在納米科技飛速發(fā)展的當下，對磁疇結構的可視化研究已成為材料物理與信息存儲領域的核心課題。磁疇作為磁性材料的基本單元，其納米尺度的分布與動態(tài)行為，不僅決定著新型材料的基礎物理特性，更直接影響著高密度存儲與未來計算技術的演進方向。

然而，實現(xiàn)納米級磁疇的高分辨率成像長期面臨多重技術瓶頸：環(huán)境干擾、探針精度限制、微納結構精準定位困難等，均制約著磁疇研究的深入開展。在這一背景下，磁力顯微鏡（MFM）技術成為破局的關鍵，但傳統(tǒng) MFM 在常壓環(huán)境下的成像分辨率與信號對比度，已難以滿足前沿科研與工業(yè)應用的需求。特別是在研究新型拓撲磁結構（如斯格明子）和開發(fā)下一代存儲器件時，這些技術限制表現(xiàn)得尤為突出。

Quantum Design公司推出的FusionScope創(chuàng)新性的將掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和磁力顯微鏡（MFM）集于一體，憑借其獨樹一幟的高真空環(huán)境與精準探針定位技術，為納米級磁疇成像提供了革命性的解決方案。

AFM/SEM/EDS多功能顯微鏡 FusionScope

創(chuàng)新優(yōu)勢：真空環(huán)境與FEBID探針

磁力顯微鏡（MFM）通常采用"兩步掃描"模式：第一步輕敲模式獲取形貌信息，第二步在固定提升高度檢測磁相互作用，抬升固定高度能夠讓磁力懸臂尖端記錄樣品的磁性信號。

圖1 采用提升模式掃描的磁力顯微鏡MFM示意圖

• 高真空環(huán)境：為實現(xiàn)磁疇的高分辨率成像，F(xiàn)usionScope利用高真空環(huán)境，消除空氣阻尼效應，提高MFM信號靈敏度，相位對比度從常壓的0.19°提升至0.28°。真空環(huán)境下的相位對比度較常壓環(huán)境提升近50%，為研究磁性材料的微觀特性提供了更精準的數(shù)據(jù)支持。

圖2 在真空（a、b）和環(huán)境條件下（c、d）測量的[Co/Pt]多層測試樣品的MFM掃描圖。

• FEBID探針：采用鐵（Fe）和鈷鐵（Co?Fe）基材料，通過3D納米打印技術制備的高縱橫比探針（半徑僅10 nm），顯著提升了成像對比度與橫向分辨率（圖3）。

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

協(xié)同分析：SEM與MFM的無縫結合

FusionScope的“Profile View”功能支持80°傾斜觀察，結合SEM的實時成像，可精確定位MFM探針至目標區(qū)域（圖4-6）。這一技術尤其適用于光刻定義的納米結構（如鎳鐵合金納米棒陣列）和聚焦離子束（FIB）加工的鈷薄膜研究。例如，在FIB圖案化的鈷薄膜中，MFM成功捕捉到十字形磁疇結構（圖6），揭示了局域磁場分布的特殊規(guī)律。

Ni₈₁Fe₁₉納米棒

在鎳鐵合金納米棒陣列的研究中，通過 SEM 與 AFM 形貌圖的相關性分析（如圖 4 第一行所示），科研人員可快速識別三種不同互連程度的納米棒陣列。借助側向視野（如圖 4 第二行所示），探針能夠精準定位至單根納米棒，實現(xiàn)局部磁特性的測量。

圖4 三種不同結構的NiFe納米棒，結構1不連續(xù)的納米棒；結構2幾乎互連的納米棒；結構3互連的納米棒。第一行展示了這三種結構的SEM與AFM形貌之間的相關性，第二行展示了FEBID探針與納米棒結構嚙合后的側向視野圖。

為了研究納米棒的磁特性，選取了較小區(qū)域進行高分辨率磁力顯微鏡MFM測量，圖5第一行顯示了各個結構的形貌，第二行顯示了相應的抬升高度相位，所有結構都顯示出納米棒頂點處的磁信號變化，正如預期的那樣，此處雜散場梯度最大。

圖5 第一行顯示了三種不同結構的高分辨率AFM形貌；第二行顯示了相應的抬升相位信號，即磁信號，在雜散場梯度最大的每個頂點處，信號強度差異最大。

FIB圖案化鈷膜

對于聚焦離子束（FIB）加工的圖案化鈷層磁結構，與上一案例相同，光刻定義的區(qū)域相對較小，F(xiàn)usionScope支持的SEM引導側向視野可以精確定位MFM探針（圖6d），圖案化后，在提升階段（圖6b）和疊加提升階段的形貌三維圖像（圖6a）中可以清晰觀測到十字形疇圖案（圖6，中心圖像），直觀展現(xiàn)了圖案化區(qū)域的磁疇分布規(guī)律，而這一特征在連續(xù)薄膜中是不明顯的，充分驗證了微納結構對磁疇組態(tài)的調控作用。

圖6 圖像中間顯示了形貌和抬升階段的3D圖像（顏色編碼），其中顯示了十字形的MFM信號，圖中還包含F(xiàn)IB圖案化鈷樣品的形貌（a）、抬升階段（b）和SEM頂視圖（c），（d）中可以看到針尖與微小結構接觸的SEM側向視野。

應用前景：從高密度存儲到神經形態(tài)計算

1. 高密度存儲：推動硬盤驅動器（HDD）、磁阻存儲器（MRAM）和賽道存儲器（Racetrack Memory）的研發(fā)，提升存儲密度與能效。

2. 未來計算：在神經形態(tài)計算領域，F(xiàn)usionScope為人工自旋冰陣列和磁子晶體的研究提供了關鍵工具。

技術總結與未來展望

FusionScope磁力顯微鏡通過高真空 MFM 技術、FEBID 納米探針與 SEM-MFM 協(xié)同分析的三位一體創(chuàng)新，重新定義了納米磁疇成像的技術標準。其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在：真空環(huán)境下提升的成像靈敏度、精準定位實現(xiàn)微納結構的針對性分析、以及SEM 引導下的微納結構精準定位，為工業(yè)和科研人員提供了從材料表征到機理研究的全鏈條解決方案。