如何利用磁場(chǎng)相機實(shí)現磁性微結構分析？

工業(yè)設備的持續微型化過(guò)程引發(fā)了對高ji磁性微結構表征技術(shù)的需求，這些技術(shù)需結合高分辨率、短測量時(shí)間和定量磁場(chǎng)數據。尤其是在磁性設備制造過(guò)程中進(jìn)行在線(xiàn)質(zhì)量控制時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要，例如工業(yè)定位應用中的磁性標尺。這些標尺的表征非常具有挑戰性，因為目前的磁極尺寸已經(jīng)達到了微米級別。這種小型結構的磁場(chǎng)會(huì )在局部納米級范圍內變化，且整個(gè)樣品中會(huì )出現所有三種磁場(chǎng)矢量分量。因此，需要一種具有高空間分辨率的分析技術(shù)。此外，空間快速變化的磁場(chǎng)會(huì )隨著(zhù)與樣品距離的增加迅速衰減。對于具有有限厚度的傳感器，這甚至可能導致垂直于傳感器方向的額外磁場(chǎng)變化，從而導致磁結構尺寸依賴(lài)的場(chǎng)平均效應。

一種常用的磁性納米和微結構測量技術(shù)是掃描探針顯微鏡（SPM），例如磁力顯微鏡（MFM）和掃描霍爾探針顯微鏡（SHPM）。這兩種方法都具有納米級的空間分辨率，使用小型和薄型傳感器，能夠實(shí)現低測量高度。然而，MFM不是直接定量的，且由于掃描過(guò)程，這兩種方法都需要較長(cháng)的測量時(shí)間。另一種非常適合的技術(shù)是利用磁光法拉第效應可視化納米結構材料的磁場(chǎng)和電流。這種測量由于可以一次性測量二維平面，因此速度很快。

MOIF技術(shù)已經(jīng)通過(guò)對薄硬磁樣品的定量分析和超導體中的渦旋動(dòng)力學(xué)研究得到了證明?，F有的定量MOIF測量和校準方法考慮到了非均勻的MOIF照明和MOIF厚度上的場(chǎng)平均效應。然而，沒(méi)有研究綜合考慮所有這些效應或更復雜的磁各向異性，如立方各向異性場(chǎng)。此外，也缺乏全面的系統不確定性分析，這對于校準程序來(lái)說(shuō)是不能缺少的。

MATESY磁場(chǎng)相機基于一種位置分辨校準的方法，并結合對MOIF材料磁性參數的全面分析，校準和模擬了一款商業(yè)MOIF設備（Matesy GmbH的cmos-MagView XL）。該設備使用了一個(gè)60 × 45 mm2的大MOIF，一個(gè)光學(xué)檢測路徑和一個(gè)1520 × 2048像素的CMOS相機進(jìn)行讀出。通過(guò)成像過(guò)程，一個(gè)28.4 µm × 28.4 µm的傳感器區域被映射到一個(gè)相機像素上，這定義了min分辨率。

校準方法

1.宏觀(guān)校準

校準CMOS-MagView XL設備需要一個(gè)具有良好空間均勻性和高重現性的磁場(chǎng)。我們使用了極靴直徑為250 mm的電磁鐵，電磁鐵的磁場(chǎng)Bext由Bruker電源提供的穩定電流設定，并通過(guò)水冷系統將溫度穩定在23℃。通過(guò)霍爾磁力計測量的環(huán)境溫度穩定在24℃至27℃之間。為了表征極靴間位置處的磁場(chǎng)Bext (x,y,z)，采用了一種掃描單元，該單元可以使用電動(dòng)平臺平行于極靴（x和y方向）掃描，并通過(guò)手動(dòng)平移臺垂直于極靴（z方向）移動(dòng)。通過(guò)旋轉電機的軸向掃描結果調整和控制探針與極靴的平行對齊。

2. CMOS-MagView XL校準過(guò)程

校準CMOS-MagView XL設備包括三個(gè)步驟：

(i) 首先，調查設備本身的特性，如噪聲、重現性和溫度影響。

(ii) 建立測量設備強度與樣品垂直磁場(chǎng)之間的理論函數關(guān)系。

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

為了確定CMOS-MagView XL的噪聲特性，從每個(gè)像素的30次測量中確定強度的標準偏差。建立基于物理機制的校準算法時(shí)，考慮了不同的測量強度貢獻。通過(guò)擬合磁場(chǎng)與強度的關(guān)系，得到每個(gè)像素的校準參數。

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

3. 微觀(guān)校準

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

MOIF的強度I通過(guò)下列公式描述：

其中，I是通過(guò)MOIF后光的強度，α是兩個(gè)偏振濾光片之間的角度，β是法拉第旋轉角，由MOIF磁化的z分量決定。通過(guò)擬合不同磁場(chǎng)下的強度，建立像素級別的校準參數：利用利用FMR確定的磁各向異性常數，模擬了cosθ對z方向外場(chǎng)的函數依賴(lài)關(guān)系，如下所述。模擬結果與三次方程cosθ (B) = a?B 3 + b?b進(jìn)行擬合，zui終得到了CMOS-MagView XL對應用均勻垂直磁場(chǎng)的強度響應方程：

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

4. 磁性標尺的測量和模擬

在這項研究中，我們對一個(gè)商業(yè)磁性標尺進(jìn)行了測量和模擬，以驗證CMOS-MagView XL設備的校準效果。首先，我們在設備上測量了標尺表面的磁場(chǎng)分布，然后通過(guò)二值化處理獲得了樣品的磁化圖像。接著(zhù)，我們使用前向模擬方法計算了傳感器響應，模擬結果與實(shí)際測量數據高度一致。最后，通過(guò)與SHPM技術(shù)測量結果的比較，進(jìn)一步驗證了校準方法的準確性和有效性。此方法證明了其在快速定量表征磁性微結構中的優(yōu)勢。

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

對于小結構的測量，由于空間快速衰減的雜散場(chǎng)，CMOS-MagView XL測量的信號會(huì )比樣品側傳感器表面的場(chǎng)減弱。通過(guò)傳遞函數修正MOIF傳感器厚度的影響：

其中，D為MOIF傳感器的厚度。修正后，傳感器厚度對測量結果的影響顯著(zhù)減小。

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