纳米磁性材料的磁力测量

      摘要

      磁力计用于表征磁性材料的特性。 最常用于表征材料磁性的测量是主要磁滞回线的测量。 更复杂的磁化曲线涵盖了磁场和磁化值位于主磁滞回线内的状态，例如一阶反转曲线 (FORC)，可以提供可用于表征磁性材料中的磁相互作用和矫顽力分布的额外信息。 在本次演示中，我们将展示一种快速、高灵敏度（15 nemu RMS 本底噪声）基于电磁体的 VSM，该 VSM 设计用于在广泛的温度范围（4.2 K 至 1273 K）和磁场（>3.2 T)，我们将展示各种纳米级磁性材料的典型测量结果。

      1 磁测量技术

      磁力测量技术可大致分为两类：感应式和基于力的。 两种最常用的感应技术是振动样品 (VSM) 和超导量子干涉装置 (SQUID) 磁力测量法。 交替梯度磁力测量 (AGM) 是最常用的基于力的技术。 由于存在少量磁性材料，纳米级磁性材料（纳米线、纳米粒子、薄膜等）通常具有弱磁性特征。 因此，在确定哪种类型的磁力计最适合特定材料时，最重要的考虑因素之一是它的灵敏度，因为这决定了可以用可接受的信噪比测量的最小磁矩。 测量速度，即测量滞后环路所需的时间，也很重要，因为它决定了样本吞吐量，而且对于 FORC 测量尤为重要，因为典型的 FORC 系列可能包含数千到数万个数据点。 最后要考虑的是要执行测量的温度和场范围。

      1.1 振动样品磁强计（VSM）

      在最初由麻省理工学院林肯实验室的 Simon Foner 开发的振动样品磁力测量中，磁性材料在均匀磁场 H 内振动，在适当放置的感应线圈中感应出电流。感应线圈中感应的电压与正比 到样品的磁矩。 磁场可以由电磁体或超导磁体产生。 使用集成的低温恒温器或熔炉，可以在 <2 K 到 1273 K 的范围内执行 VSM 测量。

      商业 VSM 系统使用传统电磁铁提供对 ~3.4 T 场强的测量，以及使用超导磁体产生高达 16 T 场的系统。在基于电磁铁的 VSM 中，典型的磁滞回线测量只需几秒到一秒 几分钟，而一系列典型的 FORC 需要几分钟到几小时。 当与超导磁体一起使用时，可能会出现更高的场强，这对于使某些磁性材料（例如稀土永磁体）饱和是必要的，但是由于使用超导磁体可以改变磁场的速度，测量速度本来就较慢。 典型的磁滞回线测量可能需要数十分钟或更长时间，而典型的一系列 FORC 可能需要一天或更长时间。 使用超导磁体的磁力计运行成本更高，因为它们需要液氦。 无致冷剂系统采用闭式循环制冷机或液化器，可在基于液氦的系统中回收氦气，但这些代表着昂贵的资本设备投资。 商用 VSM 的本底噪声在 10–7 到 10-8 emu 范围内。

      1.2 超导量子干涉仪（SQUID）磁力测量

      基于 SQUID 的磁力计使用量子力学效应与超导检测线圈电路来测量材料的磁性。 理论上，SQUID 能够达到 10-12 emu 的灵敏度，但实际上，它们的本底噪声限制在 10-8 emu，因为 SQUID 也会接收环境噪声。 与在 VSM 中一样，SQUID 可用于执行从低温到高温（从 <2 K 到 1000 K）的测量。 SQUID 中使用场强高达 7 T 的超导磁体； 因此，由于磁场的变化速度，测量本身就很慢，基于超导磁体的 VSM 系统就是这种情况。 典型的磁滞回线测量可能需要数十分钟或更长时间，而典型的一系列 FORC 可能需要一天或更长时间。

      1.3 交变梯度磁力法（AGM）

      力法涉及确定材料置于非均匀磁场中时重量的表观变化。 这种力法所需的设备是电磁铁或超导磁铁，以及用于力测量的天平。 这些方法的商业变体是交变梯度磁力计 [2]。 AGM 的本底噪声在 10–8 到 10–9 emu 范围内，并且与 VSM 一样，AGM 是一种非常快速的测量； 一个典型的滞后环路需要几秒到几分钟，而一个典型的 FORC 系列需要几分钟到几小时。 商用 AGM 系统可用于环境温度测量，可达到电磁体可达到的中等 ~3 T 场。

      2 基于电磁铁的 VSM：灵敏度和速度

      图 1 显示了基于电磁铁的 VSM 的示意图。 电磁体产生可变磁场。 VSM 感应线圈安装在磁铁的磁极面上，并经过平衡以在没有样品的情况下产生零信号（电压）。 与高斯计相连的霍尔探头也安装在电磁铁极面上，用于磁场的闭环控制。 任何形式的样品（固体、粉末、薄膜等）固定在 VSM 样品杆的末端，而 VSM 样品杆又连接到 VSM 头。 样品在传感线圈内沿 z 方向振动，传感线圈中产生的感应电压通过前置放大器，然后到达窄带宽锁定放大器 (LIA)，该放大器调谐到驱动频率 VSM 头。

图 1：VSM 的示意图。

      VSM 的灵敏度取决于许多因素：

      • 电子灵敏度。

      • 通过信号调理抑制噪声。

      • 机械驱动的振幅和频率。

      • 传感线圈的热噪声。

      • 优化设计和传感线圈与被测样品的耦合（接近）。

      • 机械头组件与电磁体和VSM 传感线圈的振动隔离，以及环境机械和电气噪声源的最小化，这些噪声源会对VSM 灵敏度产生有害影响。

      VSM 感应线圈中感应的电压由下式给出：

      从这个等式可以清楚地看出，增加 A、f 或 S 将提高力矩灵敏度。 S 可以通过增加感测线圈和被测样品之间的耦合（即最小化间隙间距）或优化感测线圈的设计（即绕组数、线圈几何形状等）来增加，并且， 当然，信号平均也提高了灵敏度。 下面显示的数据是使用 Lake Shore 8600 VSM 型 [2] 在环境温度下记录的。 在该系统中，磁头驱动频率为 83 Hz，驱动振幅在 0.064 mm 和 6.4 mm 峰峰值之间可变，控制/测量电子设备和传感线圈已针对表征具有弱磁特征的纳米磁性材料进行了优化。

      图 2 和图 3 显示了 100 毫秒/点（顶部）和 10 秒/点（底部）平均的典型噪声测量结果。请注意，垂直轴以 nemu (10–9 emu) 表示。RMS 噪声值记录在 图形标题。

      图 2 和图 3：100 毫秒/点（图 2，顶部）和 10 秒/点（图 3，底部）平均噪声。 观察到的噪声分别为 119.5 nemu 和 13 nemu RMS。

      8600 VSM 还专为快速测量而设计，提供高达 1 T/s 的场斜率和高达 10 ms/点的数据采集速度。 图 4 显示了饱和力矩 msat = 20 µemu (10-6 emu) 的 CoPt 位图（位大小 <100 nm）磁介质（薄膜）样本的典型低力矩测量结果。 以 100 毫秒/点平均的 25 Oe 步长记录了 ±5 kOe 的滞后回线。 总回路测量时间为 1 分钟 25 秒。图 5 显示了合成反铁磁薄膜 [Ta(2.5 nm)/Ru(5 nm)/Co(5 nm)/Ru(0.8 nm)/Co(5 nm) 的结果 )/Cu(6 nm)/Co(5 nm)/Ru(1.4 nm)/Co(10 nm)/Ta(5 nm)]，msat <2 µemu。 以 2 秒/点平均的 2.5 Oe 步长记录 ±500 Oe 的滞后环路。总环路测量时间为 28 分钟。

      图 5：<2 µemu 合成反铁磁薄膜在 2 秒/点磁滞回线上 28 分钟。

      3 一阶反转曲线(FORC)

      FORC 的测量方法是使场 Hsat 中的样本饱和，将场降低到反转场 Ha，然后在一系列常规场步 Hb 中将场扫回到 Hsat。 对许多 Ha 值重复此过程，产生一系列 FORC。 FORC 分布 ρ(Ha,Hb) 是混合二阶导数，即 ρ(Ha,Hb) = –(1/2)∂2 M(Ha,Hb)/∂Ha∂Hb。 FORC 图是 ρ(Ha,Hb) 的 2D 或 3D 等值线图，其中轴通过将坐标从 (Ha,Hb) 更改为 Hc = (Hb–Ha)/2 和 Hu = (Hb+Ha)/2 而旋转 其中 Hu 对应于相互作用或反转场的分布，Hc 对应于转换场或强制场的分布。

      FORC 已被地球和行星科学家广泛用于研究自然样品的磁性，因为 FORC 可以区分单畴 (SD)、多畴 (MD) 和伪单畴 (PSD) 行为，并且因为它可以区分不同的磁性 矿物种类。 它还被用于表征磁记录介质、纳米线阵列、交换耦合永磁体和交换偏置磁性多层中的相互作用和矫顽力分布。 最后，虽然仅通过磁滞回线测量很难揭示多相磁性材料的复杂磁特征，但 FORC 可以区分此类材料中的相。

      一个典型的 FORC 系列可以包含数千到数万个数据点，如果磁力计的测量速度很慢，则测量非常耗时。 图 6 显示了 100 个 FORC（8818 个数据点）以 500 毫秒/点的平均速度记录在 1 小时和 20 分钟内，用于图 4 中所示的 CoPt 位图磁介质（薄膜）样本。这是时间的一小部分 如果使用基于超导磁体的 VSM 或 SQUID 系统，则需要。 图 7 显示了生成的 2D FORC 图，其中 Hu 对应于相互作用或反转场的分布，Hc 对应于开关场或矫顽场的分布。 FORC 分布的“飞旋镖”形状和最大值向负相互作用场的转变是通常与交换相互作用相关的特征，因此这些结果表明交换相互作用正在相邻位之间发生。

      图 7：CoPt 位图磁介质（薄膜）样品的 2D FORC 图。

      4 总结

      在本文中，我们讨论了最常用的感应和基于力的磁力测量方法的优缺点，并介绍了一种基于电磁铁的 VSM，该方法经过优化，可用于表征具有弱磁特征的纳米磁性材料。 我们提供了作为信号平均函数的测量 RMS 噪声数据，以及具有 <2 和 20 µemu 饱和力矩的样品的典型滞后环路测量。 还提供了快速滞后和低力矩 (20 µemu) FORC 测量结果，证明了 VSM 的测量速度，这在获取 FORC 数据时尤为重要。