如何“看見”磁疇？掃描NV探針顯微鏡常見問題解答

更新時(shí)間：2025-09-25 點(diǎn)擊次數(shù)：346

什么是掃描NV探針顯微鏡（SNVM）？

掃描NV探針顯微鏡（SNVM）是一款結(jié)合了金剛石氮-空位色心（NV）光探測磁共振（ODMR）技術(shù)和原子力顯微鏡（AFM）掃描成像技術(shù)的量子精密測量儀器，可實(shí)現(xiàn)對樣品高空間分辨率、高靈敏度、定量無損的磁成像。近年來，科學(xué)家利用SNVM在反鐵磁、石墨烯、磁性斯格明子、二維磁性材料、超導(dǎo)渦旋、古地磁與隕石等方向取得了一系列重大成果。^1–8

室溫版SNVM

低溫版SNVM

SNVM比起磁力顯微鏡MFM和磁光克爾顯微鏡MOKE的獨(dú)特優(yōu)勢是什么？SNVM能解決什么問題？

MFM的磁性針尖可能會(huì)干擾樣品原本的磁疇結(jié)構(gòu)；MOKE空間分辨率受到光學(xué)衍射極限的限制，通常為300 nm。SNVM具有最高10nm空間分辨率和單電子級靈敏度，且具有定量無損的特點(diǎn)，是研究磁性材料的新利器。

SNVM尤其適合對弱磁性樣品進(jìn)行磁成像，比如二維磁性材料，反鐵磁等；適合對矯頑力低的磁性樣品進(jìn)行磁成像；對磁結(jié)構(gòu)或磁矩密度進(jìn)行定量研究；對磁疇進(jìn)行高空間分辨率成像。

SNVM磁場空間分辨率10 nm和靈敏度1μT?√Hz具體含義？

磁場空間分辨率10 nm指儀器測試樣品磁場等高線圖的空間定位精度能到10 nm。因此與樣品磁學(xué)性質(zhì)、探針與樣品距離、儀器穩(wěn)定性與靈敏度都有關(guān)系。

小于10 nm的磁疇結(jié)構(gòu)或者磁性顆粒在空間上磁場分布可能遠(yuǎn)大于10 nm，因此SNVM可以對小于10 nm的磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。

磁斯格明子產(chǎn)生的0磁場等高線。SNVM，Iso-B （等高線模式）

靈敏度 1μT?√Hz 指儀器采樣1s的時(shí)間能夠測出 1μT 磁場變化。單電子在10 nm處產(chǎn)生磁場大約 1μT，因此SNVM的靈敏度對于絕大多數(shù)磁性樣品是足夠的。SNVM采樣時(shí)間越長，能夠測到越弱的磁場。

SNVM測試對樣品有什么要求？

SNVM 對樣品的要求比較寬松，大部分常見樣品都能測，核心判斷標(biāo)準(zhǔn)有3 個(gè)。

1 樣品狀態(tài)：固體，粉末狀樣品可以粘合成塊狀后測試；

2 樣品尺寸：樣品臺通常能放小于10 mm×10 mm的樣品，太大的樣品可以裁剪后測試；

3 樣品表面粗糙度：SNVM要求樣品表面較為平整，如在100 μm×100 μm范圍內(nèi)起伏小于1 μm，太大的起伏會(huì)降低測試分辨率和靈敏度。對于較為粗糙的樣品，可以使用機(jī)械、激光等手段進(jìn)行拋光后測試。

SNVM測試時(shí)可對樣品施加什么條件？

國儀量子的低溫SNVM可以為樣品提供連續(xù)可變的2~300 K溫度、0~9 T-1 T-1 T三維矢量磁場、0~4GHz微波場環(huán)境，也可以對樣品施加電壓/電流調(diào)控。

金剛石探針使用壽命？

SNVM探針的使用壽命通常為3-6個(gè)月（按每周使用20小時(shí)計(jì)算），具體取決于使用頻率和操作規(guī)范（若頻繁發(fā)生探針與樣品碰撞，壽命可能縮短至1個(gè)月以內(nèi)）。國儀量子掌握全流程金剛石探針生產(chǎn)工藝，可以保證不會(huì)因?yàn)槿鄙偬结樣绊懣蛻魧?shí)驗(yàn)。

SNVM完成一幅圖的掃描一般需要多久？

掃描速度取決于設(shè)置的像素?cái)?shù)和采樣時(shí)間，速度上限由NV計(jì)數(shù)率決定。一般的，等高線模式（半定量模式）在10min左右；定量模式在1h左右。

SNVM可以測磁場方向嗎？可以測試樣品的磁矩嗎？

目前使用的SNVM定量測到的結(jié)果是磁場沿著NV軸[111]的投影分量，需要進(jìn)一步計(jì)算得到磁場矢量分布，后續(xù)會(huì)在3.2版本軟件中發(fā)布這項(xiàng)功能，現(xiàn)在可以詢問工程師獲取計(jì)算程序。

需要注意的是，同一種磁場分布，可以得到無數(shù)種磁矩密度分布，需要對磁矩分布進(jìn)行特定規(guī)范才能有唯一解：比如已知方向是面外或者面內(nèi)，得到大小分布。

SNVM除了測磁，還具有什么功能？

在量子傳感方向，SNVM可以對DC磁場與AC磁場（射頻）進(jìn)行探針與成像，除此之外，SNVM具有部分AFM、MFM和CFM功能，也具有測溫度與電場的潛力。

在量子模擬方向，SNVM配備了高精度時(shí)序控制模塊，可以進(jìn)行基礎(chǔ)的量子模擬與量子計(jì)算教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

參考資料：

1. Gross, I. et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer. Nature 549, 252–256 (2017).

2. Thiel, L. et al. Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy. Science 364, 973–976 (2019).

3. Ku, M. J. H. et al. Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene. Nature 583, 537–541 (2020).

4. Song, T. et al. Direct visualization of magnetic domains and moiré magnetism in twisted 2D magnets. Science 374, 1140–1144 (2021).

5. Li, X. et al. Proximity-induced chiral quantum light generation in strain-engineered WSe2/NiPS3 heterostructures. Nat. Mater. 22, 1311–1316 (2023).

6. Zhu, Y.-P. et al. Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet. Nature 626, 523–528 (2024).

7. Palm, M. L. et al. Observation of current whirlpools in graphene at room temperature. Science 384, 465–469 (2024).

8. Jiang, C. Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons embedded in a hexagonal boron nitride lattice. Nat. Mater.

國儀量子具有豐富的樣品測試經(jīng)驗(yàn)，支持現(xiàn)場考察和寄樣測試。如您有相關(guān)樣品測試需求，歡迎掃描下方二維碼或郵件聯(lián)系工程師。

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