隨著各種顯微成像技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)愈發(fā)清晰。磁性作為物質(zhì)的基本性質(zhì)之一，其微觀成像是實(shí)驗(yàn)物理重要的研究方向。磁存儲(chǔ)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的興起對(duì)磁性的微觀研究提出了技術(shù)上的需求。當(dāng)前比較成熟的磁成像技術(shù)有磁光克爾顯微鏡(MOKE)、洛倫茲透射電鏡(L-TEM)、磁力顯微鏡(MFM)、光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）、掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡(SSM)、NV掃描探針顯微鏡（NV-SPM）等。這些技術(shù)因原理不同而有各自的優(yōu)勢(shì)和局限。

磁疇是指磁性材料在自發(fā)磁化的過程中為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域。

下圖(a)是一個(gè)單疇磁體，其雜散場(chǎng)分布區(qū)域廣大，為了削弱這一區(qū)域，磁體內(nèi)部會(huì)自發(fā)地發(fā)生磁矩重新分布，形成磁疇。直觀的重新分布即如圖(b)所示形成上下兩個(gè)疇，雜散場(chǎng)得以大幅削弱。如果進(jìn)一步形成上下四個(gè)疇，如圖(c)所示，則雜散場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步削弱。如果樣品的尺寸和外觀形狀發(fā)生變化，磁疇的形態(tài)會(huì)有豐富的表現(xiàn)，如圖(d)-(e)類的疇結(jié)構(gòu)。

磁疇示意圖

磁光克爾（MOKE）顯微鏡

磁光克爾顯微鏡基于磁光克爾效應(yīng)（Magneto-optic kerr effect，MOKE），顧名思義，來源于光和磁性材料中磁場(chǎng)之間的相互作用。當(dāng)光經(jīng)過起偏鏡照射樣品被反射后，再經(jīng)過檢偏鏡進(jìn)行觀察，由于各磁疇的磁化方向不同，在各個(gè)磁疇上反射的光的偏振面的旋轉(zhuǎn)角度也不同，于是各磁疇的明暗程度也不相同。

優(yōu)勢(shì)：可對(duì)任意尺寸的樣品進(jìn)行檢測(cè)，不會(huì)對(duì)樣品的磁化狀態(tài)產(chǎn)生影響、時(shí)間分辨率高、測(cè)量過程中可施加外磁場(chǎng)。

局限：適用于磁性薄膜、分辨率約300 nm。

鐵磁性薄膜用磁光克爾顯微鏡觀察

洛倫茲電子顯微鏡（L-TEM）

洛倫茲電鏡的原理是利用電子束穿過樣品，電子束穿越薄膜時(shí)受到樣品內(nèi)的磁場(chǎng)的洛倫茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在檢偏器上電子束的偏轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生聚焦和欠聚焦現(xiàn)象，表現(xiàn)為黑色和白色的區(qū)域，通過此方法來判斷磁疇的像。

優(yōu)勢(shì)：分辨率*（約3 nm）、對(duì)比度高，對(duì)于磁疇的微小變化具有很高的敏感度。

局限：受成像原理限制，洛倫茲電子顯微鏡只能用于厚度在2-100 nm、尺寸在幾微米的薄膜，這對(duì)于樣品的制備提出了苛刻的要求。同時(shí)，對(duì)于一些面內(nèi)的磁疇，其表面雜散場(chǎng)在空間自行閉合，這些雜散場(chǎng)對(duì)穿越其間的電子束影響很小，穿過樣品的電子束被調(diào)控偏轉(zhuǎn)的余地就極小，導(dǎo)致最終成像困難。最后，洛倫茲電子顯微鏡是基于透射電子顯微鏡改造而來，價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜，無法廣泛運(yùn)用到磁疇結(jié)構(gòu)的研究中。

洛倫茲電鏡觀察斯格明子

L. C. Peng et al. Real-Space Observation of Nonvolatile Zero-Field Biskyrmion Lattice Generation in Mn Ni Ga Magnet. Nano Lett. 17, 7075–7079 (2017)

磁力顯微鏡（MFM）

磁力顯微鏡（Magnetic force microscopy, MFM）作為另一種磁疇觀測(cè)手段，得到樣品較高分辨率的形貌像和磁力線分布梯度圖，依靠磁性探針與樣品雜散場(chǎng)之間的相互作用生成磁力線梯度分布圖。其成像原理與原子力顯微鏡相同，采用磁性探針對(duì)樣品表面的每一行都進(jìn)行兩次掃描檢測(cè)：第一次掃描采用輕敲模式，利用探針與樣品表面短距離原子間的相互作用測(cè)量強(qiáng)排斥力，可以得到樣品的高低起伏形貌像；然后采用抬起模式，磁性探針抬起一定的高度（通常為10～200 nm），按樣品第一次掃描記錄的表面起伏軌跡進(jìn)行第二次掃描，磁性探針因受到樣品磁疇雜散場(chǎng)的長(zhǎng)程磁作用力將引起振幅與相位的變化，那么通過記錄探針的振幅和相位變化，就能得到樣品表面雜散場(chǎng)的精細(xì)梯度，從而得到樣品的磁疇結(jié)構(gòu)。

優(yōu)勢(shì)：磁力顯微鏡在室溫大氣環(huán)境下就可測(cè)量，具有不破壞樣品且不需特殊的樣品制備等優(yōu)點(diǎn)。

局限：無法定量測(cè)量，分辨率約30 nm，主要受針尖形狀、樣品性質(zhì)、探針樣品距離的影響。此外，磁性針尖會(huì)影響弱磁樣品原有磁場(chǎng)分布，導(dǎo)致測(cè)量的局限性。

磁力顯微鏡的斯格明子成像

P. Milde et al. Unwinding of a Skyrmion Lattice by Magnetic Monopoles.Science 340, 1076 (2013)

光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）

光發(fā)射電子顯微鏡（Photoemission electron microscope，PEEM）實(shí)際上是X射線入射至樣品，激發(fā)的低能二次電子通過電子光學(xué)系統(tǒng)在屏幕上成像，成像的亮暗強(qiáng)度對(duì)應(yīng)樣品上不同位置二次電子產(chǎn)生的多少。PEEM可利用磁圓二色效應(yīng)測(cè)量鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)，是基于X射線吸收磁圓二色（磁圓二色是指磁性材料對(duì)于左旋和右旋圓偏振X射線吸收的不同而產(chǎn)生的二色性現(xiàn)象）。

優(yōu)勢(shì)：PEEM可以實(shí)時(shí)成像，可穿透深度在納米量級(jí)，具有一定的表面靈敏性，由于不同元素具有不同的吸收邊，因此可以通過調(diào)節(jié)X射線的能量，在樣品同一位處測(cè)量不同元素對(duì)應(yīng)的磁疇。目前分辨率在20 nm左右，新一代經(jīng)過光學(xué)糾正的PEEM的分辨率理論上將優(yōu)于5 nm。

局限：PEEM需在真空中進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)需要樣品具有一定的導(dǎo)電性，因此不適合測(cè)量絕緣樣品和生物樣品，也不能在磁場(chǎng)下成像。

PEEM對(duì)磁渦旋進(jìn)行成像

J. Li et al. Tailoring the topology of an artificial magnetic skyrmion.Nat. Commun. 5,4704(2014)

掃描SQUID顯微鏡

掃描SQUID顯微鏡（Scanning SQUID microscope，SSM）是一種使用超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting quantum interference device，SQUID）作為探針的掃描探針顯微鏡。SQUID是高靈敏度的磁傳感器，掃描樣品時(shí)，測(cè)量來自樣品表面的磁通量強(qiáng)度，并將其映射以獲得磁圖像。掃描SQUID顯微鏡的空間分辨率取決于傳感器本身的大小和被測(cè)樣品之間的距離。由于現(xiàn)代微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，SQUID傳感器可以做的很小，傳感器與樣品之間的距離是決定分辨率的主要因素，低溫測(cè)試時(shí)，SQUID顯微鏡傳感器和樣品可以緊貼在一起，空間分辨率可達(dá)1微米左右。但在室溫測(cè)試時(shí)，空間分辨率為幾十甚至幾百微米。

優(yōu)勢(shì)：掃描SQUID顯微鏡可用于樣品表面微區(qū)磁場(chǎng)分布的定量化圖像分析并可進(jìn)行微區(qū)磁化性能曲線測(cè)量，實(shí)時(shí)磁現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)測(cè)量等。

局限：需要低溫環(huán)境。

掃描SQUID顯微鏡觀察YBCO薄膜上的磁渦旋

F.S.Wells et al. Analysis of low-field isotropic vortex glass containing vortex groups in YBa2Cu3O7?x thin films visualized by scanning SQUID microscopy Sci Rep. 5, 8677(2015)

NV掃描探針顯微鏡（NV-SPM）

近年來，金剛石中存在一種特殊的缺陷結(jié)構(gòu)氮—空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心吸引了廣大研究人員的目光。NV色心具有諸多良好的量子性質(zhì)，例如：可以通過微波與激光對(duì)NV色心電子自旋所處量子態(tài)實(shí)行操縱與讀出。NV色心的基態(tài)能級(jí)在磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生塞曼分裂效應(yīng)，外磁場(chǎng)使得NV色心中本應(yīng)簡(jiǎn)并的兩個(gè)電子自旋態(tài)|ms=±1>分裂開來。根據(jù)施加微波后熒光產(chǎn)生的變化可檢測(cè)兩個(gè)電子自旋態(tài)|ms=±1>與電子自旋態(tài)|ms=0>之間對(duì)應(yīng)的共振頻率，從而獲得對(duì)應(yīng)NV軸朝向上磁場(chǎng)的分量強(qiáng)度。NV掃描探針顯微鏡就是將金剛石中的NV色心集成到AFM探針jian端，結(jié)合AFM掃描技術(shù)，可以獲得樣品表面的磁疇結(jié)果。

優(yōu)勢(shì)：高空間分辨率（10 nm）、高靈敏度 （1uT/Hz^1/2）、無損定量磁成像。

局限：磁場(chǎng)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小。

NV-SPM觀測(cè)反鐵磁磁疇

I. Gross et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer. Nature 13,549(2017)

NV掃描探針顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)在于擁有單個(gè)自旋的*靈敏度（1uT/Hz^1/2）和納米級(jí)的空間分辨率（10 nm）。此外NV色心的光、熱穩(wěn)定性都非常好且對(duì)生物友好，可實(shí)現(xiàn)定量無損的磁學(xué)成像。并且可在多種條件特別是常溫下正常工作，也非常適合作為生命科學(xué)的磁成像工具。

國儀量子推出的量子鉆石原子力顯微鏡

目前，國儀量子已推出商用NV掃描探針顯微鏡—量子鉆石原子力顯微鏡（Quantum diamond atomic force microscope, QDAFM），具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場(chǎng)測(cè)量范圍等獨(dú)到優(yōu)勢(shì)?？蓱?yīng)用于二維材料磁成像、納米電流成像、超導(dǎo)渦旋磁成像、細(xì)胞磁成像，在量子科學(xué)、化學(xué)與材料科學(xué)以及生物和醫(yī)療等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。