磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscope, MFM）是一種利用磁性探針對磁性樣品表面進行掃描檢測的原子力顯微鏡，通過探針與樣品表面的磁性相互作用來重構樣品表面的磁性結構。MFM能夠測量多種磁性相互作用，包括磁偶相互作用，并常采用非接觸式模式進行掃描。
掃描過程
磁力顯微鏡的掃描方法被稱為“提升高度”法，該方法通過以下步驟提高磁力的精確度：
1. 在樣品表面掃描，得到樣品的表面形貌信息，這個過程與在輕敲模式中成像一樣；
2. 探針回到當前行掃描的開始點，增加探針與樣品之間的距離（即抬起一定的高度），根據第一次掃描得到的樣品形貌，始終保持探針與樣品之間的距離，進行第二次掃描。在這個階段，可以通過探針懸臂振動的振幅和相位的變化，得到相應的長程力的圖像；
3. 在抬起模式中，必須根據所要測量的力的性質選擇相應的探針。
結構與原理
磁力顯微鏡的主要結構包括壓電掃描儀、磁性探針和懸臂模塊。壓電掃描儀負責在x、y和z方向上移動樣品，通過施加電壓來控制移動，通常每1到10nm需要1伏特。圖像通過在樣品表面進行緩慢的光柵掃描形成，掃描區域從幾個到200微米，成像時間從幾分鐘到30分鐘。磁性探針通常位于靈敏的懸臂一端，懸臂恢復力常數從0.01到100N/m不等。現代探針（探針懸臂）通過結合微加工和光刻技術制造，使得探針更小且具有更好的操控性。懸臂可以由單晶硅、二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）制造，其中氮化硅懸臂探針模塊通常更耐用，并且有更小的恢復力常數。探針被一層很薄（< 50 nm）的磁性薄膜（如或鈷）覆蓋，通常具有高抗磁性，以保持探針的磁性狀態（磁化強度M）在成像過程中不變。探針懸臂模塊由共振頻率相近的壓電晶體以通常10K赫茲到1M赫茲的頻率驅動。
分辨率與局限
磁力顯微鏡的典型分辨率可以達到30nm，盡管10到20nm的分辨率也是可實現的。然而，MFM的一個缺點是探針與樣品之間存在較強的相互作用，這可能會影響樣品本身的磁性質，增加了圖像解釋的困難程度。此外，掃描的范圍小，圖像依賴于探針的高度。MFM對系統的封裝要求較高，外界的磁噪聲、振動以及氣體流動等都可能影響圖像質量。
與其他技術的比較
與其他磁成像技術相比，磁力顯微鏡具有分辨率高、可在大氣中工作、不破壞樣品且不需要特殊的樣品制備等優點。靜電力顯微鏡(EFM)和磁力顯微鏡(MFM)原理相似，它采用導電探針以抬起模式進行掃描。由于樣品上方的電場梯度的存在，探針與樣品表面電場之間的靜電力會引起探針微懸臂共振頻率的變化，從而導致其振幅和相位的變化。
發展歷程
磁力顯微鏡的發展基于以下發明的推動：
- 1982年，掃描隧道顯微鏡（STM）的發明，其中探針和樣品之間的隧道電流被用作信號，探針和樣品必須都是導體。
- 1986年，原子力顯微鏡（AFM）的發明，探針和樣品之間的力（原子/靜電）可以通過一個靈敏的杠桿（懸臂）的偏轉檢測，懸臂探針通常懸掛在樣品相距幾十納米的上方。
- 1987年，磁力顯微鏡（MFM）的發明，源于原子力顯微鏡，探針和樣品之間的磁力可以測量，雜散磁場的圖像可以通過磁化探針在樣品表面進行的光柵掃描獲得。
參考資料 >