用して、上記説明した操作により、磁場値の較正を行うことができる。
一般には、磁場の2階微分の測定結果が最も情報量が豊富であるので、交流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料を観察した結果に基づいて式(48)により得られた磁場像H dc(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))に、交流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から式(48)により算出される磁場像H dc(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))を合わせるように、式(31a’)又は(40a’)において係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を決定することが好ましい。また、測定ノイズの影響を受けにくいという観点からは、交流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料を観察した結果に基づいて式(44)により得られた磁場像H dc(sample)(x,y,z)に、交流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から式(44)により算出される磁場像H dc(sample)(x,y,z)を合わせるように、式(31c’)又は(40c’)において係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を決定することが好ましい。その後、電磁石に関して同一の条件を適用した他の測定において、先に決定された係数|C|/|C|及び|C|/|C|を適用して、上記説明した操作により、磁場値の較正を行うことができる。
最適化の計算にあたっては、公知の最適化手法を採用することができる。例えば、各面内座標(x,y)における誤差の二乗和を最小化するように、Levenberg-Marquardt法、Dogleg法等の信頼領域法;Hager-Zhang(HZ)法等の共役勾配法;Narushima-Yabe-Ford法等の三項共役勾配法;Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)法、記憶制限BFGS(L-BFGS)法等の準ニュートン法;シミュレーテッドアニーリング(SA)法;滑降シンプレックス法、等の公知の非線形最適化アルゴリズムを適用することができる。
In the DC magnetic field measurement device 1000 (FIG. 4), the AC magnetic field generator 300 generates an AC magnetic field by supplying AC current to the air-core coil 310, so information necessary for wave number filtering, that is, the probe position The alternating current magnetic field H z ac(coil) , its first derivative ∂H z ac(coil) /∂z, and second derivative ∂ 2 H z ac(coil) /∂z 2 are expressed by the air-core coil equation (15). (It can be directly determined from the Biot-Savart law). On the other hand, in the DC magnetic field measuring device 2000 (FIG. 6), the AC magnetic field generator 2300 generates an AC magnetic field by supplying an AC current to a coil 2320 of an electromagnet including an electromagnetic core 2310. As in the DC magnetic field measuring device 2000, when an electromagnet having a magnetic core and a coil wound around the magnetic core is used instead of an air-core coil as a source of the AC magnetic field, the above equations (31a') to (31c) are used. ') and (40a') to (40c'), it is generally difficult to accurately evaluate the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 |. When using an electromagnet as the source of the alternating magnetic field, for example, formulas (44) and (46) can be expressed based on the results of observing the same sample (standard sample) using an air-core coil as the source of the alternating magnetic field. Or to the magnetic field image H z dc(sample) (x, y, z) or H z dc(sample) (x, y, z; (x, y)≠(0,0)) obtained by (48) , a magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z) or Hz dc calculated by equation (44), equation (46), or (48) from the measurement results using an electromagnet as a source of an alternating magnetic field. (sample) Either formula (31a') to (31c') or (40a') to (40c') so as to match (x, y, z; (x, y)≠(0,0)) By optimizing (by parameter fitting operator 2800) the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | (and optionally a constant multiple of the image) at |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | can be determined (step (o)). In another embodiment, a second-order differential image ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z obtained based on the results of observing the same sample (standard sample) using an air-core coil as a source of an alternating magnetic field. 2 (x, y, z) or ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (x, y, z; (x, y)≠(0,0)), an electromagnet is used as a source of an alternating magnetic field. The second-order differential image ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (x, y, z) or ∂ 2 Hz dc(sample ) /∂z 2 (x, y, z) calculated from the measurement results used ; (x, y)≠(0,0)), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 |( and optionally a constant multiple of the image), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | may be determined (step (o)). Before the optimization calculation, preprocessing may be performed, such as normalization so that the maximum and minimum values of the image signals are the same between the two images. Determining these two coefficients is equivalent to determining the two ratios between the constants |C 1 |, |C 2 |, |C 3 |, and at the same time, the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe 10. H z ac(coil) , the first-order differential of the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 ∂H z ac(coil) /∂z, and the AC magnetic field at the position of the probe 10 This is equivalent to finding the two ratios of the amplitude of the magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10, ∂ 2 Hz ac(coil) /∂z 2 . Note that when an electromagnet is used as an AC magnetic field source, the amplitude H z ac (coil) of the AC magnetic field at the position of the probe 10 and its second-order differential ∂ 2 H z ac (coil) / ∂z 2 have different signs (that is, C 1 and C3 are often of opposite signs). In the DC magnetic field measuring device 2000, when observing the same sample using an air-core coil as the source of the AC magnetic field, by switching the changeover switch 2340 from the electromagnetic coil 2320 side to the air-core coil 310 side, Measurements can be performed by supplying alternating current from alternating current/ direct current source 2330 to air core coil 310. As long as the conditions regarding the electromagnets are the same (that is, the same electromagnet is supplied with the same current and the positional relationship between the electromagnet and the probe is the same), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 | /|C 1 | is kept the same. Therefore, the obtained coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | can also be applied to other measurements, as long as the conditions regarding the electromagnets are the same. Thereafter, in other measurements, applying the same conditions for the electromagnet and the obtained coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 |, by the operation described above. , the magnetic field values can be calibrated.
Generally, the measurement result of the second derivative of the magnetic field has the richest amount of information, so it can be obtained using equation (48) based on the results of observing the same sample using an air-core coil as the source of the alternating magnetic field. The magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z; (x, y)≠(0,0)) is calculated by equation (48) from the measurement results using an electromagnet as the source of the alternating magnetic field. In order to match the magnetic field image H z dc (sample) (x, y, z; (x, y)≠(0,0)), the coefficient |C 2 |/ By optimizing |C 1 | and |C 3 |/|C 1 | (and optionally a constant multiple of the image), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 It is preferable to determine |. In addition, from the viewpoint of being less susceptible to measurement noise, the magnetic field image H z dc( sample) (x, y, z) to match the magnetic field image H z dc(sample) (x, y, z) calculated by equation (44) from the measurement results using an electromagnet as the source of the alternating magnetic field. By optimizing the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | (and optionally a constant multiple of the image) in equation (31c') or (40c'), Preferably, the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | are determined. Thereafter, in other measurements applying the same conditions for the electromagnet, the previously determined coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | are applied, and the operations described above are performed. , the magnetic field values can be calibrated.
In the optimization calculation, a known optimization method can be adopted. For example, trust region methods such as the Levenberg-Marquardt method and Dogleg method; conjugate gradient methods such as the Hager-Zhang (HZ) method; Narushima - Ternary conjugate gradient methods such as the Yabe-Ford method; quasi-Newton methods such as the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) method and limited memory BFGS (L-BFGS) method; simulated annealing (SA) method; downhill simplex A well-known nonlinear optimization algorithm such as the above method can be applied.

方向変換フィルタ演算器660の動作原理について説明する。本発明においてはさらに、一方向(例えば垂直(z)方向)の測定結果から、該方向に直交する面内方向(例えば(x,y)方向)における磁場の情報を得ることができる。上記説明した通り、座標r’に分布する磁荷分布ρ(r’)により座標rに発生する磁場H(r)が、座標rに存在する磁気モーメントmに及ぼす磁気力Fのz方向成分Fの勾配F’(r)(式(24)、再掲): The principle of operation of the direction conversion filter calculator 660 will be explained. Furthermore, in the present invention, information on a magnetic field in an in-plane direction (for example, the (x, y) direction) perpendicular to the direction (for example, the (x, y) direction) can be obtained from a measurement result in one direction (for example, the vertical (z) direction). As explained above, the magnetic field H(r) generated at the coordinate r by the magnetic charge distribution ρ(r') distributed at the coordinate r' is the z-direction component F of the magnetic force F exerted on the magnetic moment m existing at the coordinate r. Gradient of z F z '(r) (Equation (24), reprinted):

Figure 2024025989000089
を、積分(式(25)、再掲)
Figure 2024025989000089
, integral (Equation (25), reprinted)

Figure 2024025989000090
で与える伝達関数Gρ(r)のx、yに関するフーリエ変換は、式(26)(再掲):
Figure 2024025989000090
The Fourier transform with respect to x and y of the transfer function G ρ (r) given by is equation (26) (reprinted):

Figure 2024025989000091
(k,kは波数(空間周波数))
で表される。z方向に外部交流磁場を印加する、上記説明した測定においては、磁気モーメントmのx、y、及びz成分であるm、m、mについて、m=m=0、m=mである。ここでmは磁気モーメントmの強度(ノルム)であるから、Gρ(k,k,z)は
Figure 2024025989000091
(k x , k y are wave numbers (spatial frequencies))
It is expressed as In the above-described measurement in which an external alternating magnetic field is applied in the z direction, for m x , m y , m z which are the x , y , and z components of the magnetic moment m, m x = my = 0, m z = m 0 . Here, m 0 is the strength (norm) of the magnetic moment m, so G ρ (k x , k y , z) is

Figure 2024025989000092
であった。同一の強度mを有する磁気モーメントmをx方向に向けた場合には、m=m、m=m=0となるので、Gρ(k,k,z)は
Figure 2024025989000092
Met. When the magnetic moment m having the same strength m 0 is directed in the x direction, m x = m 0 and m y = m z = 0, so G ρ (k x , k y , z) is

Figure 2024025989000093
となる。したがって、試料からの磁場のx成分H dc(sample)のz方向での2階微分∂ dc(sample)/∂zの、x、yについてのフーリエ変換は、式(27)から
Figure 2024025989000093
becomes. Therefore, the Fourier transform with respect to x and y of the second differential in the z direction of the x component H x dc (sample) of the magnetic field from the sample, ∂ 2 H x dc (sample) / ∂z 2 , is given by Equation (27) from

Figure 2024025989000094
となる。式(74)により、磁場のz成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)から、磁場のx成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)を得ることができる。
Figure 2024025989000094
becomes. From equation (74), from the Fourier transform of the second derivative of the z component of the magnetic field, ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), the Fourier transform of the second derivative of the x component of the magnetic field is The transformation ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) can be obtained.

同様に、同一の強度mを有する磁気モーメントmをy方向に向けた場合には、m=m、m=m=0となるので、Gρ(k,k,z)は Similarly, when a magnetic moment m having the same strength m 0 is directed in the y direction, m y = m 0 and m z = m z = 0, so G ρ (k x , k y , z )teeth

Figure 2024025989000095
となる。したがって、試料からの磁場のy成分H dc(sample)のz方向での2階微分∂ dc(sample)/∂zの、x、yについてのフーリエ変換は、式(27)から
Figure 2024025989000095
becomes. Therefore, the Fourier transform with respect to x and y of the second differential in the z direction of the y component H y dc (sample) of the magnetic field from the sample, ∂ 2 H y dc (sample) / ∂z 2 , is given by Equation (27) from

Figure 2024025989000096
となる。式(76)により、磁場のz成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)から、磁場のy成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)を得ることができる。
Figure 2024025989000096
becomes. From equation (76), from the Fourier transform of the second derivative of the z component of the magnetic field, ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), the Fourier transform of the second derivative of the y component of the magnetic field is The transformation ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) can be obtained.

このように、試料からの磁場のz(外部交流磁場方向)成分のz方向(探針の振動方向)における2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についてのフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)から、磁場のx成分およびy成分のz方向における2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)及び∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)を、それぞれ In this way, the Fourier transform of the second differential in the z direction (the vibration direction of the tip) of the z (external alternating current magnetic field direction) component of the magnetic field from the sample in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂ 2 From H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), the Fourier transform of the second derivative of the x and y components of the magnetic field in the z direction ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) and ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), respectively.

Figure 2024025989000097
として得ることができ(工程(k2))、これらを逆フーリエ変換することにより、磁場のx成分およびy成分の2階微分∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)及び∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000097
can be obtained as ) and ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (x, y, z), respectively.

Figure 2024025989000098
として得ることができる(工程(l2))。
Figure 2024025989000098
(Step (l2)).

同様に、試料からの磁場のz(外部交流磁場方向)成分の、走査領域の面内(x,y)方向についてのフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)から、磁場のx成分およびy成分のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)、H dc(sample)(k,k,z)をそれぞれ次のようにして得ることができる。
磁場のz成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間でz方向に2回積分することにより、磁場のz成分H dc(sample)のフーリエ変換を得ることができる。すなわち
Similarly, from the Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z) of the z (external alternating current magnetic field direction) component of the magnetic field from the sample in the in-plane (x , y ) direction of the scanning area, Obtain the Fourier transforms H x dc (sample) (k x , k y , z) and H y dc (sample) (k x , k y , z) of the x and y components of the magnetic field as follows, respectively. I can do it.
By integrating the Fourier transform of the second derivative of the z-component of the magnetic field, ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) twice in the z-direction in Fourier space, the z-component of the magnetic field is The Fourier transform of H z dc(sample) can be obtained. i.e.

Figure 2024025989000099
である。上記同様に、同一強度mの磁気モーメントmがx方向を向いた(m=m、m=m=0)とき、試料からの磁場のx成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間でz方向に2回積分することにより、試料からの磁場のx成分のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)を得ることができて、
Figure 2024025989000099
It is. Similarly to the above, when a magnetic moment m with the same strength m 0 points in the x direction (m x = m 0 , m y = m z =0), the Fourier transform of the second differential of the x component of the magnetic field from the sample ∂ By integrating 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) twice in the z direction in Fourier space, the Fourier transform of the x component of the magnetic field from the sample H z dc(sample) (k x , k y , z) can be obtained,

Figure 2024025989000100
である。式(79)及び(80)から、
Figure 2024025989000100
It is. From equations (79) and (80),

Figure 2024025989000101
が得られる。また上記同様に、同一強度mの磁気モーメントmがy方向を向いた(m=m、m=m=0)とき、試料からの磁場のy成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間でz方向に2回積分することにより、試料からの磁場のy成分のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)を得ることができて、
Figure 2024025989000101
is obtained. Similarly to the above, when a magnetic moment m with the same strength m 0 is directed in the y direction ( my = m 0 , m x = m z = 0), the Fourier transform of the second differential of the y component of the magnetic field from the sample is By integrating ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) twice in the z direction in Fourier space, the Fourier transform H y dc(sample ) (k x , k y , z) can be obtained,

Figure 2024025989000102
である。式(79)及び(82)から、
Figure 2024025989000102
It is. From equations (79) and (82),

Figure 2024025989000103
が得られる。このように、試料からの磁場のz成分のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)から、磁場のx成分およびy成分のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)及びH dc(sample)(k,k,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000103
is obtained. In this way, from the Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z) of the z component of the magnetic field from the sample, the Fourier transform H x dc(sample) (k x , k y , z) and H y dc(sample) (k x , k y , z), respectively.

Figure 2024025989000104
として得ることができ(工程(k0))、これらを逆フーリエ変換することにより、磁場のx成分およびy成分H dc(sample)(x,y,z)及びH dc(sample)(x,y,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000104
(step (k0)), and by inverse Fourier transforming these, the x and y components of the magnetic field H x dc(sample) (x, y, z) and H y dc(sample) (x , y, z) respectively.

Figure 2024025989000105
として得ることができる(工程(l0))。この磁場方向変換により得られる面内磁場H dc(sample)(x,y,z)及びH dc(sample)(x,y,z)は、走査領域内の位置によらない一定値成分を含まない磁場像、すなわちH dc(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))、H dc(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))である。
Figure 2024025989000105
(Step (l0)). The in-plane magnetic fields H x dc(sample) (x, y, z) and H y dc(sample) (x, y, z) obtained by this magnetic field direction conversion are constant value components that are independent of the position within the scanning area. H x dc(sample) (x, y, z; (k x , k y )≠(0,0)), H y dc(sample) (x, y, z; (k x , k y )≠(0,0)).

同様に、試料からの磁場のz(外部交流磁場方向)成分のz方向(探針の振動方向)における1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)から、磁場のx成分およびy成分のz方向における1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)、∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)を、それぞれ次のようにして得ることができる。
磁場のz成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間でz方向に1回積分することにより、磁場のz成分の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)を得ることができる。すなわち
Similarly, the Fourier transform of the first-order differential in the z direction (the vibration direction of the tip) of the z (external alternating current magnetic field direction) component of the magnetic field from the sample is ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z), the Fourier transform of the first derivative of the x and y components of the magnetic field in the z direction ∂H x dc(sample) /∂z(k x , k y , z), ∂H y dc(sample) /∂ z(k x , k y , z) can be obtained as follows.
By integrating the Fourier transform of the second derivative of the z-component of the magnetic field, ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) once in the z-direction in Fourier space, the z-component of the magnetic field is The Fourier transform of the first differential of ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z) can be obtained. i.e.

Figure 2024025989000106
である。上記同様に、同一強度mの磁気モーメントmがx方向を向いた(m=m、m=m=0)とき、試料からの磁場のx成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間でz方向に1回積分することにより、試料からの磁場のx成分のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)を得ることができて、
Figure 2024025989000106
It is. Similarly to the above, when a magnetic moment m with the same strength m 0 points in the x direction (m x = m 0 , m y = m z = 0), the Fourier transform of the second differential of the x component of the magnetic field from the sample is By integrating 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) once in the z direction in Fourier space, the Fourier transform of the x component of the magnetic field from the sample H z dc(sample) (k x , k y , z) can be obtained,

Figure 2024025989000107
である。式(86)及び(87)から、
Figure 2024025989000107
It is. From equations (86) and (87),

Figure 2024025989000108
が得られる。また上記同様に、同一強度mの磁気モーメントmがy方向を向いた(m=m、m=m=0)とき、試料からの磁場のy成分の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)をフーリエ空間でz方向に1回積分することにより、試料からの磁場のy成分の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)を得ることができて、
Figure 2024025989000108
is obtained. Similarly to the above, when a magnetic moment m with the same strength m 0 is directed in the y direction ( my = m 0 , m x = m z = 0), the Fourier transform of the second differential of the y component of the magnetic field from the sample is By integrating ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) once in the z direction in Fourier space, we can calculate the Fourier transform of the first differential of the y component of the magnetic field from the sample ∂ H y dc(sample) /∂z(k x , k y , z) can be obtained,

Figure 2024025989000109
である。式(86)及び(89)から、
Figure 2024025989000109
It is. From equations (86) and (89),

Figure 2024025989000110
が得られる。このように、試料からの磁場のz成分の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)から、磁場のx成分およびy成分の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)及び∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000110
is obtained. In this way, from the Fourier transform of the first-order differential of the z-component of the magnetic field from the sample, ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z), we can calculate the first-order differential of the x- and y-components of the magnetic field. The Fourier transforms of ∂H x dc(sample) /∂z(k x , k y , z) and ∂H y dc(sample) /∂z(k x , k y , z) are respectively

Figure 2024025989000111
として得ることができ(工程(k1))、これらを逆フーリエ変換することにより、磁場のx成分およびy成分の1階微分∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)及び∂H dc(sample)/∂z(x,y,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000111
(step (k1)), and by inverse Fourier transforming these, the first-order differentials of the x and y components of the magnetic field ∂H x dc(sample) /∂z(x, y, z) and ∂H y dc(sample) /∂z(x, y, z), respectively

Figure 2024025989000112
として得ることができる(工程(l1))。
Figure 2024025989000112
(Step (l1)).

このように、方向変換フィルタ演算器660における具体的な演算は、z(垂直方向)成分からx成分を得るにあたっては、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力される値に-ik/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。また、z(垂直方向)成分からy成分を得ることは、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力される値に-ik/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。 In this way, the specific calculation in the direction conversion filter calculator 660 is to obtain the x component from the z (vertical direction) component by calculating each combination of wave numbers except (k x , k y )=(0,0). For (k x , k y ), this can be done by multiplying the input value by -ik x /(k x 2 +k y 2 ) 1/2 . Also, obtaining the y component from the z (vertical direction) component means that for each combination of wave numbers (k x , k y ) except (k x , k y )=(0,0), the input value is - This can be done by multiplying by ik y /(k x 2 +k y 2 ) 1/2 .

距離変換フィルタ演算器670の動作原理について説明する。本発明においてはさらに、一つの探針-試料間距離(z座標)での測定によって得られた磁場情報から、異なる探針-試料間距離(z+Δz)における磁場情報を求めることができる。
磁場のz成分H dc(sample)については、式(79)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
The operating principle of the distance conversion filter calculator 670 will be explained. Furthermore, in the present invention, magnetic field information at different probe-sample distances (z+Δz) can be obtained from magnetic field information obtained by measurement at one probe-sample distance (z coordinate).
Regarding the z component of the magnetic field H z dc (sample) , by replacing z with z+Δz in equation (79),

Figure 2024025989000113
が得られる。磁場のx成分H dc(sample)についても同様に、式(80)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
Figure 2024025989000113
is obtained. Similarly, regarding the x component of the magnetic field H x dc (sample) , by replacing z with z+Δz in equation (80),

Figure 2024025989000114
が得られる。磁場のy成分H dc(sample)についても同様に、式(82)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
Figure 2024025989000114
is obtained. Similarly, for the y component H y dc (sample) of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in equation (82),

Figure 2024025989000115
が得られる。このように、一つの探針-試料間距離(z座標)における磁場のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)、H dc(sample)(k,k,z)、及びH dc(sample)(k,k,z)から、探針-試料間距離がΔz異なる位置における磁場のフーリエ変換H dc(sample)(k,k,z+Δz)、H dc(sample)(k,k,z+Δz)、及びH dc(sample)(k,k,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000115
is obtained. In this way, the Fourier transform of the magnetic field at one tip-sample distance (z coordinate) H z dc(sample) (k x , k y , z), H x dc(sample) (k x , k y , z), and H y dc(sample) (k x , k y , z), the Fourier transform of the magnetic field at the position where the tip-sample distance differs by Δz H z dc(sample) (k x , k y , z+Δz ), H x dc(sample) (k x , k y , z+Δz), and H y dc(sample) (k x , k y , z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000116
として得ることができ(工程(m2))、これらを逆フーリエ変換することにより、探針-試料間距離がΔz異なる位置における磁場H dc(sample)(x,y,z+Δz)、H dc(sample)(x,y,z+Δz)、及びH dc(sample)(x,y,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000116
(Step (m2)), and by performing inverse Fourier transform on these, the magnetic field H z dc (sample) (x, y, z + Δz), H x dc at positions where the tip-sample distance differs by Δz (sample) (x, y, z+Δz) and H y dc(sample) (x, y, z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000117
として得ることができる(工程(n2))。
Figure 2024025989000117
(Step (n2)).

探針-試料間距離の変換は、磁場の1階微分についても同様に考えることができる。磁場のz成分の1階微分については、式(86)においてzをz+Δzに置き換えることにより、 Conversion of the tip-sample distance can be similarly considered for the first-order differential of the magnetic field. Regarding the first derivative of the z component of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in equation (86),

Figure 2024025989000118
が得られる。磁場のx成分の1階微分についても同様に、式(87)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
Figure 2024025989000118
is obtained. Similarly, regarding the first derivative of the x component of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in equation (87),

Figure 2024025989000119
が得られる。磁場のy成分の1階微分についても同様に、式(89)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
Figure 2024025989000119
is obtained. Similarly, for the first derivative of the y component of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in equation (89),

Figure 2024025989000120
が得られる。このように、一つの探針-試料間距離(z座標)における磁場のz方向における1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)、∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)、及び∂H dc(sample)/∂z(k,k,z)から、探針-試料間距離がΔz異なる位置における磁場の1階微分のフーリエ変換∂H dc(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、∂H dc(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、及び∂H dc(sample)/∂z(k,k,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000120
is obtained. In this way, the Fourier transform of the first differential in the z direction of the magnetic field at one tip-sample distance (z coordinate) ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z), ∂H x dc (sample) / ∂z (k x , k y , z) and ∂H y dc (sample) / ∂z (k x , k y , z), the position where the tip-sample distance differs by Δz The Fourier transform of the first derivative of the magnetic field at ∂H z dc(sample) /∂z(k x , k y , z+Δz), ∂H x dc(sample) /∂z(k x , k y , z+Δz), and ∂H y dc(sample) /∂z(k x , k y , z+Δz), respectively

Figure 2024025989000121
として得ることができ(工程(m1))、これらを逆フーリエ変換することにより、探針-試料間距離がΔz異なる位置における磁場の1階微分∂H dc(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、∂H dc(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、及び∂H dc(sample)/∂z(x,y,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000121
(Step (m1)), and by performing inverse Fourier transform on these, the first derivative of the magnetic field at positions where the tip-sample distance differs by Δz ∂H z dc(sample) /∂z(x, y, z+Δz), ∂H x dc(sample) /∂z(x, y, z+Δz), and ∂H y dc(sample) /∂z(x, y, z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000122
として得ることができる(工程(n1))。
Figure 2024025989000122
(Step (n1)).

探針-試料間距離の変換は、磁場の2階微分についても同様に考えることができる。磁場のz成分の2階微分については、式(27)の第1式においてzをz+Δzに置き換えることにより、 Conversion of the tip-sample distance can be similarly considered for the second-order differential of the magnetic field. Regarding the second derivative of the z component of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in the first equation of equation (27),

Figure 2024025989000123
が得られる。磁場のx成分の2階微分についても同様に、式(74)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
Figure 2024025989000123
is obtained. Similarly, for the second derivative of the x component of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in equation (74),

Figure 2024025989000124
が得られる。磁場のy成分の2階微分についても同様に、式(76)においてzをz+Δzに置き換えることにより、
Figure 2024025989000124
is obtained. Similarly, for the second derivative of the y component of the magnetic field, by replacing z with z+Δz in equation (76),

Figure 2024025989000125
が得られる。このように、一つの探針-試料間距離(z座標)における磁場のz方向における2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)、∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)、及び∂ dc(sample)/∂z(k,k,z)から、探針-試料間距離がΔz異なる位置における磁場の2階微分のフーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、∂ dc(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、及び∂ dc(sample)/∂z(k,k,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000125
is obtained. In this way, the Fourier transform of the second derivative in the z direction of the magnetic field at one tip-sample distance (z coordinate) is ∂ 2 Hz dc (sample) /∂z 2 (k x , k y , z), From ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) and ∂ 2 H y dc(sample) / ∂z 2 (k x , k y , z), the tip-sample Fourier transform of the second derivative of the magnetic field at positions where the distance between them differs by Δz ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z+Δz), ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 ( k x , k y , z+Δz) and ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000126
として得ることができ(工程(m2))、これらを逆フーリエ変換することにより、探針-試料間距離がΔz異なる位置における磁場の2階微分∂ dc(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、∂ dc(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、及び∂ dc(sample)/∂z(x,y,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000126
(Step (m2)), and by performing inverse Fourier transform on these, the second derivative of the magnetic field at positions where the tip-sample distance differs by Δz ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 ( x, y, z+Δz), ∂ 2 H x dc(sample) /∂z 2 (x, y, z+Δz), and ∂ 2 H y dc(sample) /∂z 2 (x, y, z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000127
として得ることができる(工程(n2))。
Figure 2024025989000127
(Step (n2)).

このように、距離変換フィルタ演算器670における具体的な演算は、第1の探針位置z=z’及び仮想的な第2の探針位置z=z’+Δzについて、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力される値にexp(-(k +k 1/2Δz)を乗じることにより、行うことができる。 In this way, the specific calculation in the distance conversion filter calculator 670 is (k x , k y ) = (0, 0) except for each combination of wave numbers (k x , k y ), by multiplying the input value by exp (-(k x 2 + k y 2 ) 1/2 Δz). I can do it.

<3.交流磁場測定装置、及び交流磁場測定方法>
本発明の交流磁場測定方法は、下記[50]~[74]の実施形態を包含する。
[50] 交流磁場を測定する方法であって、
(a)印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーを励振させる工程と、
(b)前記工程(a)を行いながら、直流磁場発生器から直流磁場を前記探針に印加することにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる工程と、
(c)前記工程(b)を行いながら、前記探針の振動を検出し、該探針の振動の検出信号を周波数復調する工程と、
(d)前記工程(c)で復調された信号の、前記交流磁場の測定すべき周波数成分に対応する周波数の成分を測定する工程と、
(e)前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させ、前記走査領域内に設定された各面内座標について、前記工程(a)~(d)を行う工程と、
(f)前記走査領域における、前記工程(d)の測定結果に対応する情報を、前記走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換する工程と、
(g0)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程と、
(i0)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得る工程とを含み、
前記工程(g0)における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場、および、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、交流磁場測定方法。
<3. AC magnetic field measurement device and AC magnetic field measurement method>
The alternating current magnetic field measurement method of the present invention includes the embodiments of [50] to [74] below.
[50] A method for measuring an alternating current magnetic field, comprising:
(a) exciting a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field;
(b) while performing the step (a), frequency-modulating the excitation vibration of the cantilever by applying a DC magnetic field to the probe from a DC magnetic field generator;
(c) while performing the step (b), detecting the vibration of the probe and demodulating the frequency of the detection signal of the vibration of the probe;
(d) measuring a frequency component of the signal demodulated in step (c) that corresponds to the frequency component to be measured of the alternating magnetic field;
(e) The probe is caused to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe, and the steps (a) to ( d);
(f) performing a two-dimensional Fourier transform on the information corresponding to the measurement result of the step (d) in the scanning region in the in-plane direction of the scanning region;
(g0) From the Fourier transform information obtained in step (f), two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field is performed in the in-plane direction of the scanning area. a step of extracting information corresponding to the
(i0) By two-dimensional inverse Fourier transform based on information corresponding to two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, for each in-plane coordinate within the scanning area, obtaining a value corresponding to the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field,
The extraction in the step (g0) includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the position of the probe. is performed based on the second derivative of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region,
AC magnetic field measurement, characterized in that the value of the DC magnetic field at the position of the probe and the second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe are non-zero. Method.

[51] (j)少なくとも測定感度を較正する工程
をさらに含む、[50]に記載の交流磁場測定方法。
[51] The alternating current magnetic field measurement method according to [50], further comprising the step of (j) calibrating at least the measurement sensitivity.

[52] 前記工程(j)が、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域内の位置に依存しない一定値成分を較正することをさらに含む、[51]に記載の直流磁場測定方法。 [52] The step (j) further includes calibrating a constant value component of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field that is independent of the position within the scanning region. 51], the DC magnetic field measurement method described in [51].

[53] 前記工程(j)が、
(j1)前記直流磁場に平行な成分の強度がHac(ex)であって、前記交流磁場の測定すべき周波数成分と周波数および位相が合った外部交流磁場を、さらに前記探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第1の面内座標を特定する工程と、
(j2)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の値が、前記第1の面内座標で-Hac(ex)となるように、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域内の各面内座標における強度を較正する工程とを含む、[51]又は[52]に記載の交流磁場測定方法。
[53] The step (j) is
(j1) further applying to the probe an external alternating current magnetic field whose intensity of the component parallel to the direct current magnetic field is H ac(ex) and whose frequency and phase match the frequency component of the alternating current magnetic field to be measured; while performing the steps (a) to (f) and (g0) to (i0), and corresponding to the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field obtained in the step (i0). specifying a first in-plane coordinate within the scanning area where the value is zero;
(j2) The frequency component of the alternating current magnetic field such that the amplitude value of the component parallel to the direct current magnetic field of the frequency component of the alternating current magnetic field becomes −H ac(ex) in the first in-plane coordinate. calibrating the intensity of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field at each in-plane coordinate within the scanning region.

[54] 前記工程(j)が、
(j1)前記直流磁場に平行な成分の振幅がHac(ex)であって、前記交流磁場の測定すべき周波数成分と周波数および位相が合った外部交流磁場を前記探針に印加しながら、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、前記工程(i0)で得られる、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第1の面内座標を特定する工程と、
(j3)前記外部交流磁場を前記探針に印加していないときに、前記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行って得られる、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値がゼロとなる、前記走査領域内の第2の面内座標を特定する工程と、
(j4)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の値が、前記第1の面内座標で-Hac(ex)となり、かつ前記第2の面内座標でゼロとなるように、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域内の各面内座標における強度および一定値成分を較正する工程とを含む、[51]又は[52]に記載の交流磁場測定方法。
[54] The step (j) is
(j1) While applying to the probe an external alternating current magnetic field whose amplitude of the component parallel to the direct current magnetic field is Hac(ex) and whose frequency and phase match the frequency component to be measured of the alternating current magnetic field, Performing the steps (a) to (f) and (g0) to (i0), a value corresponding to the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field obtained in the step (i0) specifying a first in-plane coordinate within the scanning region where the coordinate is zero;
(j3) When the external alternating magnetic field is not applied to the probe, the frequency component of the alternating magnetic field obtained by performing the steps (a) to (f) and (g0) to (i0) identifying a second in-plane coordinate within the scanning region where the value corresponding to the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field is zero;
(j4) The value of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field is −H ac(ex) at the first in-plane coordinate, and zero at the second in-plane coordinate. [51] calibrating the intensity and constant value component at each in-plane coordinate in the scanning area of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field so that Or the alternating current magnetic field measurement method described in [52].

[55] 前記工程(j)が、
(j10)前記直流磁場に平行な成分の振幅がHac(ex)であって、前記交流磁場の測定すべき周波数成分と周波数および位相が合った第1の外部交流磁場を前記探針に印加しながら、前記工程(a)~(e)を行い、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分に対応する、第1の値を抽出する工程と、
(j11)前記第1の外部交流磁場と同一の周波数および強度ならびに逆の位相を有する第2の外部交流磁場を前記探針に印加しながら、前記工程(a)~(e)を行い、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分に対応する、第2の値を抽出する工程と、
(j12)前記第1の値と前記第2の値との差と、前記Hac(ex)とに基づいて、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値の測定感度を求める工程と、
(j13)前記第1の値と前記第2の値との和と、前記工程(j12)で求めた測定感度とに基づいて、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域内の面内座標によらない一定値成分を求める工程とを含む、[51]又は[52]に記載の交流磁場測定方法。
[55] The step (j) is
(j10) Applying to the probe a first external AC magnetic field whose amplitude of the component parallel to the DC magnetic field is H ac (ex) and whose frequency and phase match those of the frequency component to be measured of the AC magnetic field. While performing the steps (a) to (e), the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field corresponds to a constant value component independent of the in-plane coordinates within the scanning area. a step of extracting a first value;
(j11) Performing the steps (a) to (e) while applying a second external AC magnetic field having the same frequency and intensity as the first external AC magnetic field and an opposite phase to the probe, and extracting a second value corresponding to a constant value component of the amplitude of a component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field, which is independent of in-plane coordinates within the scanning area;
(j12) Based on the difference between the first value and the second value and the H ac(ex) , correspond to the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field. a step of determining the measurement sensitivity of the value;
(j13) Based on the sum of the first value and the second value and the measurement sensitivity obtained in the step (j12), calculate the component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field. The alternating current magnetic field measuring method according to [51] or [52], including the step of determining a constant value component of amplitude that is independent of in-plane coordinates within the scanning area.

[56] 前記直流磁場の方向が、前記探針の振動方向に平行であり、
前記方法は、
(k0)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記交流磁場の前記周波数の成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(l0)前記工程(k0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(k0)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[50]~[55]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[56] The direction of the DC magnetic field is parallel to the vibration direction of the probe,
The method includes:
(k0) Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. converting the amplitude of the component in the in-plane direction into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(l0) obtaining a value corresponding to the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating current magnetic field by two-dimensional inverse Fourier transform based on the information obtained in the step (k0); In addition, it includes
The alternating current magnetic field measuring method according to any one of [50] to [55], wherein the conversion in the step (k0) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[57] (m0)前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(n0)前記工程(m0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(m0)における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[50]~[56]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[57] (m0) The amplitude of the component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field, obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe, in the scanning area. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction is expressed as the frequency component of the alternating current magnetic field at a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe. converting the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area;
(n0) Based on the information obtained in the step (m0), the amplitude of the frequency component of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field at the second probe position is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation. further comprising the step of obtaining a value corresponding to
The conversion in the step (m0) is based on the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The alternating current magnetic field measurement method according to any one of [50] to [56], which is carried out based on a combination of.

[58] (g2)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程をさらに含み、
前記工程(g2)における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[50]~[57]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[58] (g2) From the Fourier transform information obtained in step (f), the second order of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field, with respect to the vibration direction of the probe. further comprising the step of extracting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of the differential in the in-plane direction of the scanning area,
The extraction in step (g2) includes the DC magnetic field at the probe position, the first derivative of the DC magnetic field at the probe position with respect to the vibration direction of the probe, and the DC magnetic field at the probe position. carried out based on the second derivative of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region, [50] The alternating current magnetic field measurement method according to any one of ~[57].

[59] (h2-0)前記工程(g2)で抽出された情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(i2-0)前記工程(h2-0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(h2-0)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[58]に記載の交流磁場測定方法。
[59] (h2-0) The information extracted in the step (g2) is converted into two-dimensional information in the in-plane direction of the scanning area of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field. a step of converting into information corresponding to Fourier transform;
(i2-0) Based on the information obtained in the step (h2-0), the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field is determined for each in-plane coordinate in the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation. and obtaining a value corresponding to the amplitude of the component parallel to
The alternating current magnetic field measurement method according to [58], wherein the conversion in the step (h2-0) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[60] (i2-2)前記工程(g2)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得る工程をさらに含む、[58]又は[59]に記載の交流磁場測定方法。 [60] (i2-2) Based on the information obtained in step (g2), two-dimensional inverse Fourier transformation is performed to transform the frequency component of the alternating current magnetic field into the direct current for each in-plane coordinate within the scanning area. The alternating current magnetic field measurement method according to [58] or [59], further comprising the step of obtaining a value corresponding to the second-order differential of the amplitude of the component parallel to the magnetic field with respect to the vibration direction of the probe.

[61] 前記直流磁場の方向が、前記探針の振動方向に平行であり、
前記方法は、
(k2)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(l2)前記工程(k2)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(k2)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[60]に記載の交流磁場測定方法。
[61] The direction of the DC magnetic field is parallel to the vibration direction of the probe,
The method includes:
(k2) Corresponds to the two-dimensional Fourier transform of the second derivative of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating current magnetic field, with respect to the vibration direction of the probe, in the in-plane direction of the scanning area. a process of converting the information into
(l2) Based on the information obtained in step (k2), the amplitude of the in-plane component of the frequency component of the alternating current magnetic field is determined in the vibration direction of the probe by two-dimensional inverse Fourier transformation. further comprising the step of obtaining a value corresponding to the second derivative,
The alternating current magnetic field measuring method according to [60], wherein the conversion in the step (k2) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[62] (m2)前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(n2)前記工程(m2)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(m2)における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[58]~[61]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[62] (m2) The amplitude of the component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field, obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe, of the probe. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area of the second differential with respect to the vibration direction is transferred to a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe. Two-dimensional Fourier in the in-plane direction of the scanning region of the second derivative of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe at the probe position. a step of converting into information corresponding to the conversion;
(n2) Based on the information obtained in the step (m2), the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field at the second probe position is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation. further comprising the step of obtaining a value corresponding to the second differential with respect to the vibration direction of the probe,
The conversion in the step (m2) includes the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The alternating current magnetic field measurement method according to any one of [58] to [61], which is carried out based on a combination of.

[63] (h2-1)前記工程(g2)で抽出された情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程をさらに含み、
前記工程(h2-1)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[58]~[62]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[63] (h2-1) The information extracted in step (g2) is calculated by calculating the first-order differential of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising the step of converting into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The alternating current magnetic field measuring method according to any one of [58] to [62], wherein the conversion in the step (h2-1) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[64] (g1)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報に基づいて、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程をさらに含み、
前記工程(g1)における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分の値が非ゼロである、[50]~[62]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[64] (g1) Based on the Fourier transform information obtained in step (f), the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field is determined in the vibration direction of the probe. further comprising the step of extracting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of the first-order differential in the in-plane direction of the scanning area,
The extraction in step (g1) includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the position of the probe. is performed based on the second-order differential of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region,
The alternating current magnetic field measuring method according to any one of [50] to [62], wherein the value of the first-order differential of the direct current magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe is non-zero.

[65] (h1-0)前記工程(g1)で抽出された情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(i1-0)前記工程(h1-0)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(h1-0)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[64]に記載の交流磁場測定方法。
[65] (h1-0) The information extracted in the step (g1) is converted into two-dimensional information in the in-plane direction of the scanning region of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field. a step of converting into information corresponding to Fourier transform;
(i1-0) Based on the information obtained in the step (h1-0), the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field is determined for each in-plane coordinate in the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation. and obtaining a value corresponding to the amplitude of the component parallel to
The alternating current magnetic field measuring method according to [64], wherein the conversion in the step (h1-0) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[66] (i1)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数の成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得る工程をさらに含む、[63]~[65]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。 [66] (i1) Two-dimensional Fourier calculation of the first derivative of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. The amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field is determined by the two-dimensional inverse Fourier transform based on the information corresponding to the transformation, for each in-plane coordinate within the scanning area. The method for measuring an alternating current magnetic field according to any one of [63] to [65], further comprising the step of obtaining a value corresponding to a first-order differential with respect to the vibration direction.

[67] 前記交流磁場の方向が、前記探針の振動方向に平行であり、
前記方法は、
(k3)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(l3)前記工程(k3)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(k3)における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[63]~[66]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[67] The direction of the alternating magnetic field is parallel to the vibration direction of the probe,
The method includes:
(k3) Corresponds to the two-dimensional Fourier transform of the first derivative of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating magnetic field with respect to the vibration direction of the probe with respect to the in-plane direction of the scanning area. a process of converting the information into
(l3) Based on the information obtained in step (k3), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed to determine the amplitude of the in-plane component of the frequency component of the alternating magnetic field in the vibration direction of the probe. further comprising the step of obtaining a value corresponding to the first derivative,
The alternating current magnetic field measuring method according to any one of [63] to [66], wherein the conversion in the step (k3) is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[68] (m1)前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換する工程と、
(n1)前記工程(m1)で得られた情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得る工程と、をさらに含み、
前記工程(m1)における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[63]~[67]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[68] (m1) The amplitude of the component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area of the first-order differential with respect to the vibration direction is transferred to a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe. Two-dimensional Fourier in the in-plane direction of the scanning region of the first derivative of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe at the probe position. a step of converting into information corresponding to the conversion;
(n1) Based on the information obtained in the step (m1), the amplitude of the frequency component of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field at the second probe position is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation. further comprising the step of obtaining a value corresponding to a first-order differential with respect to the vibration direction of the probe,
The conversion in the step (m1) is based on the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The alternating current magnetic field measurement method according to any one of [63] to [67], which is carried out based on a combination of.

[69] 前記直流磁場発生器が、
空芯コイルと、
前記空芯コイルに直流電流を供給する、直流電流源と、
を備える、[50]~[68]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[69] The DC magnetic field generator,
air core coil,
a direct current source that supplies direct current to the air core coil;
The alternating current magnetic field measurement method according to any one of [50] to [68], comprising:

[70] 前記探針は、前記空芯コイルの空洞部に配置される、[68]に記載の交流磁場測定方法。 [70] The alternating current magnetic field measuring method according to [68], wherein the probe is placed in a cavity of the air-core coil.

[71] 前記探針は、前記空芯コイルの中心軸上に配置される、[69]又は[70]に記載の交流磁場測定方法。 [71] The alternating current magnetic field measuring method according to [69] or [70], wherein the probe is placed on the central axis of the air-core coil.

[72] 前記直流磁場発生器が、
電磁コア及び巻線を備える電磁石と、
前記電磁石に直流電流を供給する、直流電流源と、
を備える、[50]~[68]のいずれかに記載の交流磁場測定方法。
[72] The DC magnetic field generator,
an electromagnet having an electromagnetic core and a winding;
a direct current source that supplies direct current to the electromagnet;
The alternating current magnetic field measurement method according to any one of [50] to [68], comprising:

[73] (o)前記探針の位置における前記直流磁場と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の、2つの比を求める工程をさらに含み、
前記工程(o)は、
前記直流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記交流磁場の前記直流磁場に平行な成分の前記周波数成分の振幅の測定結果を、前記直流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記2つの比を最適化する工程を含む、[72]に記載の交流磁場測定方法。
[73] (o) The DC magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the DC magnetic field at the position of the probe. and a second-order differential with respect to the vibration direction of the probe;
The step (o) includes:
The results of measuring the amplitude of the frequency component of the component parallel to the DC magnetic field of the AC magnetic field when the electromagnet is used as the DC magnetic field generator are compared to The alternating current magnetic field measuring method according to [72], including the step of optimizing the two ratios so as to match the measurement results.

[74] (o)前記探針の位置における前記直流磁場と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の、2つの比を求める工程をさらに含み、
前記工程(o)は、
前記直流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向における2階微分の測定結果を、前記直流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記2つの比を最適化する工程を含む、[72]に記載の交流磁場測定方法。
[74] (o) The DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the DC magnetic field at the position of the probe. and a second-order differential with respect to the vibration direction of the probe;
The step (o) includes:
When the electromagnet is used as the DC magnetic field generator, the measurement result of the second-order differential in the vibration direction of the probe of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field that is parallel to the DC magnetic field is calculated as the DC magnetic field generator. The alternating current magnetic field measurement method according to [72], comprising the step of optimizing the two ratios so as to match the measurement results when an air-core coil is used as the magnetic field generator.

本発明の交流磁場測定装置は、下記[75]~[95]の実施形態を包含する。
[75] 交流磁場を測定する装置であって、
印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
直流磁場を前記探針に印加することにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる、直流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させる、走査機構と、
前記振動センサーの検出信号を周波数復調する、復調器と、
前記復調器からの復調信号に含まれる、前記交流磁場の測定すべき周波数の成分に対応する周波数成分を測定する、検出器と、
前記走査領域内の各面内座標について、前記検出器の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された、前記走査領域の各面内座標についての測定値を、前記面内座標について二次元フーリエ変換する、フーリエ変換器と、
前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第1の波数フィルタ演算器と、
前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得ることが可能に構成された、逆フーリエ変換器と、
を含み、
前記第1の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場、および、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、交流磁場測定装置。
The alternating current magnetic field measuring device of the present invention includes the embodiments of [75] to [95] below.
[75] A device for measuring an alternating magnetic field, comprising:
a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of an applied magnetic field;
an exciter that excites the cantilever;
a DC magnetic field generator that frequency-modulates the excitation vibration of the cantilever by applying a DC magnetic field to the probe;
a vibration sensor that detects vibrations of the probe;
a scanning mechanism that causes the probe to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe;
a demodulator that frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor;
a detector that measures a frequency component included in the demodulated signal from the demodulator that corresponds to a frequency component to be measured of the alternating current magnetic field;
a storage device that stores a measurement value corresponding to a measurement signal of the detector for each in-plane coordinate in the scanning area;
a Fourier transformer that performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate of the scanning area stored in the storage device with respect to the in-plane coordinate;
Information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of the amplitude of a component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, from the Fourier transform information output from the Fourier transformer. a first wave number filter calculator configured to be able to extract the
The scanning area is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to two-dimensional Fourier transformation of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the DC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. an inverse Fourier transformer configured to be able to obtain, for each in-plane coordinate within, a value corresponding to the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the first wave number filter calculator includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the probe. Based on the second derivative of the DC magnetic field at the needle position with respect to the vibration direction of the probe, or the two ratios therebetween, and the combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. I,
AC magnetic field measurement, characterized in that the value of the DC magnetic field at the position of the probe and the second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe are non-zero. Device.

[76] 前記探針が前記走査領域内の各面内座標を走査するとき、前記測定すべき周波数成分と周波数および位相が合った外部交流磁場であって、前記直流磁場発生器からの直流磁場に平行な成分の振幅が所定の値である外部交流磁場を、前記探針に印加することが可能に構成された、外部直流磁場発生器をさらに含む、[75]に記載の交流磁場測定装置。 [76] When the probe scans each in-plane coordinate within the scanning area, an external AC magnetic field whose frequency and phase match the frequency component to be measured, and a DC magnetic field from the DC magnetic field generator. The alternating current magnetic field measuring device according to [75], further comprising an external direct current magnetic field generator configured to be able to apply an external alternating current magnetic field having a predetermined amplitude of a component parallel to the probe to the probe. .

[77] 前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第2の波数フィルタ演算器をさらに含み、
前記第2の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[75]又は[76]に記載の交流磁場測定装置。
[77] From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, calculate the second derivative of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising a second wave number filter calculator configured to be capable of extracting information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The extraction in the second wave number filter calculator includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the Performed based on the second derivative of the DC magnetic field at the position with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. The alternating current magnetic field measuring device according to [75] or [76].

[78] 前記第2の波数フィルタ演算器により抽出された、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、第1の積分フィルタ演算器をさらに含み、
前記第1の積分フィルタ演算器における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[77]に記載の交流磁場測定装置。
[78] The scanning of the second-order differential with respect to the vibration direction of the probe of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field, extracted by the second wave number filter calculator. information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning region, and converting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning region of the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the DC magnetic field into a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning region. further comprising a first integral filter calculator configured to be able to convert into corresponding information;
The alternating current magnetic field measuring device according to [77], wherein the conversion in the first integral filter calculator is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[79] 前記逆フーリエ変換器は、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[77]又は[78]に記載の交流磁場測定装置。 [79] The inverse Fourier transformer calculates, with respect to the in-plane direction of the scanning region, the second derivative of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field, with respect to the vibration direction of the probe. Based on the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of The alternating current magnetic field measuring device according to [77] or [78], further configured to be able to obtain a value corresponding to a second-order differential with respect to the vibration direction of the probe.

[80] 前記第2の波数フィルタ演算器により抽出された、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、第2の積分フィルタ演算器をさらに含み、
前記第2の積分フィルタ演算器における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[77]~[79]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。
[80] The scanning of the second-order differential with respect to the vibration direction of the probe of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field, extracted by the second wave number filter calculator. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the region is obtained by calculating the first differential of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising a second integral filter calculator configured to be capable of converting into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [77] to [79], wherein the conversion in the second integral filter calculator is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region. .

[81] 前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第3の波数フィルタ演算器をさらに含み、
前記第3の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分の値が非ゼロである、[75]~[80]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。
[81] From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, calculate the first-order differential of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. further comprising a third wave number filter calculator configured to be able to extract information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The extraction in the third wave number filter calculator includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the probe. Based on the second derivative of the DC magnetic field at the needle position with respect to the vibration direction of the probe, or the two ratios therebetween, and the combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. I,
The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [75] to [80], wherein the value of the first-order differential of the direct current magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe is non-zero.

[82] 前記第3の波数フィルタ演算器により抽出された、前記交流磁場の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記交流磁場の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、第3の積分フィルタ演算器をさらに含み、
前記第3の積分フィルタ演算器における前記変換は、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて行われる、[81]に記載の交流磁場測定装置。
[82] The first derivative of the amplitude of the component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field, extracted by the third wave number filter calculator, with respect to the vibration direction of the probe, within the plane of the scanning region. Converting information corresponding to a two-dimensional Fourier transform about the direction into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform about the in-plane direction of the scanning area of the amplitude of a component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field. further comprising a third integral filter operator configured to enable
The alternating current magnetic field measuring device according to [81], wherein the conversion in the third integral filter calculator is performed based on a combination of two wave numbers in an in-plane direction within the scanning region.

[83] 前記逆フーリエ変換器は、前記交流磁場の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[80]~[82]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。 [83] The inverse Fourier transformer converts the two-dimensional Fourier transformer in the in-plane direction of the scanning region of the first derivative of the amplitude of the component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. Based on the information corresponding to the transformation, for each in-plane coordinate in the scanning region, the amplitude of the component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field is calculated with respect to the vibration direction of the probe by two-dimensional inverse Fourier transform based on the information corresponding to the transformation. The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [80] to [82], further configured to be able to obtain a value corresponding to a first-order differential.

[84] 前記直流磁場発生器が前記探針に印加する前記直流磁場は、前記探針の振動方向に平行であり、
前記交流磁場測定装置は、
前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流交流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、方向変換フィルタ演算器をさらに含み、
前記逆フーリエ変換器は、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[75]~[83]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。
[84] The DC magnetic field applied to the probe by the DC magnetic field generator is parallel to the vibration direction of the probe,
The alternating current magnetic field measuring device includes:
Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area is converted into two dimensional Fourier transforms in the in-plane direction within the scanning area. Based on the combination of wave numbers, the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating current magnetic field can be converted into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area. further including a direction conversion filter operator,
The inverse Fourier transformer performs a two-dimensional inverse Fourier transform based on information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area of the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating magnetic field. further configured to be capable of obtaining, by transformation, for each in-plane coordinate within the scanning region, a value corresponding to the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating magnetic field; [75] The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [83] to [83].

[85] 前記方向変換フィルタ演算器は、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが、さらに可能に構成されており、
前記逆フーリエ変換器は、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[84]に記載の交流磁場測定装置。
[85] The direction conversion filter calculator calculates the second differential of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transformation of It is further configured to be capable of converting a second differential with respect to the vibration direction of the needle into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform with respect to the in-plane direction of the scanning area,
The inverse Fourier transformer is a two-dimensional Fourier transformer in the in-plane direction of the scanning region of the second derivative of the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. Based on the information corresponding to the transformation, the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating current magnetic field is changed by two-dimensional inverse Fourier transform for each in-plane coordinate in the scanning region. The alternating current magnetic field measuring device according to [84], further configured to be able to obtain a value corresponding to a second-order differential with respect to a direction.

[86] 前記方向変換フィルタ演算器は、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせに基づいて、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが、さらに可能に構成されており、
前記逆フーリエ変換器は、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記面内方向の成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分に対応する値を得ることが、さらに可能に構成されている、[84]又は[85]に記載の交流磁場測定装置。
[86] The direction conversion filter calculator calculates the first differential of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transformation of It is further configured to be capable of converting a first-order differential with respect to the vibration direction of the needle into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform with respect to the in-plane direction of the scanning area,
The inverse Fourier transformer is a two-dimensional Fourier transformer in the in-plane direction of the scanning area of the first-order differential of the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. Based on the information corresponding to the transformation, the amplitude of the in-plane direction component of the frequency component of the alternating magnetic field is changed by two-dimensional inverse Fourier transform for each in-plane coordinate in the scanning area. The alternating current magnetic field measuring device according to [84] or [85], further configured to be able to obtain a value corresponding to a first-order differential with respect to a direction.

[87] 前記探針の振動方向における第1の探針位置での測定によって得られた、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第1の探針位置から前記探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成された、距離変換フィルタ演算器をさらに含み、
前記距離変換フィルタ演算器における前記変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[75]~[86]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。
[87] The in-plane direction of the scanning region of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field, obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the frequency component of the alternating current magnetic field at a virtual second probe position shifted from the first probe position in the vibration direction of the probe. further comprising a distance conversion filter calculator configured to be able to convert the amplitude of the component parallel to the magnetic field into information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area,
The conversion in the distance conversion filter calculator calculates two values: the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe, and the distance in the in-plane direction within the scanning area. The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [75] to [86], which is carried out based on a combination of wave numbers.

[88] 前記距離変換フィルタ演算器は、前記探針の振動方向における前記第1の探針位置での測定によって得られた、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが、さらに可能に構成されており、
前記距離変換フィルタ演算器における前記2階微分の二次元フーリエ変換に対応する情報の変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、[87]に記載の交流磁場測定装置。
[88] The distance conversion filter calculator calculates the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field, obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. , information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the second differential with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area is calculated as the frequency component of the alternating current magnetic field at the second probe position. It is further possible to convert into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area of the second derivative of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe. It is composed of
The conversion of information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the second order differential in the distance conversion filter calculation unit is based on the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe. and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area, the alternating current magnetic field measuring device according to [87].

[89] 前記距離変換フィルタ演算器は、前記探針の振動方向における前記第1の探針位置での測定によって得られた、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、前記第2の探針位置における、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に変換することが可能に構成されており、
前記距離変換フィルタ演算器における前記1階微分の二次元フーリエ変換に対応する情報の変換は、前記探針の振動方向における、前記第2の探針位置の前記第1の探針位置からの距離と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われる、
[87]又は[88]に記載の交流磁場測定装置。
[89] The distance conversion filter calculator calculates the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field, obtained by measurement at the first probe position in the vibration direction of the probe. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the first differential with respect to the vibration direction of the probe in the in-plane direction of the scanning area is expressed as the frequency component of the alternating current magnetic field at the second probe position. The first differential of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe can be converted into information corresponding to a two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning area. has been
The conversion of information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the first-order differential in the distance conversion filter calculator is based on the distance of the second probe position from the first probe position in the vibration direction of the probe. and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area.
[87] or the alternating current magnetic field measuring device according to [88].

[90] 前記直流磁場発生器が、
空芯コイルと、
前記空芯コイルに直流電流を供給する、直流電流源と、
を備える、[75]~[89]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。
[90] The DC magnetic field generator,
air core coil,
a direct current source that supplies direct current to the air core coil;
The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [75] to [89], comprising:

[91] 前記探針は、前記空芯コイルの空洞部に配置されている、[90]に記載の交流磁場測定方法。 [91] The alternating current magnetic field measuring method according to [90], wherein the probe is placed in a cavity of the air-core coil.

[92] 前記探針は、前記空芯コイルの中心軸上に配置される、[90]又は[91]に記載の交流磁場測定装置。 [92] The alternating current magnetic field measuring device according to [90] or [91], wherein the probe is arranged on the central axis of the air-core coil.

[93] 前記直流磁場発生器が、
電磁コア、及び、前記電磁コアに巻回されたコイルを備える、電磁石と、
前記電磁石に直流電流を供給する、直流電流源と、
を備える、[75]~[92]のいずれかに記載の交流磁場測定装置。
[93] The DC magnetic field generator,
an electromagnet comprising an electromagnetic core and a coil wound around the electromagnetic core;
a direct current source that supplies direct current to the electromagnet;
The alternating current magnetic field measuring device according to any one of [75] to [92], comprising:

[94] 前記直流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の測定結果を、前記直流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記探針の位置における前記直流磁場と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の、2つの比を最適化することにより、前記2つの比を決定することが可能に構成された、パラメータフィッティング演算器をさらに備える、[93]に記載の交流磁場測定装置。 [94] When the electromagnet is used as the DC magnetic field generator, the measurement result of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field is calculated using an air-core coil as the DC magnetic field generator. The DC magnetic field at the probe position, the first derivative of the DC magnetic field at the probe position with respect to the vibration direction of the probe, and the probe position a parameter fitting operation configured to be able to determine the two ratios by optimizing two ratios between the second order differential of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe; The alternating current magnetic field measuring device according to [93], further comprising a device.

[95] 前記直流磁場発生器として前記電磁石を用いた場合の、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記探針の振動方向における2階微分の測定結果を、前記直流磁場発生器として空芯コイルを用いた場合の測定結果に合わせるように、前記探針の位置における前記直流磁場と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分と、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分との間の2つの比を最適化することにより、前記2つの比を決定することが可能に構成された、パラメータフィッティング演算器をさらに備える、[93]に記載の交流磁場測定装置。 [95] When the electromagnet is used as the DC magnetic field generator, the measurement result of the second-order differential in the vibration direction of the probe of the amplitude of the frequency component of the AC magnetic field that is parallel to the DC magnetic field. , the DC magnetic field at the position of the probe and the vibration direction of the probe of the DC magnetic field at the position of the probe so as to match the measurement results when an air-core coil is used as the DC magnetic field generator. determining the two ratios by optimizing two ratios between a first derivative with respect to the direction of vibration of the probe and a second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; The alternating current magnetic field measuring device according to [93], further comprising a parameter fitting calculator configured to be able to perform the following operations.

本発明の交流磁場測定装置について、交流磁場測定方法の各工程とともに説明する。図7は、本発明の一の実施形態に係る交流磁場測定装置3000を模式的に説明する図である。図7において、図1~6に既に表れた要素には図1~5における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。交流磁場測定装置3000は、試料20’から発生する交流磁場を観察する装置である。交流磁場測定装置3000は、カンチレバー100、励振器200、直流磁場発生器3300、振動センサー400、復調器430、検出器3440、走査機構500、信号処理装置3600、及び、外部交流磁場発生器3700を備えている。これらのうち探針10、カンチレバー100、振動センサー400、復調器430、及び走査機構500は、直流磁場測定方法1000(図4)におけるものと同一の構成を有する。交流磁場測定装置3000は、交流磁場発生器300に代えて直流磁場発生器3300を備え、外部直流磁場発生器700に代えて外部交流磁場発生器3700を備え、検出器440に代えて検出器3440を備える。 The alternating current magnetic field measuring device of the present invention will be explained along with each step of the alternating current magnetic field measuring method. FIG. 7 is a diagram schematically explaining an alternating current magnetic field measuring device 3000 according to one embodiment of the present invention. In FIG. 7, elements that have already appeared in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5, and their explanations may be omitted. The AC magnetic field measuring device 3000 is a device for observing an AC magnetic field generated from the sample 20'. The AC magnetic field measuring device 3000 includes a cantilever 100, an exciter 200, a DC magnetic field generator 3300, a vibration sensor 400, a demodulator 430, a detector 3440, a scanning mechanism 500, a signal processing device 3600, and an external AC magnetic field generator 3700. We are prepared. Among these, the probe 10, the cantilever 100, the vibration sensor 400, the demodulator 430, and the scanning mechanism 500 have the same configuration as in the DC magnetic field measurement method 1000 (FIG. 4). The AC magnetic field measuring device 3000 includes a DC magnetic field generator 3300 in place of the AC magnetic field generator 300, an external AC magnetic field generator 3700 in place of the external DC magnetic field generator 700, and a detector 3440 in place of the detector 440. Equipped with.

(試料20’)
交流磁場測定装置3000の計測対象である試料20’は、交流磁場を発生する試料である。試料20’の具体的な例としては、交流電磁石等を挙げることができる。
(Sample 20')
The sample 20' that is the measurement target of the AC magnetic field measuring device 3000 is a sample that generates an AC magnetic field. A specific example of the sample 20' is an AC electromagnet.

(励振器200)
上記探針10はカンチレバー100の一方の端部(自由端)近傍に備えられており、該カンチレバー100の他方の端部(固定端)は固定されている。励振器200はカンチレバー100を励振させる(工程(a))。
(Exciter 200)
The probe 10 is provided near one end (free end) of the cantilever 100, and the other end (fixed end) of the cantilever 100 is fixed. The exciter 200 excites the cantilever 100 (step (a)).

(直流磁場発生器3300)
直流磁場発生器3300は、直流磁場を探針10に印加する装置である。直流磁場発生器3300が探針10に印加する直流磁場は、探針10の磁化を飽和させない強度を有することが好ましい。図7の交流磁場測定装置3000において、直流磁場発生器3300は、空芯コイル310と、空芯コイル310に直流電流を供給する直流電流源3320とを備えている。直流電流源3320から空芯コイル310に直流電流が供給されることにより、探針10の振動方向(z軸方向:試料表面に垂直な方向)に平行な直流磁場が、探針10に印加される(工程(b))。
(DC magnetic field generator 3300)
The DC magnetic field generator 3300 is a device that applies a DC magnetic field to the probe 10. The DC magnetic field applied to the probe 10 by the DC magnetic field generator 3300 preferably has an intensity that does not saturate the magnetization of the probe 10. In the AC magnetic field measuring device 3000 of FIG. 7, the DC magnetic field generator 3300 includes an air-core coil 310 and a DC current source 3320 that supplies DC current to the air-core coil 310. By supplying a DC current from the DC current source 3320 to the air-core coil 310, a DC magnetic field parallel to the vibration direction of the probe 10 (z-axis direction: direction perpendicular to the sample surface) is applied to the probe 10. (Step (b)).

直流磁場発生器3300により探針10に印加する直流磁場の強度は、探針10の磁化が飽和せず、探針10が試料20’に吸着されない範囲であって、かつ所望の磁場計測感度が得られる範囲において、適宜調整することができる。 The strength of the DC magnetic field applied to the probe 10 by the DC magnetic field generator 3300 is such that the magnetization of the probe 10 is not saturated and the probe 10 is not attracted to the sample 20', and the desired magnetic field measurement sensitivity is achieved. It can be adjusted as appropriate within the obtainable range.

直流磁場発生器3300を構成する要素の設置位置は、直流磁場発生器3300からの直流磁場の強度、及び、その探針10の振動方向(図7のz軸方向)における2階微分の値が非ゼロである限りにおいて、特に限定されない。例えば図7の交流磁場測定装置3000においては、探針10は空芯コイル310の空洞部に配置されることが好ましく、空芯コイル310の中心軸上に配置されることが好ましい。一の好ましい実施形態において、探針10は、空芯コイル310の中心軸上であって、空芯コイル310の厚みの中心位置に配置される。この位置においては、空芯コイル310から発生する磁場が最大となるので、この位置に探針10を配置することにより、測定感度をさらに高めることが可能になる。 The installation positions of the elements constituting the DC magnetic field generator 3300 are determined based on the intensity of the DC magnetic field from the DC magnetic field generator 3300 and the value of the second-order differential in the vibration direction of the probe 10 (z-axis direction in FIG. 7). There is no particular limitation as long as it is non-zero. For example, in the alternating current magnetic field measuring device 3000 in FIG. 7, the probe 10 is preferably disposed in a hollow portion of the air-core coil 310, and preferably on the central axis of the air-core coil 310. In one preferred embodiment, the probe 10 is disposed on the central axis of the air-core coil 310 and at the center of the thickness of the air-core coil 310. At this position, the magnetic field generated from the air-core coil 310 is at its maximum, so by arranging the probe 10 at this position, it is possible to further increase the measurement sensitivity.

(振動センサー400、復調器430、検出器440)
試料20’からの交流磁場および直流磁場発生器3300からの直流磁場が重畳されてなる磁場ベクトルと、探針10の磁気モーメントとの間の磁気的相互作用により、探針10は強度が周期的に変動する磁気力を受ける。この強度が周期的に変動する磁気力の勾配が、カンチレバー100の実効的なバネ定数を周期的に変動させ、これにより探針10の振動の周波数が周期的に変動する。振動センサー400、復調器430、および検出器440により、この周波数変調された探針10の振動から、探針10の位置における磁気力勾配の振幅に対応する情報を取り出すことができる。振動センサー400は、直流磁場測定装置1000(図4)における振動センサー400と同一の構成を有する。復調器430は、振動センサー400の検出信号を周波数復調して(工程(c))、探針10に作用する磁気力の交流成分に対応する信号を得る。復調器430によって周波数復調された信号は、検出器3440に入力される。
(Vibration sensor 400, demodulator 430, detector 440)
Due to the magnetic interaction between the magnetic field vector formed by superimposing the AC magnetic field from the sample 20' and the DC magnetic field from the DC magnetic field generator 3300 and the magnetic moment of the probe 10, the probe 10 has a periodic strength. is subjected to a magnetic force that fluctuates. The gradient of the magnetic force whose strength periodically varies causes the effective spring constant of the cantilever 100 to vary periodically, thereby causing the frequency of vibration of the probe 10 to vary periodically. Vibration sensor 400, demodulator 430, and detector 440 can extract information corresponding to the amplitude of the magnetic force gradient at the position of probe 10 from this frequency-modulated vibration of probe 10. Vibration sensor 400 has the same configuration as vibration sensor 400 in DC magnetic field measuring device 1000 (FIG. 4). The demodulator 430 frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor 400 (step (c)) to obtain a signal corresponding to the alternating current component of the magnetic force acting on the probe 10. The signal frequency demodulated by demodulator 430 is input to detector 3440.

(検出器3440)
検出器3440は、復調器430から入力される復調信号に含まれる、試料20’から発生している交流磁場の測定すべき周波数成分に対応する周波数の成分の強度(振幅)を測定する(工程(d))。後述するように、検出器3440の測定信号は、探針10に作用する磁気力の探針10の振動方向の成分の、探針10の振動方向における勾配の振幅に対応する。このような検出器3440は、例えば特定の周波数成分(すなわち試料20’からの交流磁場の測定すべき周波数成分に対応する周波数成分)を抽出することが可能な狭帯域のバンドパスフィルタと振幅復調器との組み合わせによって構成することも可能であり、また例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の周波数に対応する側帯波スペクトルの強度を測定するスペクトラムアナライザを用いて構成することも可能である。図7の交流磁場測定装置3000において、試料20’は交流電磁石であり、検出器3440は、試料20’の交流電流源(不図示)の電圧信号または電流信号を参照信号として用いて、入力信号のうち上記交流磁場に対応する周波数を有する周波数成分を検出し、その強度(振幅)を測定する。このような検出器3440は、ロックインアンプまたは同期検波器により構成することができる。
(Detector 3440)
The detector 3440 measures the intensity (amplitude) of the frequency component corresponding to the frequency component to be measured of the alternating current magnetic field generated from the sample 20', which is included in the demodulated signal input from the demodulator 430 (step (d)). As will be described later, the measurement signal of the detector 3440 corresponds to the amplitude of the gradient in the vibration direction of the probe 10 of the component of the magnetic force acting on the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 . Such a detector 3440 includes, for example, a narrowband bandpass filter capable of extracting a specific frequency component (i.e., a frequency component corresponding to the frequency component to be measured of the alternating magnetic field from the sample 20') and amplitude demodulation. It is also possible to configure it in combination with a device, or, for example, it can also be configured using a spectrum analyzer that measures the intensity of the sideband spectrum corresponding to the frequency of the frequency component to be measured of the alternating current magnetic field. In the AC magnetic field measurement apparatus 3000 of FIG. 7, the sample 20' is an AC electromagnet, and the detector 3440 uses the voltage signal or current signal of an AC current source (not shown) of the sample 20' as a reference signal to generate an input signal. Among them, a frequency component having a frequency corresponding to the alternating current magnetic field is detected and its intensity (amplitude) is measured. Such a detector 3440 can be configured with a lock-in amplifier or a synchronous detector.

走査機構500により、探針10の振動方向(z方向)に交差する面内(x,y方向)に設定された走査領域(例えば、試料20’表面上に設定された走査領域)を、探針10が走査し、走査領域内に設定された各面内座標(x,y)について、検出器3440から出力される測定結果が信号処理装置600のメモリー610に記憶される(工程(e))。走査領域内で測定を行う面内座標(測定点)(x,y)は、格子状に(すなわちデカルト座標を構成するように)好ましく配置される。走査領域内の測定点の数は、後述する二次元フーリエ変換が容易であるように、例えば、x方向およびy方向において、それぞれ2の整数乗個とすることができる。 The scanning mechanism 500 scans a scanning area (for example, a scanning area set on the surface of the sample 20') set in a plane (x, y directions) intersecting the vibration direction (z direction) of the probe 10. The needle 10 scans, and the measurement results output from the detector 3440 are stored in the memory 610 of the signal processing device 600 for each in-plane coordinate (x, y) set within the scanning area (step (e) ). In-plane coordinates (measurement points) (x, y) for performing measurements within the scanning area are preferably arranged in a grid pattern (that is, so as to constitute Cartesian coordinates). The number of measurement points in the scanning area can be set to an integer power of 2 in each of the x direction and the y direction, for example, so that the two-dimensional Fourier transform described later is easy.

(外部交流磁場発生器3700)
外部交流磁場発生器3700は、探針10が走査領域内の各面内座標(x,y)を走査するとき、試料20’の交流磁場と測定すべき周波数成分と周波数および位相が合った外部交流磁場であって、直流磁場発生器3300からの直流磁場に平行な成分の振幅が所定の値である外部交流磁場を、探針10に印加することが可能に構成されている。図7の交流磁場測定装置3000において、外部交流磁場発生器3700は、電磁コア710と、電磁コア710に巻回されたコイル720とを備える電磁石と、電磁石のコイル720に所定の交流電流を供給することが可能に構成された交流電流源3730とを備えている。外部交流磁場発生器3700は、交流磁場測定装置3000を用いた磁場情報の測定値を較正する際に用いられる。較正方法の詳細については後述する。
(External AC magnetic field generator 3700)
The external AC magnetic field generator 3700 generates an external AC magnetic field whose frequency and phase match the AC magnetic field of the sample 20' and the frequency component to be measured when the probe 10 scans each in-plane coordinate (x, y) in the scanning area. It is configured to be able to apply to the probe 10 an external AC magnetic field in which the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field from the DC magnetic field generator 3300 has a predetermined value. In the alternating current magnetic field measuring device 3000 of FIG. 7, the external alternating current magnetic field generator 3700 supplies a predetermined alternating current to the electromagnet including an electromagnetic core 710 and a coil 720 wound around the electromagnetic core 710, and to the electromagnetic coil 720. and an alternating current source 3730 configured to be able to do so. The external AC magnetic field generator 3700 is used when calibrating the measured value of magnetic field information using the AC magnetic field measuring device 3000. Details of the calibration method will be described later.

(信号処理装置3600)
図8は、信号処理装置3600の構成、および、信号処理装置3600におけるデータ処理の流れを説明する図である。図8において、図1~7に既に表れた要素と同一の要素には図1~7における符号と同一の符号を付し、説明の全部または一部を省略することがある。信号処理装置3600は、メモリー610と、フーリエ変換器620と、第1の波数フィルタ演算器3631と、第2の波数フィルタ演算器3632と、第3の波数フィルタ演算器3633と、逆フーリエ変換器640と、第1の積分フィルタ演算器651と、第2/第3の積分フィルタ演算器652と、方向変換フィルタ演算器660と、距離変換フィルタ演算器670とを備えている。信号処理装置3600は、第1の波数フィルタ演算器631、第2の波数フィルタ演算器632、及び第3の波数フィルタ演算器3633に代えて、第1の波数フィルタ演算器3631、第2の波数フィルタ演算器3632、及び第3の波数フィルタ演算器3633をそれぞれ備える点において、直流磁場測定装置1000における信号処理装置600(図5)と異なっている。
(Signal processing device 3600)
FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the signal processing device 3600 and the flow of data processing in the signal processing device 3600. In FIG. 8, elements that are the same as those already shown in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals as in FIGS. 1 to 7, and explanations thereof may be omitted in whole or in part. The signal processing device 3600 includes a memory 610, a Fourier transformer 620, a first wavenumber filter calculator 3631, a second wavenumber filter calculator 3632, a third wavenumber filter calculator 3633, and an inverse Fourier transformer. 640, a first integral filter calculator 651, a second/third integral filter calculator 652, a direction conversion filter calculator 660, and a distance conversion filter calculator 670. The signal processing device 3600 includes a first wave number filter computing unit 3631, a second wave number filter computing unit 3633, and a second wave number filter computing unit 631, a second wave number filter computing unit 632, and a third wave number filter computing unit 3633. This differs from the signal processing device 600 (FIG. 5) in the DC magnetic field measuring device 1000 in that it includes a filter computing device 3632 and a third wave number filter computing device 3633, respectively.

メモリー610は、走査領域内の各面内座標(x,y)について、検出器3440の測定信号に対応した測定値を記憶する。フーリエ変換器620は、記憶装置610に記憶された、走査領域の各面内座標(x,y)についての測定値を、面内座標(x,y)について二次元フーリエ変換し、その結果を出力する(工程(f))。 The memory 610 stores measurement values corresponding to the measurement signals of the detector 3440 for each in-plane coordinate (x, y) within the scanning area. The Fourier transformer 620 performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate (x, y) of the scanning area stored in the storage device 610, and converts the result into a two-dimensional Fourier transform for the in-plane coordinate (x, y). Output (step (f)).

第1の波数フィルタ演算器3631は、フーリエ変換器620から出力されたフーリエ変換の情報から、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場発生器3300からの直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)に対応する情報を抽出する(工程(g0))ことが可能に構成されている。第1の波数フィルタ演算器3631における抽出演算は、探針10の位置における直流磁場Hdcと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hdc/∂zと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分∂dc/∂zとの間の2つの比、及び、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。そのさらなる詳細については後述する。 The first wave number filter calculator 3631 calculates, from the Fourier transform information output from the Fourier transformer 620, the component (here, It is possible to extract information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z ac(sample) (k x , k y , z) of the amplitude of the z component) in the in-plane direction of the scanning area (step (g0)) It is composed of The extraction calculation in the first wave number filter calculator 3631 is performed by extracting the DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 and the DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). 2 between the order differential ∂H dc /∂z and the second order differential ∂ 2 H dc /∂z 2 of the DC magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). and a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Further details will be discussed below.

第2の波数フィルタ演算器3632は、フーリエ変換器620から出力されたフーリエ変換の情報から、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場発生器3300からの直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分の、走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を抽出する(工程(g2))ことが可能に構成されている。第2の波数フィルタ演算器3632における抽出演算は、探針10の位置における直流磁場Hdcと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hdc/∂zと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分∂dc/∂zとの間の2つの比、及び、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。そのさらなる詳細については後述する。 The second wave number filter calculator 3632 calculates, from the Fourier transform information output from the Fourier transformer 620, the component (here, Two-dimensional Fourier transform of the second-order differential of the amplitude of the z component) with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) in the in-plane direction of the scanning region ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 It is configured to be able to extract information corresponding to (k x , k y , z) (step (g2)). The extraction calculation in the second wave number filter calculator 3632 is performed by extracting the DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 and 1 of the DC magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). 2 between the order differential ∂H dc /∂z and the second order differential ∂ 2 H dc /∂z 2 of the DC magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). and a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Further details will be discussed below.

第3の波数フィルタ演算器3633は、フーリエ変換器620から出力されたフーリエ変換の情報から、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場発生器3300からの直流磁場に平行な成分の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を抽出する(工程(g3))ことが可能に構成されている。第3の波数フィルタ演算器3633における抽出演算は、探針10の位置における直流磁場Hdcと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hdc/∂zと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分∂dc/∂zとの間の2つの比、及び、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。そのさらなる詳細については後述する。ただし、第3の波数フィルタ演算器3633が機能するのは、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分∂Hdc/∂zの値が非ゼロである場合のみである。 The third wave number filter calculator 3633 calculates the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field from the DC magnetic field generator 3300 of the frequency component of the AC magnetic field to be measured, based on the Fourier transform information output from the Fourier transformer 620. , the two-dimensional Fourier transform of the first-order differential with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z) (step (g3)). The extraction calculation in the third wave number filter calculator 3633 is performed by extracting the DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 and the DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). 2 between the order differential ∂H dc /∂z and the second order differential ∂ 2 H dc /∂z 2 of the DC magnetic field at the position of the probe 10 in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). and a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Further details will be discussed below. However, the third wave number filter calculator 3633 functions only when the first-order differential ∂H dc /∂z of the DC magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) Only if the value is non-zero.

逆フーリエ変換器640は、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換の情報(すなわち、(k,k)波数空間すなわちフーリエ空間での値F(k,k))に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、走査領域内の各面内(x,y)座標について、入力に対応する実空間での値(f(x,y))を得る(工程(i0)、(i2-0)、(i2-2)、(i1-0)、(i1)、(l0)、(l2)、(l1)、(n0)、(n2)、(n1))ことが可能に構成されている。例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場発生器3300からの直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅H ac(sample)(x,y,z)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)に対応する情報を、逆フーリエ変換器640に入力すると、逆フーリエ変換器640は入力された情報を二次元逆フーリエ変換して、走査領域内の各面内座標(x,y)について、交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分に対応する値H ac(sample)(x,y,z)が得られる(工程(i0))。 The inverse Fourier transformer 640 generates information about the two-dimensional Fourier transform in the in-plane ( x , y ) direction of the scanning region (i.e., the value F(k x , k y )), the value (f(x, y)) in real space corresponding to the input is obtained for each in-plane (x, y) coordinate in the scanning area by two-dimensional inverse Fourier transformation (step (i0), (i2-0), (i2-2), (i1-0), (i1), (l0), (l2), (l1), (n0), (n2), (n1)) It is configured to be possible. For example, the scanning area of the amplitude Hz ac(sample) (x, y, z) of the component parallel to the DC magnetic field from the DC magnetic field generator 3300 (here, the z component) of the frequency component of the AC magnetic field to be measured. When information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z ac(sample) (k x , k y , z) in the in-plane (x, y) direction is input to the inverse Fourier transformer 640, the inverse Fourier transformer 640 is a two-dimensional inverse Fourier transform of the input information, and for each in-plane coordinate (x, y) in the scanning region, the value H z ac corresponding to the component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field. (sample) (x, y, z) is obtained (step (i0)).

第1の積分フィルタ演算器651は、入力された二次元フーリエ変換を、フーリエ空間上で探針10の振動方向(ここではz方向)に2回積分する操作を行う。第2の波数フィルタ演算器3632により抽出された、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、第1の積分フィルタ演算器651に入力すると、入力された情報は、交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)に対応する情報に変換されて出力される(工程(h2-0))。第1の積分フィルタ演算器651における上記変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる、具体的には、そのような操作は、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力された値に1/(k +k )を乗じることにより、行うことができる。 The first integral filter calculator 651 performs an operation of integrating the input two-dimensional Fourier transform twice in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction) in Fourier space. Regarding the vibration direction of the probe 10 (here, the z-direction) of the component (here, the z-component) parallel to the DC magnetic field of the frequency component to be measured of the AC magnetic field extracted by the second wave number filter calculator 3632 The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) in the in-plane (x, y) direction of the scanning area of the second derivative of is expressed as When inputted to the first integral filter calculator 651, the inputted information is calculated in the plane of the scanning area (x, y) is converted into information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z ac(sample) (k x , k y , z) and output (step (h2-0)). The above conversion in the first integral filter calculator 651 is performed based on a combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning area. Such an operation is to multiply the input value by 1/(k x 2 + k y 2 ) for each combination of wave numbers (k x , k y ) except for (k x , ky ) = (0, 0). This can be done by:

第2/第3の積分フィルタ演算器652は、入力された二次元フーリエ変換を、フーリエ空間上で探針10の振動方向(ここではz方向)に2回積分する操作(工程(h2-1)、(h1-0))を行う。例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、第2/第3の積分フィルタ演算器652に入力すると、入力された情報は、交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報に変換されて出力される(工程(h2-1))。また例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、探針10の振動方向(ここではz方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、第2/第3の積分フィルタ演算器652に入力すると、入力された情報は、交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)に対応する情報に変換されて出力される(工程(h1-0))。第2/第3の積分フィルタ演算器652における上記変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる、具体的には、そのような操作は、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力された値に-1/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。 The second/third integral filter calculator 652 performs an operation (step (h2-1 ), (h1-0)). For example, the second derivative of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field (here, the z component) of the frequency component to be measured of the AC magnetic field, with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction), in the scanning region. The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 H z ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) in the in-plane (x, y) direction is subjected to the second/third integral filter operation. When the input information is input to the device 652, the input information is the amplitude of the component (here, the z component) parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field, with respect to the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). The first derivative is converted into information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z) in the in-plane (x, y) direction of the scanning area and output. (Step (h2-1)). For example, the scanning area of the first derivative of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field (the z component here) of the frequency component to be measured of the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10 (here the z direction) The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z) in the in-plane (x, y) direction of 652, the input information is the two-dimensional Fourier transform of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field (in this case, the z component) in the in-plane (x, y) direction of the scanning area. It is converted into information corresponding to H z ac(sample) (k x , k y , z) and output (step (h1-0)). Specifically, the above conversion in the second/third integral filter calculator 652 is performed based on a combination of two wave numbers (k x , k y ) in the in-plane (x, y) direction within the scanning region. For each combination of wavenumbers (k x , k y ) except (k x , k y )=(0,0), such an operation adds −1/(k x 2 +k y ) to the input value. 2 ) This can be done by multiplying by 1/2 .

方向変換フィルタ演算器660は、探針10の振動方向に平行な成分(ここではz成分)の磁場情報(交流磁場の振幅自体であってもよく、交流磁場の振幅の探針10の振動方向(z方向)についての1階微分であってもよく、交流磁場の振幅の探針10の振動方向(z方向)についての2階微分であってもよい。)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、走査領域の面内(x,y)方向の成分(ここではz成分)の磁場情報に変換する操作を行う(工程(k0)、(k2)、(k1))。例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)に対応する情報を、方向変換フィルタ演算器660に入力すると、交流磁場の当該周波数成分の面内(x,y)方向の成分の振幅の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)、H ac(sample)(k,k,z)に対応する情報が出力される(工程(k0))。また例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(z成分)の振幅の、探針10の振動方向についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、方向変換フィルタ演算器660に入力すると、交流磁場の当該周波数成分の面内(x,y)方向の成分の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)、∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報が出力される(工程(k2))。また例えば、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(z成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報を、方向変換フィルタ演算器660に入力すると、交流磁場の当該周波数成分の面内(x,y)方向の成分の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)、∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)に対応する情報が出力される(工程(k1))。方向変換フィルタ演算器660における上記各変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。具体的には、z(垂直方向)成分からx成分への変換は、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力された値に-ik/(k +k 1/2を乗じる(iは虚数単位)ことにより行うことができ、z(垂直方向)成分からy成分への変換は、(k,k)=(0,0)を除く各波数の組み合わせ(k,k)について、入力された値に-ik/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。なお、方向変換フィルタ演算器660は、入力される磁場情報が垂直磁場成分(z成分)の情報である場合、すなわち、直流磁場発生器3700からの直流磁場の印加方向が、探針10の振動方向(z方向、すなわち垂直方向)である場合にのみ機能する。 The direction conversion filter calculator 660 uses magnetic field information (which may be the amplitude of the alternating magnetic field itself, or the vibration direction of the probe 10 of the amplitude of the alternating magnetic field) of a component (here, the z component) parallel to the vibration direction of the probe 10. In the plane of the scanning region ( An operation is performed to convert information corresponding to two-dimensional Fourier transform in the x, y) direction into magnetic field information of a component (here, the z component) in the in-plane (x, y) direction of the scanning area (step (k0) , (k2), (k1)). For example, the two-dimensional Fourier transform H z ac(sample ) ( k The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H x ac(sample) (k x , k y , z) and H y ac (sample) (k x , k y , z) in the in-plane (x, y) direction is is output (step (k0)). For example, the second derivative of the amplitude of the component (z component) parallel to the DC magnetic field of the frequency component to be measured of the AC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe 10 in the plane of the scanning region (x, y) When information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) regarding the direction is input to the direction conversion filter calculator 660, the frequency component of the alternating current magnetic field is Two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the component in the in-plane (x, y) direction with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂ Information corresponding to 2 H x ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) and ∂ 2 H y ac (sample) /∂z 2 (k x , k y , z) is output. (Step (k2)). For example, the first derivative of the amplitude of the component (z component) parallel to the DC magnetic field of the frequency component to be measured of the AC magnetic field with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the plane of the scanning region ( When information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z) in the x, y) direction is input to the direction conversion filter calculator 660, Two-dimensional Fourier in the in-plane (x, y) direction of the scanning region of the first derivative of the amplitude of the in-plane (x, y) direction component of the frequency component with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 Information corresponding to the transformation ∂H x ac(sample) /∂z(k x , k y , z), ∂H y ac(sample) /∂z(k x , k y , z) is output (step (k1)). Each of the above conversions in the direction conversion filter calculator 660 is performed based on a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning region. Specifically, the conversion from the z (vertical direction) component to the x component is performed by adding -ik x / (k x 2 + k y 2 ) 1 to the input value for each wavenumber combination (k x , k y ). /2 (i is an imaginary unit), and the conversion from the z (vertical direction) component to the y component can be performed by multiplying each wave number combination by (k x , k y ) = (0, 0). For (k x , k y ), this can be done by multiplying the input value by -ik y /(k x 2 +k y 2 ) 1/2 . Note that when the input magnetic field information is information on a perpendicular magnetic field component (z component), the direction conversion filter calculator 660 is configured such that when the input magnetic field information is information on a vertical magnetic field component (z component), that is, when the direction of application of the DC magnetic field from the DC magnetic field generator 3700 is direction (z direction, ie vertical direction).

距離変換フィルタ演算器670は、探針10の振動方向(ここではz方向)における第1の探針位置(z=z’)での測定によって得られた、磁場情報(交流磁場の振幅自体の情報であってもよく、交流磁場の振幅の探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の情報であってもよく、交流磁場の振幅の探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の情報であってもよい。また、探針10の振動方向(z方向すなわち垂直方向)の情報であってもよく、面内方向(x、y方向)の情報であってもよい。)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を、第1の探針位置から探針の振動方向にずれた仮想的な第2の探針位置(z=z’+Δz)における磁場情報に変換する操作を行う(工程(m0)、(m2)、(m1))。
例えば、探針位置z=z’における交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の振幅の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z’)に対応する情報、及び、Δzを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(ここではz成分)の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される(工程(m0))。また例えば、探針位置z=z’における交流磁場の当該周波数成分の面内成分(x、y成分)の振幅の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z’)、H ac(sample)(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける交流磁場の当該周波数成分の面内成分(x、y成分)の振幅の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換H ac(sample)(k,k,z’+Δz)、H ac(sample)(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される。また例えば、探針位置z=z’における交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(z成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(z成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される(工程(m2))。また例えば、探針位置z=z’における交流磁場の当該周波数成分の面内成分(x、y成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z’)、∂ ac(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける交流磁場の当該周波数成分の面内成分(x、y成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)、∂ ac(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される。また例えば、探針位置z=z’における交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(z成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分(z成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される(工程(m1))。また例えば、探針位置z=z’における交流磁場の当該周波数成分の面内成分(x、y成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z’)、∂H ac(sample)/∂z(k,k,z’)に対応する情報と、Δzとを距離変換フィルタ演算器670に入力すると、探針位置z=z’+Δzにおける交流磁場の当該周波数成分の面内成分(x、y成分)の振幅の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についての二次元フーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)、∂H ac(sample)/∂z(k,k,z’+Δz)に対応する情報が出力される。
距離変換フィルタ演算器670における上記各変換は、走査領域内の面内(x,y)方向における2つの波数の組み合わせ(k,k)に基づいて行われる。具体的には、そのような探針位置の変換は、(k,k)=(0,0)を除く各波数の組み合わせ(k,k)について、入力された値にexp(-(k +k 1/2Δz)を乗じることにより、行うことができる。
The distance conversion filter calculator 670 uses magnetic field information (of the amplitude itself of the alternating magnetic field) obtained by measurement at the first probe position (z=z') in the vibration direction of the probe 10 (here, the z direction). The information may be information about the first order differential of the amplitude of the alternating magnetic field in the direction of vibration of the probe 10 (z direction), or the information of the first order differential of the amplitude of the alternating magnetic field in the direction of vibration of the probe 10 (z direction). It may also be information on the second-order differential of ), the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform in the in-plane (x, y) direction of the scanning area can be transferred from the first tip position to a virtual second tip position shifted in the tip vibration direction. An operation of converting into magnetic field information at the probe position (z=z'+Δz) is performed (steps (m0), (m2), (m1)).
For example, the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field (here, the z component) of the frequency component to be measured of the AC magnetic field at the probe position z = z', in the in-plane (x, y) direction of the scanning area. When information corresponding to the dimensional Fourier transform H z ac(sample) (k x , k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670, the alternating magnetic field at the probe position z=z'+Δz is Two-dimensional Fourier transform H z ac(sample) (k x , k y , z '+Δz) is output (step (m0)). Furthermore, for example, the two-dimensional Fourier transform H When information corresponding to ac(sample) (k x , k y , z') and H y ac (sample) (k x , k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670, Two-dimensional Fourier transform H x ac( information corresponding to sample) (k x , k y , z'+Δz) and H y ac (sample) (k x , k y , z'+Δz) is output. For example, the second derivative of the amplitude of the component (z component) parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10, The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z') in the in-plane (x, y) direction of the scanning area and Δz are distance-transformed. When input to the filter calculator 670, the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field (z component) of the frequency component of the AC magnetic field at the probe position z = z' + Δz, regarding the vibration direction (z direction) of the probe 10. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z'+Δz) in the in-plane (x, y) direction of the scanning area of the second derivative of is output (step (m2)). For example, the scanning area of the second derivative of the amplitude of the in-plane components (x, y components) of the frequency component of the alternating current magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 Two-dimensional Fourier transform in the in-plane (x, y) direction of ∂ 2 H x ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z'), ∂ 2 H y ac(sample) /∂z 2 When information corresponding to (k x , k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670, the in-plane component (x , y component) with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10, two-dimensional Fourier transform in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂ 2 H x ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z'+Δz) and information corresponding to ∂ 2 H y ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z'+Δz) are output. Further, for example, the first-order differential of the amplitude of the component (z component) of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10, The information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z') in the in-plane (x, y) direction of the scanning area and Δz are subjected to a distance conversion filter operation. 1 in the vibration direction (z direction) of the probe 10 of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field (z component) of the frequency component of the AC magnetic field at the probe position z = z' + Δz. Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z'+Δz) of the order differential in the in-plane (x, y) direction of the scanning area is output. (Step (m1)). Further, for example, the scanning area of the first derivative of the amplitude of the in-plane components (x, y components) of the frequency component of the alternating current magnetic field at the probe position z=z' with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 Two-dimensional Fourier transform in the in-plane (x, y) direction ∂H x ac(sample) /∂z(k x , k y , z'), ∂H y ac(sample) /∂z(k x , When the information corresponding to k y , z') and Δz are input to the distance conversion filter calculator 670, the in-plane components (x, y components) of the frequency component of the AC magnetic field at the probe position z=z'+Δz The two-dimensional Fourier transform of the first-order differential of the amplitude with respect to the vibration direction (z direction) of the probe 10 in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂H x ac(sample) /∂z(k x , k y , z'+Δz) and ∂H y ac(sample) /∂z(k x , k y , z'+Δz) are output.
Each of the above conversions in the distance conversion filter calculator 670 is performed based on a combination (k x , k y ) of two wave numbers in the in-plane (x, y) direction within the scanning region. Specifically , such conversion of the tip position is performed by adding exp ( This can be done by multiplying by -(k x 2 + k y 2 ) 1/2 Δz).

図9は、他の一の実施形態に係る交流磁場測定装置4000を模式的に説明する図である。図9において、図1~8に既に表れた要素には図1~8における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。交流磁場測定装置4000は、直流磁場発生器3300に代えて直流磁場発生器4300を有し、直流磁場発生器4300が外部交流磁場発生器としても機能できるように構成されている点において、図7の交流磁場測定装置3000と異なっている。すなわち、交流磁場測定装置4000は、直流電流源3320及び交流電流源3730に代えて、直流/交流電流源4330を備える。直流/交流電流源2330は、直流電流を供給することに加えて、必要に応じて、直流電流に交流電流が重畳された電流を供給することも可能な電流源である。直流磁場発生器4300は、電磁コア4320と、電磁コア4320に巻回されたコイル4310とを備える電磁石と、該電磁石のコイル4310に直流電流、及び必要に応じて交流電流を供給する直流/交流電流源4330とを備えている。直流磁場発生器4300は、切り替えスイッチ4340をさらに備えており、直流/交流電流源4330からの電流を電磁石のコイル4320に供給するか、空芯コイル310に供給するかを、ユーザーが切り替えることができる。交流磁場測定装置4000はさらに、パラメータフィッティング演算器4800を備えている。一の実施形態において、パラメータフィッティング演算器4800は、直流磁場発生器4300として上記電磁石を用いた場合(すなわち、直流/交流電流源4330からの直流電流を電磁石のコイル4320に供給した場合)の、交流磁場の測定すべき周波数成分の、直流磁場に平行な成分の振幅の測定結果を、直流磁場発生器として空芯コイル310を用いた場合(すなわち、直流/交流電流源4330からの直流電流を空芯コイル310に供給した場合)の測定結果に合わせるように、探針10の位置における直流磁場Hdcと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分∂Hdc/∂zと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向についての2階微分∂dc/∂zとの間の、2つの比を最適化することにより、当該2つの比を決定することが可能に構成され得る。他の一の実施形態において、パラメータフィッティング演算器4800は、直流磁場発生器4300として上記電磁石を用いた場合(すなわち、直流/交流電流源4330からの直流電流を電磁石のコイル4320に供給した場合)の、交流磁場の当該周波数成分の、直流磁場に平行な成分の振幅の、探針10の振動方向(z方向)における2階微分の測定結果を、直流磁場発生器として空芯コイル310を用いた場合(すなわち、直流/交流電流源4330からの直流電流を空芯コイル310に供給した場合)の測定結果に合わせるように、探針10の位置における直流磁場Hdcと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(z方向)についての1階微分∂Hdc/∂zと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向についての2階微分∂dc/∂zとの間の、2つの比を最適化することにより、当該2つの比を決定することが可能に構成され得る。このような構成を有する交流磁場測定装置4000によっても、本発明の交流磁場測定装置および方法の効果を得ることができる。 FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an AC magnetic field measuring device 4000 according to another embodiment. In FIG. 9, elements that have already appeared in FIGS. 1 to 8 are given the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 8, and their explanations may be omitted. The AC magnetic field measuring device 4000 has a DC magnetic field generator 4300 instead of the DC magnetic field generator 3300, and is configured so that the DC magnetic field generator 4300 can also function as an external AC magnetic field generator, as shown in FIG. This is different from the AC magnetic field measuring device 3000 of . That is, the AC magnetic field measuring device 4000 includes a DC/AC current source 4330 instead of the DC current source 3320 and the AC current source 3730. The DC/AC current source 2330 is a current source that, in addition to supplying a DC current, can also supply a current in which an AC current is superimposed on a DC current, if necessary. The DC magnetic field generator 4300 includes an electromagnet including an electromagnetic core 4320 and a coil 4310 wound around the electromagnetic core 4320, and a DC/AC generator that supplies DC current and, if necessary, AC current to the coil 4310 of the electromagnet. A current source 4330 is provided. The DC magnetic field generator 4300 further includes a changeover switch 4340, which allows the user to switch between supplying the current from the DC/AC current source 4330 to the electromagnetic coil 4320 or to the air core coil 310. can. The AC magnetic field measuring device 4000 further includes a parameter fitting calculator 4800. In one embodiment, the parameter fitting calculator 4800 calculates the following when the electromagnet is used as the DC magnetic field generator 4300 (that is, when DC current from the DC/AC current source 4330 is supplied to the coil 4320 of the electromagnet): The measurement result of the amplitude of the component parallel to the DC magnetic field of the frequency component to be measured of the AC magnetic field is calculated when the air-core coil 310 is used as the DC magnetic field generator (that is, when the DC current from the DC/AC current source 4330 is The DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 and the direction of vibration of the probe 10 (z direction) of the DC magnetic field at the position of the probe 10 are adjusted so as to match the measurement results of (when supplied to the air core coil 310) The two ratios between the first-order differential ∂H dc / ∂z of By optimizing, it may be possible to determine the ratio between the two. In another embodiment, the parameter fitting calculator 4800 uses the electromagnet described above as the DC magnetic field generator 4300 (that is, when the DC current from the DC/AC current source 4330 is supplied to the coil 4320 of the electromagnet) The measurement result of the second-order differential in the vibration direction (z direction) of the probe 10 of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the AC magnetic field parallel to the DC magnetic field is measured using the air-core coil 310 as a DC magnetic field generator. The DC magnetic field H dc at the position of the probe 10 and the position of the probe 10 are adjusted so as to match the measurement results when the DC/AC current source 4330 supplies DC current to the air-core coil 310. The first-order differential ∂H dc /∂z of the DC magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction (z direction) and the second-order differential ∂H dc /∂z of the DC magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10. It may be possible to determine the two ratios by optimizing the two ratios between 2 H dc /∂z 2 . The effects of the AC magnetic field measuring device and method of the present invention can also be obtained by the AC magnetic field measuring device 4000 having such a configuration.

本発明に関する上記説明では、方向変換フィルタ演算器660による処理の適用を、距離変換フィルタ演算器670による処理の前に行う形態の交流磁場測定装置3000及び4000、並びに交流磁場測定方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、距離変換フィルタ演算器670による処理を先に適用してから方向変換フィルタ演算器660による処理を適用する形態の交流磁場測定装置および交流磁場測定方法とすることも可能である。 In the above description of the present invention, the AC magnetic field measurement apparatuses 3000 and 4000 and the AC magnetic field measurement method are taken as examples in which the processing by the direction conversion filter calculation unit 660 is applied before the processing by the distance conversion filter calculation unit 670. However, the present invention is not limited to this form. For example, it is also possible to provide an AC magnetic field measurement device and an AC magnetic field measurement method in which the processing by the distance conversion filter calculation unit 670 is first applied, and then the processing by the direction conversion filter calculation unit 660 is applied.

(測定の原理:交流磁場の測定)
本発明の交流磁場測定装置の動作原理、及び、本発明の交流磁場測定方法における測定の原理について説明する。直流磁場のみを発生する試料を測定する場合について上記説明した測定、較正、及び変換の原理は、交流磁場のみを発生する試料を測定する場合にも応用することが可能である。
xyz座標系において、探針の振動方向をz方向とする。直流磁場発生器(例えば空芯コイル等。)から、直流磁場Hdcを探針に印加する。探針位置の磁場Hは、同様に式(5):
(Measurement principle: measurement of alternating current magnetic field)
The operating principle of the alternating current magnetic field measuring device of the present invention and the measurement principle of the alternating current magnetic field measuring method of the present invention will be explained. The measurement, calibration, and conversion principles described above for measuring samples that generate only DC magnetic fields can also be applied when measuring samples that generate only AC magnetic fields.
In the xyz coordinate system, the direction of vibration of the probe is the z direction. A DC magnetic field H dc is applied to the probe from a DC magnetic field generator (for example, an air-core coil, etc.). Similarly, the magnetic field H at the probe position is expressed by equation (5):

Figure 2024025989000128
(Hdc:直流磁場発生器からの直流磁場、Hac:試料からの交流磁場の振幅)
で表される。式(5)自体に変更はないが、直流磁場試料を測定する場合とは、Hdc及びHacの定義が異なっている。ωは試料からの交流磁場の角周波数である。超常磁性探針に誘起される磁気モーメントmは、同様に式(6):
Figure 2024025989000128
(H dc : DC magnetic field from the DC magnetic field generator, H ac : amplitude of the AC magnetic field from the sample)
It is expressed as Although the formula (5) itself remains unchanged, the definitions of H dc and H ac are different from those in the case of measuring a DC magnetic field sample. ω is the angular frequency of the alternating magnetic field from the sample. Similarly, the magnetic moment m induced in the superparamagnetic tip is expressed by equation (6):

Figure 2024025989000129
(χ:超常磁性探針の磁化率)
で表される。磁場H中に存在する磁気モーメントmの位置エネルギーUは、同様に式(7):
Figure 2024025989000129
(χ: Magnetic susceptibility of superparamagnetic tip)
It is expressed as Similarly, the potential energy U of the magnetic moment m existing in the magnetic field H is expressed by equation (7):

Figure 2024025989000130
で表される。探針に作用する磁気力Fのz方向成分Fの勾配F’は、同様に式(8):
Figure 2024025989000130
It is expressed as Similarly, the gradient Fz ' of the z-direction component Fz of the magnetic force F acting on the probe is expressed by equation (8):

Figure 2024025989000131
で表されるから、その角周波数ωで振動する成分(ωt成分)F’(ωt)は、同様に式(9):
Figure 2024025989000131
Therefore, the component (ωt component) F z '(ωt) that vibrates at the angular frequency ω is similarly expressed by equation (9):

Figure 2024025989000132
で表される。試料からの交流磁場HacをHac(sample)と書き直す。探針位置の直流磁場がz軸方向であるとき(例えば空芯コイルの平面内の中心からの直流磁場は、空芯コイルの軸方向である。空芯コイルの平面内の中心に探針が配置され、空芯コイルの軸方向がz軸方向であるならば、探針位置の直流磁場もz軸方向となる。)、探針位置の磁場Hは、z軸方向の単位ベクトルkおよび直流磁場Hdcのz成分の強度H dcを用いて
Figure 2024025989000132
It is expressed as The alternating current magnetic field H ac from the sample is rewritten as H ac (sample) . When the DC magnetic field at the probe position is in the z-axis direction (for example, the DC magnetic field from the center in the plane of the air-core coil is in the axial direction of the air-core coil. (If the axial direction of the air-core coil is in the z-axis direction, the DC magnetic field at the probe position will also be in the z-axis direction.), The magnetic field H at the probe position is expressed by the unit vector k z in the z-axis direction and Using the strength of the z component of the direct current magnetic field H dc H z dc

Figure 2024025989000133
で表され、超常磁性探針に誘起される磁気モーメントmは
Figure 2024025989000133
The magnetic moment m induced in the superparamagnetic tip is expressed as

Figure 2024025989000134
となるから、磁気力勾配のωt成分において、試料からの交流磁場Hac(sample)のうちz成分H ac(sample)だけが関与して、測定可能量F’(ωt)は
Figure 2024025989000134
Therefore, in the ωt component of the magnetic force gradient, only the z component H z ac (sample) of the AC magnetic field H ac (sample) from the sample is involved, and the measurable quantity F z '(ωt) is

Figure 2024025989000135
となる。直流磁場源として空芯コイルを用い、空芯コイル中心の軸方向(z方向)の直流交流磁場H dc(coil)を超常磁性探針に印加する場合を考える。コイル定数C、C、及びCとして、
Figure 2024025989000135
becomes. Consider a case where an air-core coil is used as a DC magnetic field source and a DC/AC magnetic field H z dc (coil) in the axial direction (z direction) centered on the air-core coil is applied to a superparamagnetic probe. As coil constants C 1 , C 2 , and C 3 ,

Figure 2024025989000136
とおく。定数C、C、Cに含まれるH dc(coil)並びにその1階微分∂H dc(coil)/∂zおよび2階微分∂ dc(coil)/∂zは、空芯コイルの式(15)から解析的に又は数値的に求めることができる。それらの符号は空芯コイルを交流磁場源として用いる場合と同様である。探針を空芯コイルの面内(xy)方向の中心かつ軸方向のz>0の位置に配置するとき、式(12’)は
Figure 2024025989000136
far. The constants C 1 , C 2 , and C 3 include H z dc(coil) , its first derivative ∂H z dc(coil) /∂z, and its second derivative ∂ 2 H z dc(coil) /∂z 2 . , can be determined analytically or numerically from the air-core coil equation (15). These codes are the same as when an air-core coil is used as an alternating current magnetic field source. When the probe is placed at the center of the air-core coil in the in-plane (xy) direction and at the position where z>0 in the axial direction, equation (12') is

Figure 2024025989000137
となる。振幅を比較することにより
Figure 2024025989000137
becomes. By comparing the amplitude

Figure 2024025989000138
が得られる。式(17’)において左辺が測定可能量である。空芯コイルの中心軸上においてCの符号は不変であるので、ここではC>0を仮定している。式中、σ(C)の定義は式(18)の通りである。探針の振動方向(z軸方向)に交差する面内(xy面内方向)に定められた走査領域を探針で走査しながら測定を行う、すなわち、走査領域内の各(x,y)座標について測定を行うことにより、測定可能量
Figure 2024025989000138
is obtained. In equation (17'), the left side is the measurable quantity. Since the sign of C 1 does not change on the central axis of the air-core coil, it is assumed here that C 1 >0. In the formula, σ(C 3 ) is defined as in formula (18). Measurement is performed while the probe scans a scanning area defined in a plane (xy plane direction) that intersects the vibration direction (z-axis direction) of the probe, that is, each (x, y) within the scanning area Measurable quantities by making measurements on coordinates

Figure 2024025989000139
(すなわち式(17’)の左辺)の走査領域内(xy面内)における分布:
Figure 2024025989000139
(i.e., the left side of equation (17')) within the scanning area (in the xy plane):

Figure 2024025989000140
が得られる。その面内方向(x及びy)についてのフーリエ変換(二次元フーリエ変換)は、式(17’)及びフーリエ変換の線型性から、
Figure 2024025989000140
is obtained. The Fourier transform (two-dimensional Fourier transform) in the in-plane direction (x and y) is given by equation (17') and the linearity of the Fourier transform.

Figure 2024025989000141
を満たす。式中、k及びkは面内方向における波数である。式中、
Figure 2024025989000141
satisfy. In the formula, k x and k y are wave numbers in the in-plane direction. During the ceremony,

Figure 2024025989000142
はそれぞれ、
Figure 2024025989000142
are each

Figure 2024025989000143
の面内方向(x及びy)についてのフーリエ変換である。再び、Saitoの式(26)から、式(21’)において
Figure 2024025989000143
is a Fourier transform in the in-plane direction (x and y) of . Again, from Saito's equation (26), in equation (21')

Figure 2024025989000144
である。式中、ρ(k,k,z)は、z=zにおける(仮想的な)磁荷分布のx及びyについてのフーリエ変換である。上記同様にm/(2μ)=1で規格化すると、式(21’)から
Figure 2024025989000144
It is. In the formula, ρ(k x , k y , z 0 ) is the Fourier transform of the (virtual) magnetic charge distribution at z=z 0 with respect to x and y. If normalized by m z /(2μ 0 )=1 in the same way as above, from equation (21'),

Figure 2024025989000145
であるから、C、C、及びCについて、それぞれ上記同様に
Figure 2024025989000145
Therefore, for C 1 , C 2 and C 3 , the same as above

Figure 2024025989000146
を得る。すなわち、測定可能量の面内方向についてのフーリエ変換(式(21’)左辺、式(30a’)~(30c’)右辺第2項)から、コイル定数C、C、C、及び面内方向の波数k、kに基づいて、探針位置における試料からの交流磁場の振幅のz成分H ac(sample)並びにその1階微分(勾配)∂H ac(sample/∂z及び2階微分∂ ac(sample/∂zの、それぞれの面内方向(x及びy)についてのフーリエ変換(左辺)を分離抽出することができる(波数フィルタ)。分離抽出された各左辺をk、kについて二次元逆フーリエ変換することにより、探針位置における試料からの交流磁場の振幅のz成分H dc(sample)(x,y,z)並びにその1階微分(勾配)∂H dc(sample/∂z(x,y,z)及び2階微分∂ dc(sample/∂z(x,y,z)を復元することができる。
がCと同符号(C>0)である場合には、σ(C)=+1であるので、式(30a’)~(30c’)は
Figure 2024025989000146
get. That is, from the Fourier transform in the in-plane direction of the measurable quantity (the left side of equation (21'), the second term on the right side of equations (30a') to (30c')), the coil constants C 1 , C 2 , C 3 , and Based on the in- plane wave numbers k The Fourier transform (left side) for each in-plane direction (x and y) of z and second-order differential ∂ 2 Hz ac (sample /∂z 2 ) can be separated and extracted (wave number filter). By performing a two - dimensional inverse Fourier transform on each left side of the equation with respect to k The differential (gradient) ∂H z dc(sample /∂z(x,y,z)) and the second derivative ∂ 2 H z dc(sample /∂z 2 (x,y,z)) can be recovered.
When C 3 has the same sign as C 1 (C 3 >0), σ(C 3 )=+1, so equations (30a') to (30c') are

Figure 2024025989000147
となる。CがCと異符号(C<0)である場合には、σ(C)=-1であるので、式(30a’)~(30c’)は
Figure 2024025989000147
becomes. When C 3 has a different sign from C 1 (C 3 <0), σ(C 3 )=-1, so equations (30a') to (30c') are

Figure 2024025989000148
となる。波数フィルタ部分は直流磁場測定の場合と同一であるので、その処理も直流磁場測定の場合と同様に考えることができる。直流磁場測定の場合と同様に、波数フィルタ(式(108a)~(108c)及び式(109a)~(109c))の入力
Figure 2024025989000148
becomes. Since the wave number filter part is the same as in the case of DC magnetic field measurement, its processing can be considered in the same way as in the case of DC magnetic field measurement. As in the case of DC magnetic field measurement, input the wave number filter (Equations (108a) to (108c) and Equations (109a) to (109c))

Figure 2024025989000149
は不明な定数(β)倍されていてもよい。上記同様に磁場の2階微分、磁場の1階微分、及び磁場の測定感度に対応する係数(測定感度係数)をα、α、αとすると、CがCと同符号のとき
Figure 2024025989000149
may be multiplied by an unknown constant (β). Similarly to the above, if the coefficients corresponding to the second derivative of the magnetic field, the first derivative of the magnetic field, and the measurement sensitivity of the magnetic field (measurement sensitivity coefficients) are α 1 , α 2 , α 3 , C 3 has the same sign as C 1 time

Figure 2024025989000150
となり、CがCと異符号のとき
Figure 2024025989000150
So, when C 3 has a different sign from C 1

Figure 2024025989000151
となる(式中、ε’は任意に定められる微小実定数であり、その選び方及び好ましい範囲は直流磁場測定について説明したε’(式(40a)~(40c))と同様である。)。直流磁場測定の場合と同様に、磁場像の較正において磁場の強度を補正する操作は、不明な定数βを乗じられた入力
Figure 2024025989000151
(In the formula, ε' is an arbitrarily determined infinitesimal real constant, and its selection and preferred range are the same as ε' (Equations (40a) to (40c)) described for DC magnetic field measurement.) As in the case of DC magnetic field measurements, the operation of correcting the magnetic field strength in calibrating the magnetic field image is based on the input multiplied by an unknown constant β.

Figure 2024025989000152
に対して、測定感度係数α、α、及び/又はαを求める操作に対応する。したがって、波数フィルタの入力(式(59’))がいかなる定数倍を含んでいるかを知る必要はない。
Figure 2024025989000152
This corresponds to the operation of determining the measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 , and/or α 3 for . Therefore, it is not necessary to know what constant multiple the input to the wave number filter (Equation (59')) contains.

このように、第1の波数フィルタ演算器3631(図8)における具体的な演算は、探針10の位置における直流磁場H dc(coil)と、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向(z方向)についての2階微分∂ dc(coil)/∂zとが同符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59’))に In this way, the specific calculation in the first wave number filter calculator 3631 (FIG. 8) is based on the detection of the DC magnetic field Hz dc (coil) at the position of the probe 10 and the DC magnetic field at the position of the probe 10. If the second-order differential ∂ 2 Hz dc(coil) /∂z 2 with respect to the vibration direction (z direction) of the needle 10 has the same sign, the input for each wave number combination (k x , k y ) (Formula (59'))

Figure 2024025989000153
を乗じることにより行うことができ、H dc(coil)と∂ dc(coil)/∂zとが異符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59’))に
Figure 2024025989000153
If H z dc (coil) and ∂ 2 H z dc (coil) / ∂z 2 have opposite signs, then for each wave number combination (k x , k y ) , input (equation (59'))

Figure 2024025989000154
を乗じることにより行うことができる。また、第2の波数フィルタ演算器3632(図8)における具体的な演算は、H dc(coil)と∂ dc(coil)/∂zとが同符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59’))に
Figure 2024025989000154
This can be done by multiplying by Further, the specific calculation in the second wave number filter calculation unit 3632 (FIG. 8) is as follows when H z dc(coil) and ∂ 2 H z dc(coil) /∂z 2 have the same sign. For each wavenumber combination (k x , k y ), input (Equation (59'))

Figure 2024025989000155
を乗じることにより行うことができ、H dc(coil)と∂ dc(coil)/∂zとが異符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59’))に
Figure 2024025989000155
If H z dc (coil) and ∂ 2 H z dc (coil) / ∂z 2 have opposite signs, then for each wave number combination (k x , k y ) , input (equation (59'))

Figure 2024025989000156
を乗じることにより行うことができる。また、第3の波数フィルタ演算器3633(図8)における具体的な演算は、H dc(coil)と∂ dc(coil)/∂zとが同符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59’))に
Figure 2024025989000156
This can be done by multiplying by Further, the specific calculation in the third wave number filter calculator 3633 (FIG. 8) is as follows when H z dc(coil) and ∂ 2 H z dc(coil) /∂z 2 have the same sign. For each wave number combination (k x , k y ), input (Equation (59'))

Figure 2024025989000157
を乗じることにより行うことができ、H dc(coil)と∂ dc(coil)/∂zとが異符号である場合には、各波数の組み合わせ(k,k)について、入力(式(59’))に
Figure 2024025989000157
If H z dc(coil) and ∂ 2 H z dc(coil) /∂z 2 have opposite signs, then for each wavenumber combination (k x , k y ) , input (equation (59'))

Figure 2024025989000158
を乗じることにより行うことができる。ただし上記の通り、第3の波数フィルタ演算器3633を用いて入力(式(59’):フーリエ変換器620の出力)から交流磁場の振幅の1階微分のフーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)を抽出することは、探針位置における直流磁場の探針の振動方向についての1階微分∂H dc(coil)/∂zの値が非ゼロである場合にのみ可能である。なお、∂H dc(coil)/∂zの値がゼロであっても、第2の波数フィルタ演算器3632により入力(式(59’))から交流磁場の2階微分のフーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)を抽出し、これを第2/第3の積分フィルタ演算器652によりフーリエ空間上で1回積分(∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)=-(k +k -1/2×∂ ac(sample)/∂z(k,k,z))することにより、交流磁場の振幅の1階微分のフーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)を得ることができ、これを逆フーリエ変換器640で二次元逆フーリエ変換することにより、実空間での交流磁場の振幅の1階微分∂H ac(sample)/∂z(x,y,z)を得ることができる。
波数フィルタの部分において、係数|C|/|C|及び|C|/|C|は
Figure 2024025989000158
This can be done by multiplying by However, as mentioned above, the third wave number filter calculator 3633 is used to convert the input (Equation (59'): output of the Fourier transformer 620) into the Fourier transform of the first differential of the amplitude of the AC magnetic field ∂H z ac (sample) Extracting / ∂z ( k This is possible only if . Note that even if the value of ∂H z dc(coil) /∂z is zero, the second wave number filter calculator 3632 converts the Fourier transform of the second-order differential of the alternating magnetic field 2 from the input (formula (59')). H z ac (sample) / ∂z 2 ( k sample) /∂z(k x , k y , z) = -(k x 2 + k y 2 ) -1/2 ×∂ 2 H z ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) ), the Fourier transform of the first differential of the amplitude of the alternating magnetic field ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z) can be obtained, and this is double By performing dimensional inverse Fourier transform, the first-order differential ∂H z ac(sample) /∂z(x, y, z) of the amplitude of the alternating magnetic field in real space can be obtained.
In the wavenumber filter part, the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | are

Figure 2024025989000159
であり、これらは探針の磁化率χに依存しない。特に外部直流磁場の発生源が空芯コイルである場合には、空芯コイルの式(15)から、これらの2つの係数を算出できる。なお上記式(108a’)~(108c’)及び式(109a’)~(109c’)の波数フィルタ部分は、定数Cが必ず非ゼロであることを利用して、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を係数として用いるように、波数フィルタ部分の分母及び分子を|C|で除することにより式変形して得られたものであるが、波数フィルタ部分を表す式の形は必ずしもこれに限られるものではない。例えば、波数フィルタの分母および分子の両方に|H dc(coil)|を乗じることにより、|H dc(coil)|、|∂H dc(coil)/∂z|、及び|∂ dc(coil)/∂z|の間の2つの比(式(66’)、(67’))に代えて、|H dc(coil)|、|∂H dc(coil)/∂z|、及び|∂ dc(coil)/∂z|の3つの値を係数として用いてもよい。また、直流磁場測定の場合と同様に、例えば定数Cが非ゼロであれば、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を係数として用いることも可能である。そのような波数フィルタは次のように表される。
Figure 2024025989000159
and these do not depend on the magnetic susceptibility χ of the tip. In particular, when the source of the external DC magnetic field is an air-core coil, these two coefficients can be calculated from equation (15) for the air-core coil. Note that the wave number filter portion of the above equations (108a') to (108c') and equations (109a') to (109c') utilizes the fact that the constant C 1 is always non-zero to calculate |C 2 |/| It was obtained by transforming the formula by dividing the denominator and numerator of the wave number filter part by |C 1 | so that the two ratios of C 1 | and |C 3 |/|C 1 | are used as coefficients. However, the form of the equation representing the wave number filter portion is not necessarily limited to this. For example, by multiplying both the denominator and numerator of a wavenumber filter by |H z dc(coil) |, |H z dc(coil) |, |∂H z dc(coil) /∂z|, and |∂ 2 Instead of the two ratios between H z dc(coil) /∂z 2 | (Equations (66') and (67')), |H z dc(coil) |, |∂H z dc(coil) /∂z| and |∂ 2 H z dc(coil) /∂z 2 | may be used as coefficients. Also, as in the case of DC magnetic field measurement, for example, if the constant C 2 is non-zero, the two ratios of |C 1 |/|C 2 | and |C 3 |/|C 2 | can be used as coefficients. is also possible. Such a wavenumber filter is expressed as follows.

Figure 2024025989000160
(式中、CはCと同符号)、
Figure 2024025989000160
(In the formula, C 3 has the same sign as C 1 ),

Figure 2024025989000161
(式中、CはCと異符号;ε”は任意に定められる微小実定数であり、その選び方及び好ましい範囲はε’と同様である。)
また例えば定数Cが非ゼロであれば、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を係数として用いるように式変形を行うことも可能である。そのような波数フィルタは次のように表される。
Figure 2024025989000161
(In the formula, C3 has a different sign from C1 ; ε'' is an arbitrarily determined infinitesimal real constant, and its selection and preferred range are the same as ε'.)
For example, if the constant C 3 is non-zero, it is also possible to transform the equation so that the two ratios of |C 1 |/|C 3 | and |C 2 |/|C 3 | are used as coefficients. . Such a wavenumber filter is expressed as follows.

Figure 2024025989000162
(式中、CはCと同符号)
Figure 2024025989000162
(In the formula, C 3 has the same sign as C 1 )

Figure 2024025989000163
(式中、CはCと異符号;ε’’’は任意に定められる微小実定数であり、その選び方及び好ましい範囲はε’と同様である。)
ただし、汎用性の高さ及び計算の安定性の観点からは、上記式(108a’)~(108c’)及び式(109a’)~(109c’)におけるように、|C|/|C|及び|C|/|C|の2つの比を、波数フィルタ部分の係数として用いることが好ましい。
Figure 2024025989000163
(In the formula, C 3 has a different sign from C 1 ; ε''' is an arbitrarily determined infinitesimal real constant, and its selection method and preferred range are the same as ε'.)
However, from the viewpoint of high versatility and stability of calculation, |C 2 |/|C It is preferable to use two ratios of 1 | and |C 3 |/|C 1 | as coefficients of the wave number filter section.

直流磁場測定の場合と同様に、αは磁場の2階微分の測定感度係数であり、Cに対応する。αは磁場の1階微分の測定感度係数であり、Cに対応する。αは磁場の測定感度係数であり、Cに対応する。測定感度係数α、α、及びαは、定数C、C、及びCの定義(式(13’))を介して、相互に比例している。信号強度を較正する操作は、測定感度係数のいずれかを求めることに対応する。交流磁場の発生源として空芯コイルを用いている場合には、測定感度係数α、α、及びαのいずれか一つが定まったならば、空芯コイルの式(15)及び定数C、C、及びCの定義(式(13))から、残る2つの測定感度係数も求めることができる。例えば、磁場の測定感度係数αが定まったならば、磁場の2階微分の測定感度係数α、及び磁場の1階微分の測定感度係数αは、 As in the case of DC magnetic field measurements, α 1 is the measurement sensitivity coefficient of the second derivative of the magnetic field and corresponds to C 1 . α 2 is the measurement sensitivity coefficient of the first derivative of the magnetic field and corresponds to C 2 . α 3 is the measurement sensitivity coefficient of the magnetic field and corresponds to C 3 . The measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 and α 3 are proportional to each other via the definition of constants C 1 , C 2 and C 3 (Equation (13′)). The operation of calibrating the signal strength corresponds to determining one of the measurement sensitivity coefficients. When an air-core coil is used as the source of the AC magnetic field, once any one of the measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 , and α 3 is determined, the equation (15) and constant C of the air-core coil can be calculated. From the definitions of 1 , C 2 , and C 3 (Equation (13)), the remaining two measurement sensitivity coefficients can also be determined. For example, if the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field is determined, the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second derivative of the magnetic field and the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first derivative of the magnetic field are:

Figure 2024025989000164
で求めることができる。また例えば、磁場の2階微分の測定感度係数αが定まったならば、及び磁場の1階微分の測定感度係数α、及び磁場の測定感度係数α
Figure 2024025989000164
It can be found by For example, if the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second derivative of the magnetic field is determined, the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first derivative of the magnetic field, and the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field are

Figure 2024025989000165
で求めることができる。また例えば、磁場の1階微分の測定感度係数αが定まったならば、磁場の2階微分の測定感度係数α、及び磁場の測定感度係数α
Figure 2024025989000165
It can be found by For example, if the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first derivative of the magnetic field is determined, the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second derivative of the magnetic field and the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field are

Figure 2024025989000166
で求めることができる。
Figure 2024025989000166
It can be found by

波数フィルタの抽出結果から実空間の交流磁場を算出することは、直流磁場測定の場合と同様に、
(a)波数フィルタによる交流磁場の振幅のz方向(探針の振動方向)についての2階微分の抽出結果(式(108a)又は(109a))をフーリエ空間でz方向に2回積分する操作を行うこと(工程(h2-0))により、交流磁場の振幅のフーリエ変換の情報を得た後、これをk、kについて二次元逆フーリエ変換すること(工程(i2-0))、
(b)波数フィルタによる交流磁場の振幅のz軸方向(探針の振動方向)についての1階微分の抽出結果(式(108b)又は(109b))をフーリエ空間でz方向に1回積分する操作を行うこと(工程(h1-0))により、磁場のフーリエ変換の情報を得た後、これをk、kについて二次元逆フーリエ変換すること(工程(i1-0))、又は、
(c)波数フィルタによる交流磁場の振幅の抽出結果(式(108c)又は(109c))をk、kについて二次元逆フーリエ変換すること(工程(i0))、
により行うことができる。ただし、外部直流磁場Hdcの発生源として空芯コイルを用いた場合には、信号強度を高める観点から、(a)又は(c)が好ましい。また、波数フィルタにより抽出される成分の中では2階微分が最も情報量が豊富であるので、2階微分に含まれる情報量を活かす観点からは(a)が好ましい。ただし、2階微分をフーリエ空間で2回積分して得られる磁場は、(k,k)=(0,0)の成分(面内座標によらない一定値成分)を含まないので、(k,k)≠(0,0)の成分については(a)により得て、測定感度および(k,k)=(0,0)の一定値成分の較正を(c)により行うことが特に好ましい。
Calculating the AC magnetic field in real space from the extraction results of the wave number filter is similar to the case of DC magnetic field measurement.
(a) Integrating the second-order differential extraction result (Equation (108a) or (109a)) with respect to the z-direction (vibration direction of the probe) of the amplitude of the alternating current magnetic field using a wavenumber filter twice in the z-direction in Fourier space (step (h2-0)) to obtain information on the Fourier transform of the amplitude of the alternating magnetic field, and then perform a two-dimensional inverse Fourier transform on this for k x and k y (step (i2-0)) ,
(b) Integrate the first-order differential extraction result (Equation (108b) or (109b)) in the z-axis direction (probe vibration direction) of the amplitude of the alternating magnetic field by the wave number filter once in the z-direction in Fourier space. After obtaining information on the Fourier transform of the magnetic field by performing the operation (step (h1-0)), this is subjected to two-dimensional inverse Fourier transform for k x and k y (step (i1-0)), or ,
(c) performing two-dimensional inverse Fourier transform on the extraction result of the amplitude of the alternating current magnetic field (formula (108c) or (109c)) by the wave number filter with respect to k x and k y (step (i0));
This can be done by However, when an air-core coil is used as the source of the external DC magnetic field H dc , (a) or (c) is preferable from the viewpoint of increasing signal strength. Further, among the components extracted by the wave number filter, the second-order differential has the richest amount of information, so (a) is preferable from the viewpoint of making use of the amount of information included in the second-order differential. However, the magnetic field obtained by integrating the second-order differential twice in Fourier space does not include the component (k x , k y ) = (0, 0) (a constant value component that does not depend on in-plane coordinates), so The component of (k x , k y )≠(0,0) is obtained by (a), and the measurement sensitivity and the calibration of the constant value component of (k x , k y )=(0,0) are obtained by (c). It is particularly preferable to carry out by.

上記(c)の場合を式に表すと次の通りである。 The above case (c) is expressed as follows.

Figure 2024025989000167
上記(c)の場合においては、面内座標(x,y)に依存しない一定値成分(すなわち(k,k)=(0,0)の成分)の情報も波数フィルタの抽出結果に含まれているので、逆フーリエ変換により一定値成分を含む交流磁場振幅像を直接得ることができる。ここで、交流磁場について「一定値成分」とは、振幅が走査領域内で均一である成分を意味する。
Figure 2024025989000167
In case (c) above, information on constant value components that do not depend on in-plane coordinates (x, y) (i.e., components of (k x , k y ) = (0, 0)) is also included in the extraction results of the wave number filter. Therefore, an alternating current magnetic field amplitude image including constant value components can be directly obtained by inverse Fourier transform. Here, the "constant value component" of the alternating current magnetic field means a component whose amplitude is uniform within the scanning region.

上記(a)の場合において、波数フィルタによる交流磁場の振幅の2階微分の抽出結果(式(108a)又は(109a))をフーリエ空間でz方向に2回積分する操作(工程(h2-0))は、次の関係を用いて行うことができる。 In the case of (a) above, the operation (step (h2-0 )) can be done using the following relationship.

Figure 2024025989000168
このスペクトルを二次元逆フーリエ変換することにより、交流磁場の振幅の一定値成分を含まない交流磁場振幅像を得ることができる(工程(i2-0))。これを式に表すと次の通りである。
Figure 2024025989000168
By subjecting this spectrum to two-dimensional inverse Fourier transform, an AC magnetic field amplitude image that does not include a constant value component of the amplitude of the AC magnetic field can be obtained (step (i2-0)). This can be expressed as follows.

Figure 2024025989000169
Figure 2024025989000169

また、上記(b)の場合において、波数フィルタによる交流磁場の振幅の1階微分の抽出結果(式(108b)又は(109b))をフーリエ空間でz方向に1回積分する操作(工程(h1-0))は、次の関係を用いて行うことができる。 In the case of (b) above, the operation (step (h1 -0)) can be done using the following relationship.

Figure 2024025989000170
上記(a)の場合と同様に、このスペクトルを二次元逆フーリエ変換することにより、交流磁場の振幅の一定値成分を含まない交流磁場振幅像を得ることができる(工程(i1-0))。これを式に表すと次の通りである。
Figure 2024025989000170
As in the case of (a) above, by performing two-dimensional inverse Fourier transform on this spectrum, it is possible to obtain an AC magnetic field amplitude image that does not include a constant value component of the amplitude of the AC magnetic field (step (i1-0)). . This can be expressed as follows.

Figure 2024025989000171
Figure 2024025989000171

上記式(44’)により得られる磁場像H ac(sample)(x,y,z)と、上記式(46’)又は(48’)により得られる磁場像H ac(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))との違いは、磁場の一定値成分((k,k)=(0,0)の成分)が前者には含まれているのに対し、後者には含まれていない点である。 The magnetic field image H z ac(sample) (x, y, z) obtained by the above equation (44') and the magnetic field image H z ac(sample) (x , y, z; (k x , k y ) ≠ (0, 0)) is that the constant value component of the magnetic field ((k x , k y ) = (0, 0) component) is The latter is not included, whereas the latter is not.

交流磁場を測定する場合における磁場値の較正(工程(j))も、直流磁場測定の場合と同様に考えることができる。例えば、上記式(108a’)~(108c’)及び式(109a’)~(109c’)(又は式(108a’’)~(108c’’)及び式(109a’’)~(109c’’)、又は式(108a’’’)~(108c’’’)及び式(109a’’’)~(109c’’’))を踏まえて、磁場値の較正を次のように行うことが可能である(工程(j10)~(j13))。外部直流磁場H dcに平行な方向であって、強度のわかった空間的に一様な外部交流磁場H ac(ex)を、探針に印加した条件で、各面内座標(x,y)について測定を行う。ここで、外部交流磁場H ac(ex)は、交流磁場H ac(sample)と同一の周波数を有する。外部交流磁場H ac(ex)が空間的に一様であるとは、走査領域内の全ての画素(各面内座標(x,y))の位置で、H ac(ex)の振幅および位相が等しいと見なせることを意味する。この条件が満たされれば磁場の勾配、∂H ac(ex)/∂z(x,y,z)、∂ ac(ex)/∂z(x,y,z)は必ずしもゼロ近傍でなくてもよい。そのような外部交流磁場は、例えば、外部交流磁場発生器3700の電磁石のコイル3720に交流電流を供給することにより、発生させることができる。空間的に一様な外部交流磁場H ac(ex)を探針に印加した条件で各面内座標(x,y)について測定を行うことは、例えば、外部交流磁場発生器3700の電磁石のコイル3720に供給する交流電流、及び、外部交流磁場発生器3700の電磁石と探針10との位置関係を同一に保ちながら、走査領域を探針10で走査することにより行うことができる。そのような走査は、例えば、外部交流磁場発生器3700の電磁石と探針10との位置関係を固定して、試料のみを面内方向に移動させることにより、行うことができる。また例えば、直流磁場源として空芯コイルを用いている場合には、空間的に一様な外部交流磁場H ac(ex)は、直流電流に重畳して交流電流を空芯コイルに供給することにより発生させることも可能である。
交流磁場Hac(sample)cos(ωt)を測定する際に、直流磁場H dcとともに、交流磁場Hac(sample)cos(ωt)と同一の周波数を有する、空間的に一様な外部交流磁場H ac(ex)cos(ωt+φ)を印加する(ただしH ac(ex)はH ac(sample)と同符号とする。)と、式(12’)は
Calibration of the magnetic field value when measuring an alternating current magnetic field (step (j)) can also be considered in the same way as when measuring a direct current magnetic field. For example, the above formulas (108a') to (108c') and formulas (109a') to (109c') (or formulas (108a'') to (108c'') and formulas (109a'') to (109c'' ), or based on equations (108a''') to (108c''') and equations (109a''') to (109c''')), it is possible to calibrate the magnetic field value as follows. (Steps (j10) to (j13)). Each in - plane coordinate ( x, y). Here, the external AC magnetic field H z ac(ex) has the same frequency as the AC magnetic field H z ac(sample) . The external AC magnetic field H z ac (ex) is spatially uniform, which means that the amplitude of H z ac (ex) at the position of all pixels (each in-plane coordinate (x, y)) within the scanning area is This means that the phases can be considered equal. If this condition is satisfied, the gradient of the magnetic field, ∂H z ac(ex) /∂z(x, y, z), ∂ 2 H z ac(ex) /∂z 2 (x, y, z) is not necessarily zero. It doesn't have to be nearby. Such an external alternating magnetic field can be generated, for example, by supplying an alternating current to the electromagnetic coil 3720 of the external alternating magnetic field generator 3700. For example, measuring each in-plane coordinate (x, y) under the condition that a spatially uniform external alternating current magnetic field H z ac (ex) is applied to the probe is performed using the electromagnet of the external alternating current magnetic field generator 3700. This can be done by scanning the scanning area with the probe 10 while keeping the alternating current supplied to the coil 3720 and the positional relationship between the electromagnet of the external alternating magnetic field generator 3700 and the probe 10 the same. Such scanning can be performed, for example, by fixing the positional relationship between the electromagnet of the external AC magnetic field generator 3700 and the probe 10 and moving only the sample in the in-plane direction. For example, when an air-core coil is used as a DC magnetic field source, a spatially uniform external AC magnetic field H z ac(ex) is superimposed on the DC current and supplies AC current to the air-core coil. It is also possible to generate it by
When measuring the alternating current magnetic field H ac(sample) cos(ωt), a spatially uniform external alternating current having the same frequency as the alternating current magnetic field H ac( sample ) cos(ωt) is used together with the direct current magnetic field H z dc. When applying a magnetic field H z ac(ex) cos(ωt+φ) (however, H z ac(ex) has the same sign as H z ac(sample) ), equation (12') becomes

Figure 2024025989000172
となる。Eulerの式に基づき、交流磁場Hac(sample)cos(ωt)はHac(sample)exp(iωt)の実部であり、外部交流磁場H ac(ex)cos(ωt+φ)はH ac(ex)exp(ωt+φ)の実部であるから、式(12’a)は
Figure 2024025989000172
becomes. Based on Euler's equation, the AC magnetic field H ac(sample) cos(ωt) is the real part of H ac(sample) exp(iωt), and the external AC magnetic field H z ac(ex) cos(ωt+φ) is H z ac (ex) is the real part of exp(ωt+φ), so equation (12'a) is

Figure 2024025989000173
の実部となる。H ac(ex)が空間的に一様な場合、
Figure 2024025989000173
is the real part of If H z ac(ex) is spatially uniform,

Figure 2024025989000174
(好ましくは例えば、それぞれ右辺が左辺の1/10未満であり得る。)であるから、さらに
Figure 2024025989000174
(Preferably, for example, each right side may be less than 1/10 of the left side.)

Figure 2024025989000175
となる。式(108c”)又は(109c”)により、磁場の均一成分すなわち(k,k)=(0,0)成分に対応する情報を抽出すると、
Figure 2024025989000175
becomes. When information corresponding to the uniform component of the magnetic field, that is, the (k x , k y )=(0,0) component is extracted using equation (108c") or (109c"),

Figure 2024025989000176
が得られ、これは交流磁場Hac(sample)と外部交流磁場H ac(ex)との位相差φの関数である。式(110)の実部の絶対値はφ=0のとき(すなわち外部交流磁場H ac(ex)の位相が交流磁場Hac(sample)と同位相に調整された条件で測定が行われたとき)最大となり、このとき
Figure 2024025989000176
is obtained, which is a function of the phase difference φ between the alternating magnetic field H ac(sample) and the external alternating magnetic field H z ac(ex) . The absolute value of the real part of equation (110) is when φ = 0 (that is, the measurement is performed under the condition that the phase of the external AC magnetic field H ac (ex) is adjusted to the same phase as the AC magnetic field H ac (sample) ). ) is maximum, and at this time

Figure 2024025989000177
を与える。また式(110)の実部の絶対値はφ=πのとき(すなわち外部交流磁場H ac(ex)が交流磁場Hac(sample)と逆位相に調整された条件で測定が行われたとき)最小となり、このとき
Figure 2024025989000177
give. Furthermore, the absolute value of the real part of equation (110) is measured when φ = π (i.e., the measurement was performed under the condition that the external AC magnetic field H ac (ex) was adjusted to have the opposite phase to the AC magnetic field H ac (sample) ). ) becomes the minimum, and at this time

Figure 2024025989000178
を与える。両者の差(式(110a)-式(110b))を取ることにより
Figure 2024025989000178
give. By taking the difference between the two (Equation (110a) - Equation (110b))

Figure 2024025989000179
が得られる。この値と、外部交流磁場H ac(ex)の均一成分の強度H ac(ex)(k=0,k=0,z)(これは既知である)とから、磁場値の測定感度係数αを求めることができる(工程(j12))。得られた測定感度係数αを用いて、式(44’)により得られる磁場像の信号強度を較正できる。さらに、両者の和(式(110a)+式(110b))は
Figure 2024025989000179
is obtained. From this value and the strength of the uniform component of the external alternating magnetic field H z ac (ex ) (k x =0, k y =0, z) (which is known), the magnetic field value can be calculated. A measurement sensitivity coefficient α 3 can be determined (step (j12)). Using the obtained measurement sensitivity coefficient α 3 , the signal intensity of the magnetic field image obtained by equation (44′) can be calibrated. Furthermore, the sum of both (formula (110a) + formula (110b)) is

Figure 2024025989000180
に等しい。この値と、先に決定された測定感度係数αとから、試料からの交流磁場の均一成分H ac(sample)((k,k)=(0,0),z)を求めることができる(工程(j13))。このようにして求められた磁場の均一成分H ac(sample)((k,k)=(0,0),z)は、式(46’)又は(48’)により得られる磁場像における磁場の均一成分として用いることができる。また、外部交流磁場の発生源に空芯コイルを用いている場合には、さらに、得られた測定感度係数αと、上記式(60’)又は(61’)と、空芯コイルの式(15)とから、磁場の2階微分の測定感度係数α又は磁場の1階微分の測定感度係数αを算出して、式(46’)又は(48’)により得られる磁場像の信号強度を較正することができる。
なお、較正用の磁場H ac(ex)が空間的に一様でない場合には、式(12’b)は
Figure 2024025989000180
be equivalent to. From this value and the previously determined measurement sensitivity coefficient α 3 , find the uniform component of the AC magnetic field from the sample H z ac (sample) ((k x , k y ) = (0, 0), z) (Step (j13)). The homogeneous component of the magnetic field H z ac(sample) ((k x , k y )=(0,0), z) obtained in this way is the magnetic field obtained by equation (46') or (48'). It can be used as a uniform component of the magnetic field in the image. In addition, when an air-core coil is used as the source of the external alternating magnetic field, the obtained measurement sensitivity coefficient α 3 , the above equation (60') or (61'), and the air-core coil equation (15), calculate the measurement sensitivity coefficient α 1 of the second-order differential of the magnetic field or the measurement sensitivity coefficient α 2 of the first-order differential of the magnetic field, and calculate the magnetic field image obtained by equation (46') or (48'). Signal strength can be calibrated.
Note that if the magnetic field for calibration H z ac(ex) is not uniform spatially, equation (12'b) becomes

Figure 2024025989000181
となって、波数フィルタの前提となる式にない第4項:
Figure 2024025989000181
Therefore, the fourth term that is not in the equation, which is the premise of the wave number filter:

Figure 2024025989000182
が測定データに加わることで誤差が生じる。
上記式(110)において、φ=0である状態は、式(110)の実部の絶対値が最大値をとっている状態として見出すことができる。また、φ=πである状態は、式(110)の実部の絶対値が最小値をとっている状態として見出すことができる。
このように、試料において交流磁場が発生している場所については、大きさのみならず位相に関する情報も得ることができる。
Figure 2024025989000182
is added to the measurement data, causing an error.
In the above equation (110), the state where φ=0 can be found as a state in which the absolute value of the real part of equation (110) takes the maximum value. Further, the state where φ=π can be found as a state where the absolute value of the real part of equation (110) takes the minimum value.
In this way, information regarding not only the magnitude but also the phase can be obtained regarding the location where the alternating magnetic field is generated in the sample.

なお、試料において交流磁場が発生していない場所が存在する場合には、位相状態を考慮することなく試料からの交流磁場 H ac(sample)の大きさの較正が可能になる。すなわち、走査領域のうち交流磁場が発生していない面内領域における測定結果を二次元フーリエ変換し、波数フィルタにより磁場成分を抽出すると、式(110)から Note that if there is a place in the sample where no alternating magnetic field is generated, the magnitude of the alternating magnetic field H z ac (sample) from the sample can be calibrated without considering the phase state. In other words, if the measurement results in the in-plane area where no alternating magnetic field is generated in the scanning area are subjected to two-dimensional Fourier transform and the magnetic field components are extracted using a wave number filter, then from equation (110),

Figure 2024025989000183
となるので、波数フィルタにより抽出された値Ψと、外部交流磁場H ac(ex)の強度(これは既知である)とから、ただちに磁場値の測定感度係数αを求めることができる。
Figure 2024025989000183
Therefore, the measurement sensitivity coefficient α 3 of the magnetic field value can be immediately obtained from the value Ψ extracted by the wave number filter and the intensity of the external alternating magnetic field H z ac(ex) (which is known).

また、交流磁場が発生している面内座標(x,y)における交流磁場の位相の解析は、例えば次の手法により可能である。
復調器430の周波数復調信号をロックインアンプ(検出器3440)に入力する。当該入力信号は、角周波数ωで振動する成分を含んでいる。ロックインアンプにはさらに参照信号として、角周波数ωで振動する正弦波(ここではAcos(ωt)とする)を入力する。ロックインアンプの入力信号に含まれる角周波数ωの成分の振幅をR、該成分の(参照信号に対する)位相遅れをφとすると、
ロックインアンプの出力X信号(ロックインX信号)はX=Rcos(φ)、
ロックインアンプの出力Y信号(ロックインY信号)はY=Rsin(φ
となる。Rexp(iφ)=X+iYの関係から、測定されたロックインX信号及びロックインY信号から、次の関係式が得られる。
Furthermore, analysis of the phase of the alternating magnetic field at the in-plane coordinates (x, y) where the alternating magnetic field is generated can be performed, for example, by the following method.
A frequency demodulated signal from demodulator 430 is input to a lock-in amplifier (detector 3440). The input signal includes a component that vibrates at an angular frequency ω. A sine wave vibrating at an angular frequency ω (herein referred to as Acos(ωt)) is further input to the lock-in amplifier as a reference signal. Assuming that the amplitude of the component of angular frequency ω included in the input signal of the lock-in amplifier is R, and the phase delay of this component (with respect to the reference signal) is φ 0 ,
The output X signal of the lock-in amplifier (lock-in X signal) is X=R cos (φ 0 ),
The output Y signal of the lock-in amplifier (lock-in Y signal) is Y=Rsin(φ 0 )
becomes. From the relationship Rexp(iφ 0 )=X+iY, the following relational expression can be obtained from the measured lock-in X signal and lock-in Y signal.

Figure 2024025989000184
上記の関係式から、
位相をΔφ変化させたロックインX信号Rcos(φ+Δφ)=X’、及び
位相をΔφ変化させたロックインY信号Rsin(φ+Δφ)=Y’
は次のように計算できる。
Figure 2024025989000184
From the above relational expression,
Lock-in X signal R cos (φ 0 + Δφ) = X' whose phase is changed by Δφ, and lock-in Y signal R sin (φ 0 + Δφ) = Y' whose phase is changed by Δφ
can be calculated as follows.

Figure 2024025989000185
Δφを連続的に変化させて、一周期の範囲内でX’又はY’を計算し、X’又はY’がゼロになるΔφを求めることにより、位相遅れφを求めることができる。例えば、X’=0、Y’が正ならばφ=π/2-Δφ[rad];X’=0、Y’が負ならばφ=3π/2-Δφ[rad];Y’=0、X’が正ならばφ=-Δφ;Y’=0、X’が負ならばφ=π-Δφ[rad]、として、位相遅れφを求めることができる。さらに、得られた位相遅れφと、参照信号の位相とから、交流磁場の位相を求めることができる。上記の手順を複数の面内座標(x,y)について繰り返し行うことにより、交流磁場が発生している領域における交流磁場の位相分布を求めることも可能である。
Figure 2024025989000185
The phase delay φ 0 can be determined by continuously changing Δφ, calculating X' or Y' within one period, and determining Δφ at which X' or Y' becomes zero. For example, if X'=0 and Y' is positive, φ 0 =π/2-Δφ[rad]; if X'=0 and Y' is negative, φ 0 =3π/2-Δφ[rad]; Y' = 0, if X' is positive, φ 0 = -Δφ; Y' = 0, if X' is negative, φ 0 = π-Δφ [rad], and the phase delay φ 0 can be determined. Furthermore, the phase of the alternating current magnetic field can be determined from the obtained phase delay φ 0 and the phase of the reference signal. By repeating the above procedure for a plurality of in-plane coordinates (x, y), it is also possible to obtain the phase distribution of the alternating magnetic field in the region where the alternating magnetic field is generated.

交流磁場測定装置3000(図7)においては、直流磁場発生器3300が空芯コイル310に直流電流を供給することにより直流磁場を発生させるので、波数フィルタ処理に必要な情報、すなわち、探針位置の直流磁場H dc(coil)並びにその1階微分∂H dc(coil)/∂z及び2階微分∂ dc(coil)/∂zは、空芯コイルの式(15)(元をたどればビオー・サバールの法則)から直接求めることが可能である。これに対して、交流磁場測定装置4000(図9)においては、直流磁場発生器4300が電磁コア4310を備える電磁石のコイル4320に直流電流を供給することにより直流磁場を発生させる。交流磁場測定装置4000におけるように、直流磁場の発生源として空芯コイルではなく、磁心と該磁心に巻回されたコイルとを備える電磁石を用いる場合には、上記式(108a’)~(108c’)及び(109a’)~(109c’)において、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を精度よく評価することは一般に困難である。直流磁場の発生源として電磁石を用いる場合には、例えば、直流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料(標準試料)を観察した結果に基づいて式(44’)、式(46’)又は(48’)により得られた磁場像H ac(sample)(x,y,z)又はH ac(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))に、直流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から式(44’)、式(46’)又は(48’)により算出される磁場像H ac(sample)(x,y,z)又はH ac(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))を合わせるように、式(108a’)~(109c’)及び(109a’)~(109c’)のいずれかにおいて係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を(パラメータフィッティング演算器4800によって)最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を求めることができる(工程(o))。他の実施形態において、直流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料(標準試料)を観察した結果に基づいて得られた2階微分像∂ ac(sample)/∂z(x,y,z)又は∂ ac(sample)/∂z(x,y,z;(x,y)≠(0,0))に、直流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から算出される2階微分像∂ ac(sample)/∂z(x,y,z)又は∂ ac(sample)/∂z(x,y,z;(x,y)≠(0,0))を合わせるように、式(108a’)又は(109a’)において係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を求めてもよい(工程(o))。最適化計算の前に、例えば2つの像の間で像信号の最大値および最小値を揃えるように規格化する等の、前処理を行ってもよい。これら2つの係数を求めることは、定数|C|、|C|、|C|の間の2つの比を求めることと等価であると同時に、探針10の位置における直流磁場H dc(coil)と、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向についての1階微分∂H dc(coil)/∂zと、探針10の位置における直流磁場の、探針10の振動方向についての2階微分∂ dc(coil)/∂zとの間の、2つの比を求めることと等価である。なお直流磁場源として電磁石を用いる場合、探針10の位置における直流磁場H dc(coil)とその2階微分∂ dc(coil)/∂zとは異符号(すなわちCとCとが異符号)であることが多い。交流磁場測定装置4000において、直流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料を観察する際には、切り替えスイッチ4340を電磁石コイル4320の側から空芯コイル310の側に切り替えることにより、直流/交流電流源4330から空芯コイル310に直流電流を供給して測定を行うことができる。電磁石に関する条件が同一である(すなわち同一の電磁石に同一振幅の電流が供給され、電磁石と探針との位置関係が同一である)限り、係数|C|/|C|及び|C|/|C|は同一に保たれる。したがって電磁石に関する条件が同一である限りにおいて、得られた係数|C|/|C|及び|C|/|C|を他の測定にも適用することができる。その後、他の測定において、電磁石に関して同一の条件を適用するとともに、得られた係数|C|/|C|及び|C|/|C|を適用して、上記説明した操作により、磁場値の較正を行うことができる。
一般には、磁場の2階微分の測定結果が最も情報量が豊富であるので、直流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料を観察した結果に基づいて式(48’)により得られた磁場像H ac(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))に、直流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から式(48’)により算出される磁場像H ac(sample)(x,y,z;(x,y)≠(0,0))を合わせるように、式(108c’)又は(109c’)において係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を決定することが好ましい。また、測定ノイズの影響を受けにくいという観点からは、直流磁場の発生源として空芯コイルを用いて同一の試料を観察した結果に基づいて式(44’)により得られた磁場像H ac(sample)(x,y,z)に、直流磁場の発生源として電磁石を用いた測定結果から式(44’)により算出される磁場像H ac(sample)(x,y,z)を合わせるように、式(108c’)又は(109c’)において係数|C|/|C|及び|C|/|C|(並びに任意的に像の定数倍)を最適化することにより、係数|C|/|C|及び|C|/|C|を決定することが好ましい。その後、電磁石に関して同一の条件を適用した他の測定において、先に決定された係数|C|/|C|及び|C|/|C|を適用して、上記説明した操作により、磁場値の較正を行うことができる。
最適化の計算にあたっては、直流磁場測定の場合と同様に、公知の最適化手法を採用することができる。
In the AC magnetic field measurement device 3000 (FIG. 7), the DC magnetic field generator 3300 generates a DC magnetic field by supplying DC current to the air-core coil 310, so information necessary for wave number filtering, that is, the probe position The DC magnetic field H z dc(coil) , its first derivative ∂H z dc(coil) /∂z, and second derivative ∂ 2 H z dc(coil) /∂z 2 are expressed by the air-core coil equation (15). (It can be directly determined from the Biot-Savart law). On the other hand, in the AC magnetic field measuring device 4000 (FIG. 9), the DC magnetic field generator 4300 generates a DC magnetic field by supplying DC current to the coil 4320 of the electromagnet including the electromagnetic core 4310. As in the AC magnetic field measurement device 4000, when an electromagnet having a magnetic core and a coil wound around the magnetic core is used instead of an air-core coil as the source of the DC magnetic field, the above formulas (108a') to (108c) are used. ') and (109a') to (109c'), it is generally difficult to accurately evaluate the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 |. When using an electromagnet as a source of a DC magnetic field, for example, formula (44') and formula (46 ') or (48') The magnetic field image H z ac(sample) (x, y, z) or H z ac(sample) (x, y, z; (x, y)≠(0,0 )), the magnetic field image H z ac(sample) (x, y, Formulas (108a') to (109c') and (109a') to ( 109c') in any of the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | (and optionally a constant multiple of the image). Accordingly, the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | can be obtained (step (o)). In another embodiment, a second-order differential image ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z obtained based on the results of observing the same sample (standard sample) using an air-core coil as a source of a DC magnetic field. 2 (x, y, z) or ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 (x, y, z; (x, y)≠(0,0)), an electromagnet is used as a source of a DC magnetic field. The second-order differential image ∂ 2 Hz ac(sample) /∂z 2 (x, y, z) or ∂ 2 Hz ac(sample ) /∂z 2 (x, y, z) calculated from the measurement results used. ; (x,y)≠(0,0)), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 |( and optionally a constant multiple of the image), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | may be determined (step (o)). Before the optimization calculation, preprocessing may be performed, such as normalization so that the maximum and minimum values of the image signals are the same between the two images. Determining these two coefficients is equivalent to determining the two ratios between the constants |C 1 |, |C 2 |, |C 3 |, and at the same time, the DC magnetic field H z at the position of the probe 10 dc(coil) and the first-order differential of the DC magnetic field at the position of the probe 10 with respect to the vibration direction of the probe 10 ∂H z dc(coil) /∂z and the probe of the DC magnetic field at the position of the probe 10 This is equivalent to finding the two ratios between the second-order differential ∂ 2 Hz dc(coil) /∂z 2 with respect to the vibration direction of the needle 10. Note that when an electromagnet is used as a DC magnetic field source, the DC magnetic field H z dc (coil) at the position of the probe 10 and its second-order differential ∂ 2 H z dc (coil) / ∂z 2 have different signs (that is, C 1 and C 3 is often the opposite sign). In the AC magnetic field measuring device 4000, when observing the same sample using an air-core coil as the source of the DC magnetic field, by switching the changeover switch 4340 from the electromagnetic coil 4320 side to the air-core coil 310 side, Measurement can be performed by supplying direct current to the air core coil 310 from the direct current/alternating current source 4330. As long as the conditions regarding the electromagnets are the same (i.e., the same electromagnet is supplied with a current of the same amplitude, and the positional relationship between the electromagnet and the probe is the same), the coefficients |C 2 | / |C 1 | and |C 3 |/|C 1 | is kept the same. Therefore, the obtained coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | can also be applied to other measurements, as long as the conditions regarding the electromagnets are the same. Thereafter, in other measurements, applying the same conditions for the electromagnet and the obtained coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 |, by the operation described above. , the magnetic field values can be calibrated.
Generally, the measurement result of the second derivative of the magnetic field has the richest amount of information, so it can be obtained using equation (48') based on the results of observing the same sample using an air-core coil as the source of the DC magnetic field. The obtained magnetic field image H z ac (sample) (x, y, z; (x, y)≠(0,0)) is calculated by equation (48') from the measurement results using an electromagnet as the source of the DC magnetic field. In order to match the calculated magnetic field image H z ac(sample) (x, y, z; (x, y)≠(0,0)), the coefficient |C 2 By optimizing the |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | (and optionally a constant multiple of the image), the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/| Preferably, C 1 | is determined. In addition, from the viewpoint of being less susceptible to measurement noise, the magnetic field image H z ac obtained by equation (44') based on the results of observing the same sample using an air-core coil as the source of the DC magnetic field . (sample) (x, y, z) is the magnetic field image H z ac (sample) (x, y, z) calculated by equation (44') from the measurement results using an electromagnet as the source of the DC magnetic field. optimizing the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | (and optionally a constant multiple of the image) in equation (108c') or (109c') to match. It is preferable to determine the coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | by. Thereafter, in other measurements applying the same conditions for the electromagnet, the previously determined coefficients |C 2 |/|C 1 | and |C 3 |/|C 1 | are applied, and the operations described above are performed. , the magnetic field values can be calibrated.
In the optimization calculation, a known optimization method can be employed as in the case of DC magnetic field measurement.

方向変換フィルタ演算器660による磁場方向の変換、すなわち、一方向(例えば垂直(z)方向)の測定結果から、該方向に直交する面内方向(例えば(x,y)方向)における磁場の情報を得ることについても、直流磁場測定の場合と同様に考えることができる。試料からの交流磁場のz(外部直流磁場方向)成分の振幅のz方向(探針の振動方向)における2階微分の、走査領域の面内(x,y)方向についてのフーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)から、交流磁場のx成分の振幅およびy成分の振幅のz方向における2階微分のフーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)及び∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)を、それぞれ Conversion of the magnetic field direction by the direction conversion filter calculator 660, that is, from the measurement results in one direction (for example, the vertical (z) direction), information on the magnetic field in the in-plane direction (for example, the (x, y) direction) perpendicular to the direction Obtaining it can be considered in the same way as in the case of DC magnetic field measurement. Fourier transform of the second derivative in the z direction (vibration direction of the tip) of the amplitude of the z (external DC magnetic field direction) component of the AC magnetic field from the sample in the in-plane (x, y) direction of the scanning region ∂ 2 H From z ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), the Fourier transform of the second derivative of the x-component amplitude and y-component amplitude in the z direction of the alternating magnetic field ∂ 2 H x ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z) and ∂ 2 H y ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), respectively.

Figure 2024025989000186
として得ることができ(工程(k2))、これらを逆フーリエ変換することにより、交流磁場のx成分の振幅およびy成分の振幅の2階微分∂ ac(sample)/∂z(x,y,z)及び∂ ac(sample)/∂z(x,y,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000186
(step (k2)), and by performing inverse Fourier transform on these, the second derivative of the amplitude of the x component and the amplitude of the y component of the alternating magnetic field can be obtained as ∂ 2 H x ac(sample) /∂z 2 ( x, y, z) and ∂ 2 H y ac(sample) /∂z 2 (x, y, z), respectively.

Figure 2024025989000187
として得ることができる(工程(l2))。
Figure 2024025989000187
(Step (l2)).

同様に、試料からの交流磁場のz(外部直流磁場方向)成分の振幅のフーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)から、交流磁場の振幅のx成分およびy成分の振幅のフーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)及びH ac(sample)(k,k,z)を、それぞれ Similarly, from the Fourier transform of the amplitude of the z (external DC magnetic field direction) component of the AC magnetic field from the sample H z ac(sample) (k x , k y , z), we can calculate the x and y components of the amplitude of the AC magnetic field. The Fourier transforms of amplitude H x ac(sample) (k x , k y , z) and H y ac (sample) (k x , k y , z) are respectively

Figure 2024025989000188
として得ることができ(工程(k0))、これらを逆フーリエ変換することにより、交流磁場のx成分の振幅H ac(sample)(x,y,z)及びy成分の振幅H ac(sample)(x,y,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000188
(step (k0)), and by inverse Fourier transforming these, the amplitude of the x component of the alternating current magnetic field H x ac(sample) (x, y, z) and the amplitude of the y component H y ac( sample) (x, y, z), respectively

Figure 2024025989000189
として得ることができる(工程(l0))。この磁場方向変換により得られる面内磁場像H ac(sample)(x,y,z)及びH ac(sample)(x,y,z)は、走査領域内の位置によらない一定値成分を含まない磁場像、すなわちH ac(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))及びH ac(sample)(x,y,z;(k,k)≠(0,0))である。
Figure 2024025989000189
(Step (l0)). The in-plane magnetic field images H x ac(sample) (x, y, z) and H y ac(sample) (x, y, z) obtained by this magnetic field direction conversion have constant values regardless of the position within the scanning area. Magnetic field images that do not contain components, that is, H x ac(sample) (x, y, z; (k x , k y )≠(0,0)) and H y ac(sample) (x, y, z; k x , k y )≠(0,0)).

同様に、試料からの交流磁場のz(外部直流磁場方向)成分のz方向(探針の振動方向)における1階微分のフーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)から、交流磁場のx成分およびy成分の振幅の1階微分のフーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)及び∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)を、それぞれ Similarly, the Fourier transform of the first-order differential in the z direction (vibration direction of the tip) of the z (external DC magnetic field direction) component of the AC magnetic field from the sample is ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y . _ _ _ _ _ ∂z(k x , k y , z), respectively

Figure 2024025989000190
として得ることができ(工程(k1))、これらを逆フーリエ変換することにより、交流磁場のx成分およびy成分の振幅の1階微分∂H ac(sample)/∂z(x,y,z)及び∂H ac(sample)/∂z(x,y,z)を、それぞれ
Figure 2024025989000190
(step (k1)), and by inverse Fourier transforming these, the first-order differential of the amplitude of the x and y components of the alternating magnetic field ∂H x ac(sample) /∂z(x, y, z) and ∂H y ac(sample) /∂z(x, y, z), respectively.

Figure 2024025989000191
として得ることができる(工程(l1))。
Figure 2024025989000191
(Step (l1)).

このように、信号処理装置3600の方向変換フィルタ演算器660における具体的な演算は、直流磁場測定の場合と変わらない。すなわち、z(垂直方向)成分からx成分を得ることは、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力される値に-ik/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。また、z(垂直方向)成分からy成分を得ることは、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力される値に-ik/(k +k 1/2を乗じることにより、行うことができる。 In this way, the specific calculation in the direction conversion filter calculator 660 of the signal processing device 3600 is the same as in the case of DC magnetic field measurement. That is, obtaining the x component from the z (vertical direction) component means that for each combination of wavenumbers (k x , k y ) except (k x , k y )=(0,0), the input value is - This can be done by multiplying by ik x /(k x 2 + k y 2 ) 1/2 . Also, obtaining the y component from the z (vertical direction) component means that for each combination of wave numbers (k x , k y ) except (k x , k y )=(0,0), the input value is - This can be done by multiplying by ik y /(k x 2 +k y 2 ) 1/2 .

距離変換フィルタ演算器670による探針-試料間距離の変換、すなわち、一つの探針-試料間距離(z座標)での測定によって得られた磁場情報から、異なる探針-試料間距離(z+Δz)における磁場情報を求めることについても、直流磁場測定の場合と同様に考えることができる。一つの探針-試料間距離(z座標)における交流磁場の振幅のフーリエ変換H ac(sample)(k,k,z)、H ac(sample)(k,k,z)、及びH ac(sample)(k,k,z)から、探針-試料間距離がΔz異なる位置における交流磁場の振幅のフーリエ変換H ac(sample)(k,k,z+Δz)、H ac(sample)(k,k,z+Δz)、及びH ac(sample)(k,k,z+Δz)を、それぞれ Conversion of the tip-sample distance by the distance conversion filter calculator 670, that is, from the magnetic field information obtained by measurement at one tip-sample distance (z coordinate), a different tip-sample distance (z + Δz ) can be considered in the same way as in the case of DC magnetic field measurement. Fourier transform of the amplitude of the alternating magnetic field at one tip-sample distance (z coordinate) H z ac(sample) (k x , k y , z), H x ac (sample) (k x , k y , z ) and H y ac ( sample ) ( k , z+Δz), H x ac(sample) (k x , k y , z+Δz), and H y ac(sample) (k x , k y , z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000192
として得ることができ(工程(m2))、これらを逆フーリエ変換することにより、探針-試料間距離がΔz異なる位置における交流磁場の振幅H ac(sample)(x,y,z+Δz)、H ac(sample)(x,y,z+Δz)、及びH ac(sample)(x,y,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000192
(Step (m2)), and by performing inverse Fourier transform on these, the amplitude of the alternating magnetic field H z ac(sample) (x, y, z + Δz) at the position where the tip-sample distance differs by Δz, H x ac(sample) (x, y, z+Δz) and H y ac(sample) (x, y, z+Δz), respectively

Figure 2024025989000193
として得ることができる(工程(n2))。
Figure 2024025989000193
(Step (n2)).

交流磁場の振幅の1階微分についても同様に、一つの探針-試料間距離(z座標)における交流磁場の振幅のz方向(探針の振動方向)における1階微分のフーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)、∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)、及び∂H ac(sample)/∂z(k,k,z)から、探針-試料間距離がΔz異なる位置における交流磁場の振幅の1階微分のフーリエ変換∂H ac(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、∂H ac(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、及び∂H ac(sample)/∂z(k,k,z+Δz)を、それぞれ Similarly, regarding the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field, the Fourier transform of the first-order differential in the z direction (the vibration direction of the tip) of the amplitude of the alternating magnetic field at one tip-sample distance (z coordinate) is calculated as ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z), ∂H x ac(sample) /∂z(k x , k y , z), and ∂H y ac(sample) /∂z(k x , k y , z), Fourier transform of the first differential of the amplitude of the alternating magnetic field at a position where the tip-sample distance differs by Δz ∂H z ac(sample) /∂z(k x , k y , z+Δz) , ∂H x ac(sample) /∂z(k x , k y , z+Δz), and ∂H y ac(sample) /∂z(k x , k y , z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000194
として得ることができ(工程(m1))、これらを逆フーリエ変換することにより、探針-試料間距離がΔz異なる位置における交流磁場の振幅の1階微分∂H ac(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、∂H ac(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、及び∂H ac(sample)/∂z(x,y,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000194
(Step (m1)), and by performing inverse Fourier transform on these, the first derivative of the amplitude of the alternating current magnetic field at positions where the tip-sample distance differs by Δz ∂H z ac(sample) /∂z (x, y, z+Δz), ∂H x ac(sample) /∂z(x, y, z+Δz), and ∂H y ac(sample) /∂z(x, y, z+Δz), respectively.

Figure 2024025989000195
として得ることができる(工程(n1))。
Figure 2024025989000195
(Step (n1)).

交流磁場の振幅の2階微分についても同様に、一つの探針-試料間距離(z座標)における交流磁場の振幅のz方向(探針の振動方向)における2階微分のフーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)、∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)、及び∂ ac(sample)/∂z(k,k,z)から、探針-試料間距離がΔz異なる位置における交流磁場の振幅の2階微分のフーリエ変換∂ ac(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、∂ ac(sample)/∂z(k,k,z+Δz)、及び∂ ac(sample)/∂z(k,k,z+Δz)を、それぞれ Similarly, regarding the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field, the Fourier transform of the second derivative in the z direction (vibration direction of the tip) of the amplitude of the alternating magnetic field at one tip-sample distance (z coordinate) is calculated by ∂ 2 H z ac(sample) /∂z 2 (k x , k y , z), ∂ 2 H x ac (sample) /∂z 2 (k x , k y , z), and ∂ 2 H y ac (sample) /∂z 2 (k x , k y , z), the Fourier transform of the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at positions where the tip-sample distance differs by Δz ∂ 2 H z ac(sample) /∂z 2 ( k _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ,z+Δz), respectively

Figure 2024025989000196
として得ることができ(工程(m2))、これらを逆フーリエ変換することにより、探針-試料間距離がΔz異なる位置における交流磁場の振幅の2階微分∂ ac(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、∂ ac(sample)/∂z(x,y,z+Δz)、及び∂ ac(sample)/∂z(x,y,z+Δz)を、それぞれ
Figure 2024025989000196
(Step (m2)), and by inverse Fourier transforming these, the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at positions where the tip-sample distance differs by Δz 2 H z ac(sample) /∂ z 2 (x, y, z+Δz), ∂ 2 H x ac(sample) /∂z 2 (x, y, z+Δz), and ∂ 2 H y ac(sample) /∂z 2 (x, y, z+Δz) , respectively

Figure 2024025989000197
として得ることができる(工程(n2))。
Figure 2024025989000197
(Step (n2)).

このように、信号処理装置3600の距離変換フィルタ演算器670における具体的な演算は、直流磁場測定の場合と変わらない。すなわち、第1の探針位置z=z’及び仮想的な第2の探針位置z=z’+Δzについて、(k,k)=(0,0)を除く波数の各組み合わせ(k,k)について、入力される値にexp(-(k +k 1/2Δz)を乗じる処理が行われる。 In this way, the specific calculation in the distance conversion filter calculator 670 of the signal processing device 3600 is the same as in the case of DC magnetic field measurement. That is, for the first probe position z=z' and the virtual second probe position z=z'+Δz, each combination of wave numbers (k x , k y ), the input value is multiplied by exp(−(k x 2 +k y 2 ) 1/2 Δz).

以下に、実施例にて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using Examples, but the present invention is not limited to the Examples.

<実施例1>
交流磁場発生器300が空芯コイル310を備える本発明の直流磁場測定装置1000(図4)を用いて、本発明の直流磁場測定方法により、永久磁石20(NdFeB磁石)から発生する直流磁場Hdc(sample)を測定した。用いた空芯コイル310の平面図(写真)を図10に示す。空芯コイル310は、直径1.0mmのポリウレタン銅線を用いて作製した平型2層構造の空芯コイルであり、その巻数は合計14回である。このような空芯コイルから発生する磁場およびその勾配は、ビオー・サバールの法則に基づいて計算することができる。
<Example 1>
The DC magnetic field H generated from the permanent magnet 20 (NdFeB magnet) is measured by the DC magnetic field measuring method of the present invention using the DC magnetic field measuring device 1000 (FIG. 4) of the present invention in which the AC magnetic field generator 300 includes an air-core coil 310. dc(sample) was measured. A plan view (photograph) of the air-core coil 310 used is shown in FIG. The air-core coil 310 is a flat two-layer air-core coil made of polyurethane copper wire with a diameter of 1.0 mm, and has a total of 14 turns. The magnetic field generated from such an air-core coil and its gradient can be calculated based on the Biot-Savart law.

超常磁性探針10は、空芯コイル310の中心軸上に配置された。超常磁性探針10は、非磁性(Si製)の原子間力顕微鏡(AFM)用探針の表面に、膜厚100nmの超常磁性被膜(Co-GdO)をスパッタリングにより設けて作製したものである。 The superparamagnetic probe 10 was placed on the central axis of the air-core coil 310. The superparamagnetic probe 10 was fabricated by sputtering a 100 nm thick superparamagnetic coating (Co-GdO x ) on the surface of a non-magnetic (Si) probe for atomic force microscopy (AFM). be.

ピエゾ素子を備える励振器200を用いて、超常磁性探針10を一方の端部に有するカンチレバー100を大気中で励振させた(工程(a))。交流電流源320から空芯コイル310に周波数367Hzの交流電流を供給することにより、空芯コイル310から、探針の振動方向の交流磁場H ac(coil)を探針10に印加し、これにより。カンチレバー100の励振振動を周波数変調させた(工程(b))。 The cantilever 100 having the superparamagnetic probe 10 at one end was excited in the atmosphere using an exciter 200 including a piezo element (step (a)). By supplying an alternating current with a frequency of 367 Hz from the alternating current source 320 to the air-core coil 310, an alternating current magnetic field H z ac (coil) in the vibration direction of the probe is applied to the probe 10 from the air-core coil 310. By. The excitation vibration of the cantilever 100 was frequency modulated (step (b)).

なお、探針10の位置における交流磁場の振幅H ac(coil)、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分∂ ac(coil)/∂zの値は、非ゼロである。 The values of the amplitude H z ac (coil) of the alternating current magnetic field at the position of the probe 10 and the second-order differential ∂ 2 H z ac (coil) /∂z 2 of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are as follows. , is non-zero.

振動センサー400を用いて探針10の振動を検出し、探針10の振動の検出信号を、PLL回路を備えるFM復調器430を用いて周波数復調した(工程(c))。ロックインアンプを備える検出器440により、交流電流源320からの信号を参照信号として用いて、当該周波数復調された信号をロックイン検出することにより、上記周波数復調された信号に含まれる交流磁場H ac(coil)の周波数の成分の強度を測定した(工程(d))。永久磁石試料20の表面上方であって、探針10の振動方向に交差する面内に設定された走査領域(縦5μm×横5μmの正方形領域)を、走査機構500を用いて探針10に走査させることにより、走査領域内に設定された各面内座標(x,y)について、上記工程(a)~(d)を行った(工程(e))。各面内座標(x,y)は、二次元フーリエ変換の処理を容易にするため、正方形状の走査領域中に、縦256点×横256点の格子状に配置された。走査は、探針の面内位置を固定し、試料20が載置されたX-Y-Z3軸ステージを面内(X,Y)方向に動かすことにより行った。各面内座標における工程(d)の測定結果は、信号処理装置600が備えるメモリー610に、その測定結果が得られた面内座標(x,y)と対応付けられて記憶された。メモリー610に記憶された、走査領域における工程(d)の測定結果に対応する情報を、フーリエ変換器620により、走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換した(工程(f))。 The vibration of the probe 10 was detected using the vibration sensor 400, and the frequency of the detection signal of the vibration of the probe 10 was demodulated using the FM demodulator 430 including a PLL circuit (step (c)). The detector 440 equipped with a lock-in amplifier performs lock-in detection on the frequency demodulated signal using the signal from the AC current source 320 as a reference signal, thereby detecting the AC magnetic field H contained in the frequency demodulated signal. The intensity of the frequency component of z ac (coil) was measured (step (d)). A scanning area (a square area of 5 μm in height x 5 μm in width) set above the surface of the permanent magnet sample 20 in a plane intersecting the vibration direction of the probe 10 is scanned by the probe 10 using the scanning mechanism 500. By scanning, the above steps (a) to (d) were performed for each in-plane coordinate (x, y) set within the scanning area (step (e)). Each in-plane coordinate (x, y) was arranged in a grid of 256 vertical points x 256 horizontal points in a square scanning area in order to facilitate two-dimensional Fourier transformation processing. Scanning was performed by fixing the in-plane position of the probe and moving the XYZ three-axis stage on which the sample 20 was placed in the in-plane (X, Y) directions. The measurement results of step (d) at each in-plane coordinate were stored in the memory 610 included in the signal processing device 600 in association with the in-plane coordinate (x, y) at which the measurement result was obtained. The information stored in the memory 610 and corresponding to the measurement results in step (d) in the scanning region was subjected to two-dimensional Fourier transform in the in-plane direction of the scanning region by the Fourier transformer 620 (step (f)).

工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、第1の波数フィルタ演算器631により、直流磁場Hdc(sample)の交流磁場H ac(coil)に平行な成分H dc(sample)の、走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報を抽出した(工程(g0))。H dc(sample)(k,k,z)に対応する情報に基づいて、逆フーリエ変換器640により二次元逆フーリエ変換を行い、走査領域内の各面内座標(x,y)について、直流磁場の交流磁場に平行な成分H dc(sample)(x,y,z)に対応する値を得た(工程(i0))。 From the Fourier transform information obtained in step (f), the first wave number filter calculator 631 calculates a component of the DC magnetic field H dc (sample) parallel to the AC magnetic field H z ac (coil) H z dc (sample) Information corresponding to the two-dimensional Fourier transform H z dc(sample) (k x , k y , z) in the in-plane direction of the scanning region was extracted (step (g0)). Based on the information corresponding to H z dc(sample) (k x , k y , z), the inverse Fourier transformer 640 performs two-dimensional inverse Fourier transform, and each in-plane coordinate (x, y) in the scanning area is , a value corresponding to the component H z dc(sample) (x, y, z) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field was obtained (step (i0)).

得られた磁場像の測定感度およびゼロ点の較正を、外部直流磁場発生器700を用いて行った(工程(j))。まず、外部直流磁場発生器700から外部直流磁場を探針10に印加していない状態で、上記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行って得られた、直流磁場Hdc(sample)の交流磁場H ac(coil)に平行な成分H dc(sample)(x’,y’,z)に対応する値がゼロとなる、走査領域内の第2の面内座標(x’,y’)の群(等値線)を特定した(工程(j3))。図11(A)は、外部直流磁場を印加していないときのH dc(sample)(x,y,z)像であり、図11(B)は、H dc(sample)=0Oeの等値線を表した図である。 The measurement sensitivity and zero point of the obtained magnetic field image were calibrated using an external DC magnetic field generator 700 (step (j)). First, a DC magnetic field obtained by performing the above steps (a) to (f) and (g0) to (i0) without applying an external DC magnetic field to the probe 10 from the external DC magnetic field generator 700. A second plane in the scanning region where the value corresponding to the component H z dc (sample) (x', y', z) parallel to the alternating magnetic field H z ac (coil) of H dc (sample) is zero. A group (isovalue line) of internal coordinates (x', y') was identified (step (j3)). FIG. 11(A) is a H z dc(sample) (x, y, z) image when no external DC magnetic field is applied, and FIG. 11(B) is an image of H z dc(sample) =0Oe. It is a diagram showing isovalue lines.

次に、交流磁場に平行な成分の強度がHdc(ex)(=-600Oe、又は-1kOe)である外部直流磁場を、外部直流磁場発生器700から探針に印加しながら、上記工程(a)~(f)及び(g0)~(i0)を行い、工程(i0)で得られる、直流磁場の交流磁場に平行な成分H dc(sample)(x”,y”,z)に対応する値がゼロとなる、走査領域内の第1の面内座標(x”,y”)の群(等値線)を特定した(工程(j1))。図11(C)は、Hdc(ex)=-600Oeの外部直流磁場を印加したときのH dc(sample)(x,y,z)像であり、図11(D)は、H dc(sample)=600Oeの等値線を表した図である。また、図11(E)は、Hdc(ex)=-1kOeの外部直流磁場を印加したときのH dc(sample)(x,y,z)像であり、図11(F)は、H dc(sample)=1kOeの等値線を表した図である。 Next, the above step ( Perform steps a) to (f) and (g0) to (i0), and convert the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field H z dc(sample) (x”, y”, z) obtained in step (i0) to A group (isovalue lines) of the first in-plane coordinates (x", y") within the scanning region whose corresponding value is zero was identified (step (j1)). FIG. 11(C) is a H z dc(sample) (x, y, z) image when an external DC magnetic field of H dc(ex) =-600 Oe is applied, and FIG. 11(D) is an H z dc(sample) (x, y, z ) image. It is a figure showing the isopleth line of dc (sample) =600Oe. Furthermore, FIG. 11(E) is a H z dc(sample) (x, y, z) image when an external DC magnetic field of H dc(ex) =-1 kOe is applied, and FIG. 11(F) is It is a figure showing the isopleth line of Hzdc (sample) =1kOe.

直流磁場Hdc(sample)の交流磁場H ac(coil)に平行な成分H dc(sample)の値が、上記第1の面内座標(x’,y’)で-Hdc(ex)となり、かつ上記第2の面内座標(x”,y”)でゼロとなるように、直流磁場Hdc(sample)の交流磁場H ac(coil)に平行な成分H dc(sample)の、走査領域内の各面内座標(x,y)における強度および一定値成分を較正した(工程(j4))。図11(G)は、較正後のH dc(sample)(x,y,z)像である。図11(G)中、縦軸の単位は[Oe]である。この較正により、測定感度係数α、α、及びα、並びに磁場の一定値成分が求められた。 The value of the component H z dc (sample) of the DC magnetic field H dc (sample) parallel to the AC magnetic field H z ac (coil) is −H dc (ex ) , and the component H z dc (sample) parallel to the alternating current magnetic field H z ac (coil) of the DC magnetic field H dc (sample) is zero at the second in-plane coordinates (x", y ") . ) , the intensity and constant value component at each in-plane coordinate (x, y) within the scanning region were calibrated (step (j4)). FIG. 11(G) is an H z dc(sample) (x, y, z) image after calibration. In FIG. 11(G), the unit of the vertical axis is [Oe]. This calibration determined the measurement sensitivity coefficients α 1 , α 2 , and α 3 as well as the constant value component of the magnetic field.

さらに、外部直流磁場を印加しない状態での測定に基づいて工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、第2の波数フィルタ演算器632により、直流磁場の交流磁場に平行な成分H dc(sample)の探針10の振動方向についての2階微分∂ dc(sample)/∂zの、走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換∂ dc(sample)/∂z(k,k,z;(k,k)≠(0,0))に対応する情報を抽出した(工程(g2))。工程(g2)で抽出された情報を、第1の積分フィルタ演算器651により、直流磁場の交流磁場に平行な成分H dc(sample)の、走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換H dc(sample)(k,k,z;(k,k)≠(0,0))に対応する情報に変換した(工程(h2-0))。工程(h2-0)で得られた情報に基づいて、逆フーリエ変換器640により二次元逆フーリエ変換を行い、走査領域内の各面内座標(x,y)について、直流磁場の交流磁場に平行な成分H dc(sample)(x,y,z)に対応する値を得た(工程(i2-0))。また、工程(g2)で得られた情報に基づいて、フーリエ変換器640により二次元逆フーリエ変換を行い、走査領域内の各面内座標(x,y)について、直流磁場の交流磁場に平行な成分H dc(sample)の、探針10の振動方向についての2階微分∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)に対応する値を得た(工程(i2-2))。図12(A)は、工程(i2-2)で得られた、直流磁場の2階微分∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)像である。図12(B)は、工程(i2-0)で得られた、直流磁場H dc(sample)(x,y,z)像である。これらの∂ dc(sample)/∂z(x,y,z)像およびH dc(sample)(x,y,z)像は、上記工程(j)の較正結果に基づいて、さらに較正することができた。 Further, from the Fourier transform information obtained in step (f) based on the measurement without applying an external DC magnetic field, the second wave number filter calculator 632 calculates the component H z of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field. Second-order differential of dc(sample) with respect to the vibration direction of the probe 10 ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z Two-dimensional Fourier transform of 2 with respect to the in-plane direction of the scanning region ∂ 2 Hz dc(sample) /∂z 2 (k x , k y , z; (k x , k y )≠(0,0)) was extracted (step (g2)). The information extracted in step (g2) is subjected to two-dimensional Fourier transform of the component H z dc (sample) of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning region by the first integral filter calculator 651. It was converted into information corresponding to H z dc(sample) (k x , k y , z; (k x , k y )≠(0,0)) (step (h2-0)). Based on the information obtained in step (h2-0), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed by the inverse Fourier transformer 640, and for each in-plane coordinate (x, y) within the scanning area, the direct current magnetic field is converted into an alternating current magnetic field. A value corresponding to the parallel component H z dc(sample) (x, y, z) was obtained (step (i2-0)). Also, based on the information obtained in step (g2), a two-dimensional inverse Fourier transform is performed by the Fourier transformer 640, and for each in-plane coordinate (x, y) in the scanning area, parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field. The value corresponding to the second differential ∂ 2 Hz dc(sample) / ∂z 2 (x, y, z) of the component H z dc(sample) with respect to the vibration direction of the probe 10 was obtained (step ( i2-2)). FIG. 12(A) is a second-order differential ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (x, y, z) image of the DC magnetic field obtained in step (i2-2). FIG. 12(B) is a DC magnetic field H z dc(sample) (x, y, z) image obtained in step (i2-0). These ∂ 2 H z dc(sample) /∂z 2 (x, y, z) images and Hz dc (sample) (x, y, z) images are calculated based on the calibration results of step (j) above. , could be further calibrated.

1 芯部材
2 カンチレバー
3 磁性被膜
41 チャンバ
42 回転保持台
43 回転駆動軸
44 強磁性元素ターゲット
45 非磁性元素ターゲット
10 探針(超常磁性探針)
20、20’ 試料
100 カンチレバー
200 励振器
300、2300 交流磁場発生器
3300、4300 直流磁場発生器
2340 切り替えスイッチ
310 空芯コイル
320、3730 交流電流源
2330 交流/直流電流源
4330 直流/交流電流源
400 振動センサー
410 光源
420 光学変位センサー
430 復調器(FM復調器)
440、3440 検出器(ロックインアンプ等)
500 走査機構
600、3600 信号処理装置
610 記憶装置(メモリー)
620 フーリエ変換器
631、3631 第1の波数フィルタ演算器
632、3632 第2の波数フィルタ演算器
633、3633 第3の波数フィルタ演算器
640 逆フーリエ変換器
651 第1の積分フィルタ演算器
652 第2/第3の積分フィルタ演算器
660 方向変換フィルタ演算器
670 距離変換フィルタ演算器
700 外部直流磁場発生器
3700 外部交流磁場発生器
710、2310 (電磁石の)電磁コア
720、2320 (電磁石の)コイル
730、3320 直流電流源
2800、4800 パラメータフィッティング演算器
1000、2000 直流磁場測定装置
3000、4000 交流磁場測定装置
1 Core member 2 Cantilever 3 Magnetic coating 41 Chamber 42 Rotation holding table 43 Rotation drive shaft 44 Ferromagnetic element target 45 Non-magnetic element target 10 Probe (superparamagnetic probe)
20, 20' Sample 100 Cantilever 200 Exciter 300, 2300 AC magnetic field generator 3300, 4300 DC magnetic field generator 2340 Selector switch 310 Air-core coil 320, 3730 AC current source 2330 AC/DC current source 4330 DC/AC current source 400 Vibration sensor 410 Light source 420 Optical displacement sensor 430 Demodulator (FM demodulator)
440, 3440 Detector (lock-in amplifier, etc.)
500 Scanning mechanism 600, 3600 Signal processing device 610 Storage device (memory)
620 Fourier transformer 631, 3631 First wave number filter calculator 632, 3632 Second wave number filter calculator 633, 3633 Third wave number filter calculator 640 Inverse Fourier transformer 651 First integral filter calculator 652 Second /Third integral filter calculator 660 Direction conversion filter calculator 670 Distance conversion filter calculator 700 External DC magnetic field generator 3700 External AC magnetic field generator 710, 2310 Electromagnetic core (of the electromagnet) 720, 2320 Coil (of the electromagnet) 730 , 3320 DC current source 2800, 4800 Parameter fitting calculator 1000, 2000 DC magnetic field measuring device 3000, 4000 AC magnetic field measuring device

Claims (4)

直流磁場を測定する方法であって、
(a)印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーを励振させる工程と、
(b)前記工程(a)を行いながら、交流磁場発生器から交流磁場を前記探針に印加し、前記探針の磁化を周期的に変動させることにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる工程と、
(c)前記工程(b)を行いながら、前記探針の振動を検出し、該探針の振動の検出信号を周波数復調する工程と、
(d)前記工程(c)で復調された信号の、前記交流磁場の周波数の成分を測定する工程と、
(e)前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させ、前記走査領域内に設定された各面内座標について、前記工程(a)~(d)を行う工程と、
(f)前記走査領域における、前記工程(d)の測定結果に対応する情報を、前記走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換する工程と、
(g0)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程と、
(i0)前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得る工程と、
を含み、
前記工程(g0)における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、直流磁場測定方法。
A method for measuring a direct current magnetic field, the method comprising:
(a) exciting a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field;
(b) While performing step (a), an alternating current magnetic field is applied to the probe from an alternating current magnetic field generator to periodically vary the magnetization of the probe, thereby modulating the frequency of the excitation vibration of the cantilever. process and
(c) while performing the step (b), detecting the vibration of the probe and demodulating the frequency of the detection signal of the vibration of the probe;
(d) measuring the frequency component of the alternating magnetic field of the signal demodulated in step (c);
(e) The probe is caused to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe, and the steps (a) to ( d);
(f) performing a two-dimensional Fourier transform on the information corresponding to the measurement result of the step (d) in the scanning region in the in-plane direction of the scanning region;
(g0) From the Fourier transform information obtained in the step (f), extract information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. The process of
(i0) Based on the information corresponding to the two-dimensional Fourier transform of the component of the direct current magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning region, each of the components within the scanning region is For in-plane coordinates, obtaining a value corresponding to a component parallel to the alternating current magnetic field of the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the step (g0) includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the a second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, or a combination of two ratios therebetween and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region; carried out based on
A method for measuring a DC magnetic field, characterized in that the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe and the value of the second derivative of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are non-zero.
直流磁場を測定する装置であって、
印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
交流磁場を前記探針に印加し、前記探針の磁化を周期的に変動させることにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる、交流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させる、走査機構と、
前記振動センサーの検出信号を周波数復調する、復調器と、
前記復調器からの復調信号に含まれる、前記交流磁場の周波数の成分を測定する、検出器と、
前記走査領域内の各面内座標について、前記検出器の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された、前記走査領域の各面内座標についての測定値を、前記面内座標について二次元フーリエ変換する、フーリエ変換器と、
前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第1の波数フィルタ演算器と、
前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記直流磁場の前記交流磁場に平行な成分に対応する値を得ることが可能に構成された、逆フーリエ変換器と、
を含み、
前記第1の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記交流磁場の振幅の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記交流磁場の振幅、および、該振幅の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、直流磁場測定装置。
A device for measuring a direct current magnetic field,
a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of an applied magnetic field;
an exciter that excites the cantilever;
an alternating current magnetic field generator that frequency-modulates the excitation vibration of the cantilever by applying an alternating magnetic field to the probe and periodically varying the magnetization of the probe;
a vibration sensor that detects vibrations of the probe;
a scanning mechanism that causes the probe to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe;
a demodulator that frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor;
a detector that measures a frequency component of the alternating magnetic field included in the demodulated signal from the demodulator;
a storage device that stores a measurement value corresponding to a measurement signal of the detector for each in-plane coordinate in the scanning area;
a Fourier transformer that performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate of the scanning area stored in the storage device with respect to the in-plane coordinate;
From the Fourier transform information output from the Fourier transformer, it is possible to extract information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field in an in-plane direction of the scanning area. a first wave number filter computing unit configured to;
Each in-plane coordinate within the scanning area is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to the two-dimensional Fourier transformation of the component of the DC magnetic field parallel to the alternating current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. an inverse Fourier transformer configured to be able to obtain a value corresponding to a component of the DC magnetic field parallel to the AC magnetic field;
including;
The extraction in the first wave number filter calculator includes the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe, the first-order differential of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe; and the second derivative of the amplitude of the alternating magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region. It is done based on a combination of
A DC magnetic field measuring device, wherein the amplitude of the AC magnetic field at the position of the probe and the value of the second derivative of the amplitude with respect to the vibration direction of the probe are non-zero.
交流磁場を測定する方法であって、
(a)印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーを励振させる工程と、
(b)前記工程(a)を行いながら、直流磁場発生器から直流磁場を前記探針に印加することにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる工程と、
(c)前記工程(b)を行いながら、前記探針の振動を検出し、該探針の振動の検出信号を周波数復調する工程と、
(d)前記工程(c)で復調された信号の、前記交流磁場の測定すべき周波数成分に対応する周波数の成分を測定する工程と、
(e)前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させ、前記走査領域内に設定された各面内座標について、前記工程(a)~(d)を行う工程と、
(f)前記走査領域における、前記工程(d)の測定結果に対応する情報を、前記走査領域の面内方向について二次元フーリエ変換する工程と、
(g0)前記工程(f)で得られたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出する工程と、
(i0)前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得る工程と、
を含み、
前記工程(g0)における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場、および、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、交流磁場測定方法。
A method for measuring an alternating magnetic field, the method comprising:
(a) exciting a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of the applied magnetic field;
(b) while performing the step (a), frequency-modulating the excitation vibration of the cantilever by applying a DC magnetic field to the probe from a DC magnetic field generator;
(c) while performing the step (b), detecting the vibration of the probe and demodulating the frequency of the detection signal of the vibration of the probe;
(d) measuring a frequency component of the signal demodulated in step (c) that corresponds to the frequency component to be measured of the alternating magnetic field;
(e) The probe is caused to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe, and the steps (a) to ( d);
(f) performing a two-dimensional Fourier transform on the information corresponding to the measurement result of the step (d) in the scanning region in the in-plane direction of the scanning region;
(g0) From the Fourier transform information obtained in step (f), two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field that is parallel to the direct current magnetic field is performed in the in-plane direction of the scanning area. a step of extracting information corresponding to the
(i0) By two-dimensional inverse Fourier transform based on information corresponding to two-dimensional Fourier transform of the amplitude of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, For each in-plane coordinate within the scanning area, obtaining a value corresponding to the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the step (g0) includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the position of the probe. is performed based on the second derivative of the DC magnetic field with respect to the vibration direction of the probe, or two ratios therebetween, and a combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning region,
AC magnetic field measurement, characterized in that the value of the DC magnetic field at the position of the probe and the second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe are non-zero. Method.
交流磁場を測定する装置であって、
印加磁場方向に磁気モーメントが発生する超常磁性探針を一方の端部に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
直流磁場を前記探針に印加することにより、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調させる、直流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記探針に、前記探針の振動方向に交差する面内に設定された走査領域を走査させる、走査機構と、
前記振動センサーの検出信号を周波数復調する、復調器と、
前記復調器からの復調信号に含まれる、前記交流磁場の測定すべき周波数の成分に対応する周波数成分を測定する、検出器と、
前記走査領域内の各面内座標について、前記検出器の測定信号に対応した測定値を記憶する、記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された、前記走査領域の各面内座標についての測定値を、前記面内座標について二次元フーリエ変換する、フーリエ変換器と、
前記フーリエ変換器から出力されたフーリエ変換の情報から、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報を抽出することが可能に構成された、第1の波数フィルタ演算器と、
前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅の、前記走査領域の面内方向についての二次元フーリエ変換に対応する情報に基づいて、二次元逆フーリエ変換により、前記走査領域内の各面内座標について、前記交流磁場の前記周波数成分の前記直流磁場に平行な成分の振幅に対応する値を得ることが可能に構成された、逆フーリエ変換器と、
を含み、
前記第1の波数フィルタ演算器における前記抽出は、前記探針の位置における前記直流磁場、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての1階微分、及び、前記探針の位置における前記直流磁場の、前記探針の振動方向についての2階微分、又はそれらの間の2つの比と、前記走査領域内の面内方向における2つの波数の組み合わせとに基づいて行われ、
前記探針の位置における前記直流磁場、および、前記探針の位置における前記直流磁場の前記探針の振動方向についての2階微分の値が、非ゼロであることを特徴とする、交流磁場測定装置。
A device for measuring an alternating magnetic field,
a cantilever having a superparamagnetic probe at one end that generates a magnetic moment in the direction of an applied magnetic field;
an exciter that excites the cantilever;
a DC magnetic field generator that frequency-modulates the excitation vibration of the cantilever by applying a DC magnetic field to the probe;
a vibration sensor that detects vibrations of the probe;
a scanning mechanism that causes the probe to scan a scanning area set within a plane intersecting the vibration direction of the probe;
a demodulator that frequency demodulates the detection signal of the vibration sensor;
a detector that measures a frequency component included in the demodulated signal from the demodulator that corresponds to a frequency component to be measured of the alternating current magnetic field;
a storage device that stores a measurement value corresponding to a measurement signal of the detector for each in-plane coordinate in the scanning area;
a Fourier transformer that performs a two-dimensional Fourier transform on the measured values for each in-plane coordinate of the scanning area stored in the storage device with respect to the in-plane coordinate;
Information corresponding to a two-dimensional Fourier transform of the amplitude of a component parallel to the DC magnetic field of the frequency component of the AC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area, from the Fourier transform information output from the Fourier transformer. a first wave number filter calculator configured to be able to extract the
The scanning area is determined by two-dimensional inverse Fourier transformation based on information corresponding to two-dimensional Fourier transformation of the amplitude of the frequency component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the DC magnetic field in the in-plane direction of the scanning area. an inverse Fourier transformer configured to be able to obtain, for each in-plane coordinate within, a value corresponding to the amplitude of a component of the frequency component of the alternating current magnetic field parallel to the direct current magnetic field;
including;
The extraction in the first wave number filter calculator includes the DC magnetic field at the position of the probe, the first derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe, and the probe. Based on the second derivative of the DC magnetic field at the needle position with respect to the vibration direction of the probe, or the two ratios therebetween, and the combination of two wave numbers in the in-plane direction within the scanning area. I,
AC magnetic field measurement, characterized in that the value of the DC magnetic field at the position of the probe and the second derivative of the DC magnetic field at the position of the probe with respect to the vibration direction of the probe are non-zero. Device.
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