JP6544562B2 - 磁性体の磁気特性の測定装置および測定方法 - Google Patents
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磁性体試料が一方の端部に固定されたカンチレバーと、
カンチレバーを励振させる励振器と、
連続的に磁場強度が変化し、かつ、磁性体試料を磁化させることが可能な最大強度を有する変動磁場を磁性体試料に印加する、変動磁場発生器と、
磁性体試料の振動を検出する振動センサーと、
振動センサーの検出信号から、磁性体試料の振動の変化量を計測する、カンチレバー振動変化測定器と、
磁性体試料の振動の変化量の、変動磁場の値に対する比と、変動磁場の値との関係から、磁性体試料の磁気特性の情報を得る、磁化曲線評価装置と
を備えることを特徴とする、磁気特性測定装置である。
磁性体試料が一方の端部に固定されたカンチレバーを励振させる工程と、
連続的に磁場強度が変化し、かつ、磁性体試料を磁化することが可能な最大強度を有する変動磁場を磁性体試料に印加する工程と、
磁性体試料の振動を検出する工程と、
磁性体試料の振動の検出信号から、磁性体試料の振動の変化量を計測する工程と、
磁性体試料の振動の変化量の、変動磁場の値に対する比と、変動磁場の値との関係から、磁性体試料の磁気特性の情報を得る工程と
を含むことを特徴とする、磁気特性測定方法である。
磁性体試料である磁性探針10は、カンチレバー11の一方の端部に固定されている。磁性探針10は、後に詳述するように、変動磁場発生器30から発生する変動磁場によって、磁性探針10の磁化の向きは変動磁場方向に揃っていく。このとき、磁性探針10の磁化と変動磁場との間の磁気的相互作用により、磁性探針10に作用する磁気力が変動する。そのためカンチレバー11の見かけ上のバネ定数が変動し、その結果磁性体試料10の励振振動、具体的には、振動の周波数、振幅、および位相に変化が生じる。磁性体試料10の振動の変化の程度を、後述するカンチレバー振動変化測定器50によって計測し、後述する磁化曲線評価装置60によって、変動磁場の強度に対する磁性体試料の振動の変化量の比と、変動磁場の値との関係から、磁性体試料の磁気特性の情報を得る。
磁性体試料である磁性探針10はカンチレバー11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11の他方の端部(固定端)は固定されている。このようなカンチレバー11を励振器20によって励振させることにより、磁性探針10を励振させることができる。
変動磁場発生器30は、連続的に磁場強度が変化し、かつ、磁性体試料である磁性探針10を磁化することが可能な最大強度を有する変動磁場を磁性探針10に印加する装置である。このような変動磁場発生器30は、例えば、図1に示したように、磁性体試料である磁性探針10の直下に配置された空芯コイル32と、空芯コイル32にパルス電流を供給するパルス電流源31とによって構成することができる。パルス電流源31から空芯コイル32にパルス電流が供給されることにより、磁性体試料である磁性探針10を紙面上下方向に垂直な方向に貫くパルス磁場が発生する。図3は、変動磁場発生器30の一例を説明する回路図である。図3において、コイルL1は空芯コイル32に対応する。パルス電流源31は、空芯コイル32に必要な強度のパルス磁場を発生させる電流を流すことのできる静電容量を有するキャパシタC1と、該キャパシタを充電する直流電源V1と、キャパシタの充放電を切り替えるスイッチSW1とを有している。このほか、パルス電流源31は、キャパシタの充電開始時の突入電流を制限する電流制限抵抗R1と、逆流防止ダイオードD1と、L1に電流を流す向きを反転させることが可能に設けられた二連連動スイッチSW2とを有している。SW1及びSW2はいずれもナイフスイッチによって好ましく構成することができる。
磁気特性測定装置100において、振動センサー40は、カンチレバー11の自由端側の先端にレーザー光を照射する光源41と、カンチレバー11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42とを有している。光源41から照射されてカンチレバー11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42で検知することにより、磁性体試料である磁性探針10の変位を出力として取り出すことができる。光学変位センサー42からの出力は、カンチレバー振動変化測定器50に入力される。
振動センサー40の検出信号は、カンチレバー11の励振振動が、磁性体試料である磁性探針10が変動磁場から受ける磁気力によって、周波数、振幅及び位相が変化した振動である。カンチレバー振動変化測定器50は、振動センサー40の検出信号から、磁性探針10が変動磁場から受ける磁気力によってカンチレバー11の励振振動に生じた周波数、振幅、位相の変化の一つ以上を検出する。カンチレバー振動変化測定器50としては、例えば市販の位相同期回路(PLL)やロックインアンプ等を採用することができる。ロックインアンプを使用する場合には、励振器20の交流信号を参照信号として利用してもよい。カンチレバー振動変化測定器50によって測定された信号は、磁化曲線評価装置60に入力される。
探針振動変化処理装置60は、カンチレバー振動変化測定器50から入力される探針振動変化信号および変動磁場発生器30の電流信号から、磁性体試料である磁性探針10の磁気特性の情報を取り出す。磁化曲線評価装置60は、カンチレバー振動変化測定器50から得た、例えば磁性探針10(磁性体試料)の振動の変化量である位相ずれθ(t)の、変動磁場発生器30から得た変動磁場の値H(t)に対する比θ(t)/H(t)と、変動磁場の値H(t)との関係から、磁性探針10(磁性体試料)の磁気特性の情報を得る。後述するように、比θ(t)/H(t)は磁性探針10(磁性体試料)の変動磁場方向の磁化Mz(t)に比例するので、比θ(t)/H(t)を変動磁場の値H(t)に対してプロットすることにより、磁性探針10(磁性体試料)の磁化曲線を得ることができる。そして上記したように、空芯コイル32から発生する変動磁場(パルス磁場)が強度ゼロから強度最大を経て強度ゼロに戻る過程を、パルス磁場の極性を交互に反転させながら3回以上行うことにより、磁化曲線のフルループを得ることができる。なお、大電流を流す場合には、空芯コイル32が発熱することにより電気抵抗が上がり、その結果電流値が減少して磁場強度が減少するので、空芯コイル32を十分に冷却してから空芯コイル32に次のパルス電流を流すことが好ましい。磁化曲線評価装置60は例えば、このようなプロット処理を行うプログラムを記録した記憶装置と、演算装置と、入出力装置とを有する電子計算機により構成することができる。
本発明の磁気特性測定装置100、およびこれを用いた磁気特性測定方法によって、カンチレバー11の端部(自由端)に固定した磁性体試料の磁気特性を測定できる原理について、以下に説明する。
本発明の磁気特性測定装置を用いて、カンチレバーの一方の端部に固定されたSi探針の表面にFePt強磁性薄膜(膜厚約40nm)を製膜した磁性探針の磁気特性を測定した。本発明の磁気特性測定装置は、市販のMFM(日立ハイテクサイエンス株式会社製走査型プローブ顕微鏡、L−Trace II)をベースとし、変動磁場発生器として、MFMの試料設置台(ただし試料は配置していない)の下に配置した空芯コイルおよび該空芯コイルにパルス電流を供給するパルス電流源を有してなるパルス磁場発生器を加え、さらにカンチレバー振動変化測定器としてロックインアンプを追加して構成した。パルス磁場発生器はカンチレバーの振動方向に平行にパルス磁場を印加する。カンチレバー振動変化測定器の出力を、電子計算機により構成した磁化曲線評価装置に入力した。
10 磁性探針(磁性体試料)
10a (非磁性の)芯部材
10b 磁性被膜
11 カンチレバー
20 励振器
30 変動磁場発生器
31 パルス電流源
32 空芯コイル
40 振動センサー
41 光源
42 光学変位センサー
50 カンチレバー振動変化測定器
60 磁化曲線評価装置
Claims (12)
- 磁性体試料の磁気特性を測定する装置であって、
磁性体試料が一方の端部に固定されたカンチレバーと、
前記カンチレバーを励振させる励振器と、
連続的に磁場強度が変化し、かつ、前記磁性体試料を磁化させることが可能な最大強度を有する変動磁場を前記磁性体試料に印加する、変動磁場発生器と、
前記磁性体試料の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーの検出信号から、前記磁性体試料の振動の変化量を計測する、カンチレバー振動変化測定器と、
前記磁性体試料の振動の変化量の、前記変動磁場の値に対する比と、前記変動磁場の値との関係から、前記磁性体試料の磁気特性の情報を得る、磁化曲線評価装置と
を備えることを特徴とする、磁気特性測定装置。 - 前記変動磁場は、強度ゼロから強度最大を経て強度ゼロに戻る過程を少なくとも含む、
請求項1に記載の磁気特性測定装置。 - 前記変動磁場は、
強度ゼロから第1の極性の強度最大を経て強度ゼロに戻る、第1の過程と、
強度ゼロから前記第1の極性とは逆の第2の極性の強度最大を経て強度ゼロに戻る、第2の過程と、
強度ゼロから前記第1の極性の強度最大を経て強度ゼロに戻る、第3の過程と
を上記順に含む、請求項1又は2に記載の磁気特性測定装置。 - 前記変動磁場がパルス磁場である、請求項1〜3のいずれかに記載の磁気特性測定装置。
- 前記カンチレバー振動変化測定器が、前記磁性体試料の振動の周波数、振幅、または位相の変化量を計測する、
請求項1〜4のいずれかに記載の磁気特性測定装置。 - 前記磁性体試料が、
非磁性探針と、
前記非磁性探針の表面に形成された磁性薄膜と
を有する磁性探針である、請求項1〜5のいずれかに記載の磁気特性測定装置。 - 磁性体試料の磁気特性を測定する方法であって、
磁性体試料が一方の端部に固定されたカンチレバーを励振させる工程と、
連続的に磁場強度が変化し、かつ、前記磁性体試料を磁化させることが可能な最大強度を有する変動磁場を前記磁性体試料に印加する工程と、
前記磁性体試料の振動を検出する工程と、
前記磁性体試料の振動の検出信号から、前記磁性体試料の振動の変化量を計測する工程と、
前記磁性体試料の振動の変化量の、前記変動磁場の値に対する比と、前記変動磁場の値との関係から、前記磁性体試料の磁気特性の情報を得る工程と
を含むことを特徴とする、磁気特性測定方法。 - 前記変動磁場は、強度ゼロから強度最大を経て再び強度ゼロに戻る過程を少なくとも含む、
請求項7に記載の磁気特性測定方法。 - 前記変動磁場は、
強度ゼロから第1の極性の強度最大を経て強度ゼロに戻る、第1の過程と、
強度ゼロから前記第1の極性とは逆の第2の極性の強度最大を経て強度ゼロに戻る、第2の過程と、
強度ゼロから前記第1の極性の強度最大を経て強度ゼロに戻る、第3の過程と
を上記順に含む、請求項7又は8に記載の磁気特性測定方法。 - 前記変動磁場がパルス磁場である、請求項7〜9のいずれかに記載の磁気特性測定方法。
- 前記磁性体試料の振動の変化量を計測する工程において、前記磁性体試料の振動の周波数、振幅、または位相の変化量を計測する、
請求項7〜10のいずれかに記載の磁気特性測定方法。 - 前記磁性体試料が、
非磁性探針と、
前記非磁性探針の表面に形成された磁性薄膜と
を有する磁性探針である、請求項7〜11のいずれかに記載の磁気特性測定方法。
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