纳米级磁畴成像方案：FusionScope磁力显微镜助力高密度存储与新型计算

在纳米科技飞速发展的当下，对磁畴结构的可视化研究已成为材料物理与信息存储领域的核心课题。磁畴作为磁性材料的基本单元，其纳米尺度的分布与动态行为，不仅决定着新型材料的基础物理特性，更直接影响着高密度存储与未来计算技术的演进方向。

然而，实现纳米级磁畴的高分辨率成像长期面临多重技术瓶颈：环境干扰、探针精度限制、微纳结构精准定位困难等，均制约着磁畴研究的深入开展。在这一背景下，磁力显微镜（MFM）技术成为破局的关键，但传统 MFM 在常压环境下的成像分辨率与信号对比度，已难以满足前沿科研与工业应用的需求。特别是在研究新型拓扑磁结构（如斯格明子）和开发下一代存储器件时，这些技术限制表现得尤为突出。

Quantum Design公司推出的FusionScope创新性的将扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和磁力显微镜（MFM）集于一体，凭借其独树一帜的高真空环境与精准探针定位技术，为纳米级磁畴成像提供了革命性的解决方案。

AFM/SEM/EDS多功能显微镜 FusionScope

创新优势：真空环境与FEBID探针

磁力显微镜（MFM）通常采用"两步扫描"模式：第一步轻敲模式获取形貌信息，第二步在固定提升高度检测磁相互作用，抬升固定高度能够让磁力悬臂尖端记录样品的磁性信号。

图1 采用提升模式扫描的磁力显微镜MFM示意图

• 高真空环境：为实现磁畴的高分辨率成像，FusionScope利用高真空环境，消除空气阻尼效应，提高MFM信号灵敏度，相位对比度从常压的0.19°提升至0.28°。真空环境下的相位对比度较常压环境提升近50%，为研究磁性材料的微观特性提供了更精准的数据支持。

图2 在真空（a、b）和环境条件下（c、d）测量的[Co/Pt]多层测试样品的MFM扫描图。

• FEBID探针：采用铁（Fe）和钴铁（Co?Fe）基材料，通过3D纳米打印技术制备的高纵横比探针（半径仅10 nm），显著提升了成像对比度与横向分辨率（图3）。

图3 （a）使用FEBID通过3D纳米打印制造的磁性Fe基尖端，用于高分辨率MFM成像；（b）通过FEBID制造的CoFe基磁性尖端的放大图。

协同分析：SEM与MFM的无缝结合

FusionScope的“Profile View”功能支持80°倾斜观察，结合SEM的实时成像，可精确定位MFM探针至目标区域（图4-6）。这一技术尤其适用于光刻定义的纳米结构（如镍铁合金纳米棒阵列）和聚焦离子束（FIB）加工的钴薄膜研究。例如，在FIB图案化的钴薄膜中，MFM成功捕捉到十字形磁畴结构（图6），揭示了局域磁场分布的特殊规律。

Ni₈₁Fe₁₉纳米棒

在镍铁合金纳米棒阵列的研究中，通过 SEM 与 AFM 形貌图的相关性分析（如图 4 第一行所示），科研人员可快速识别三种不同互连程度的纳米棒阵列。借助侧向视野（如图 4 第二行所示），探针能够精准定位至单根纳米棒，实现局部磁特性的测量。

图4 三种不同结构的NiFe纳米棒，结构1不连续的纳米棒；结构2几乎互连的纳米棒；结构3互连的纳米棒。第一行展示了这三种结构的SEM与AFM形貌之间的相关性，第二行展示了FEBID探针与纳米棒结构啮合后的侧向视野图。

为了研究纳米棒的磁特性，选取了较小区域进行高分辨率磁力显微镜MFM测量，图5第一行显示了各个结构的形貌，第二行显示了相应的抬升高度相位，所有结构都显示出纳米棒顶点处的磁信号变化，正如预期的那样，此处杂散场梯度最大。

图5 第一行显示了三种不同结构的高分辨率AFM形貌；第二行显示了相应的抬升相位信号，即磁信号，在杂散场梯度最大的每个顶点处，信号强度差异最大。

FIB图案化钴膜

对于聚焦离子束（FIB）加工的图案化钴层磁结构，与上一案例相同，光刻定义的区域相对较小，FusionScope支持的SEM引导侧向视野可以精确定位MFM探针（图6d），图案化后，在提升阶段（图6b）和叠加提升阶段的形貌三维图像（图6a）中可以清晰观测到十字形畴图案（图6，中心图像），直观展现了图案化区域的磁畴分布规律，而这一特征在连续薄膜中是不明显的，充分验证了微纳结构对磁畴组态的调控作用。

图6 图像中间显示了形貌和抬升阶段的3D图像（颜色编码），其中显示了十字形的MFM信号，图中还包含FIB图案化钴样品的形貌（a）、抬升阶段（b）和SEM顶视图（c），（d）中可以看到针尖与微小结构接触的SEM侧向视野。

应用前景：从高密度存储到神经形态计算

1. 高密度存储：推动硬盘驱动器（HDD）、磁阻存储器（MRAM）和赛道存储器（Racetrack Memory）的研发，提升存储密度与能效。

2. 未来计算：在神经形态计算领域，FusionScope为人工自旋冰阵列和磁子晶体的研究提供了关键工具。

技术总结与未来展望

FusionScope磁力显微镜通过高真空 MFM 技术、FEBID 纳米探针与 SEM-MFM 协同分析的三位一体创新，重新定义了纳米磁畴成像的技术标准。其核心优势体现在：真空环境下提升的成像灵敏度、精准定位实现微纳结构的针对性分析、以及SEM 引导下的微纳结构精准定位，为工业和科研人员提供了从材料表征到机理研究的全链条解决方案。