使用振动样品磁强计进行低力矩测量

      介绍

      用于磁记录应用的超薄磁性薄膜和多层膜的开发有增无减。 此外，用于生物磁性、MEMS 和 NEMS 应用的纳米级磁性材料的研发动力正在增加。 需要提高磁力计的灵敏度，以允许测量由这些材料产生的极小的磁信号。

      尽管最灵敏的磁力计、SQUIDS 和基于力的技术（例如 AGM）允许在 10-8 emu 水平上使用 RMS 噪声水平进行此类测量，但它们的应用程序实用性有限。 SQUIDS 即使在环境温度或高温下运行也需要液氦，而且数据采集过程本身就很慢，因为超导磁体用于磁场生成。 基于力的技术虽然快速，但通常仅限于小样本（通常小于 2 至 3 毫米），这使得样本处理（例如，装载/卸载）困难且繁琐，并且这些方法通常具有相对较差的重现性和 有限的可变温度能力。这两种技术都缺乏鲁棒性和易用性，而这些通常是常规、高吞吐量磁测量应用的理想属性。

      虽然不如这些技术敏感，但 VSM 提供了在低温、高温和环境温度下进行准确和可重复测量的机会。 它可以容纳各种尺寸和任何形式的材料（即固体、薄膜、晶体和液体）。 此外，VSM 是一种坚固耐用的仪器，使用简单且具有快速数据采集周期的特点，使其成为磁性研究环境和磁性计量（例如异地在线计量）应用的理想选择。 此外，VSM 灵敏度的改进已将其实用性扩展到通常为 SQUIDS 和力技术保留的那些测量应用中，即低力矩测量。

      本文将广泛强调低力矩测量的重要 VSM 设计考虑因素，并将展示使用 Lake Shore VSM 记录的低力矩数据，从而展示其性能特征。

      低力矩测量的注意事项

      有许多相关问题会影响 VSM 在低力矩材料上进行磁性测量的有效性：

      1) 背景信号——低力矩样品的 VSM 测量通常由样品架产生的抗磁或顺磁贡献主导，在薄膜的情况下，薄膜基底材料。 从这些背景信号中提取由相关磁性层产生的磁信号需要：a）最小化样品架磁特征，和 b）减去基板贡献的方法。 Lake Shore 开发的样品架具有非常小的磁信号，非常适合低力矩测量。 此外，可以测量衬底材料并随后从产生来自磁性层的磁信号的膜+衬底数据中减去，或者对膜+衬底数据应用线性校正以分析去除衬底贡献。 这两个功能都已集成到 VSM 系统软件中。

      2) 灵敏度——VSM 的灵敏度取决于许多因素：

      - 电子灵敏度

      - 通过信号平均来抑制噪声

      - 机械驱动的振幅和频率

      - 感应线圈的热噪声

      - 针对特定样品几何形状优化的感应线圈设计

      - 优化了传感线圈与被测样品的耦合（接近度）

      - 机械头组件与电磁铁和 VSM 传感线圈的振动隔离

      - 尽量减少可能对 VSM 灵敏度产生有害影响的环境、机械和电气噪声源

      Lake Shore VSM 的设计和开发考虑了所有这些因素。 电子和机械（磁头驱动）子系统不断改进。 已经开发出针对大型（最大 25 毫米）和小型（<6 毫米）圆盘几何形状进行优化的感应线圈设计。 使用允许优化传感线圈耦合（接近）到任何样品几何形状的可变间隙电磁铁。 此外，采用VSM磁头安装结构，将VSM磁头与电磁铁和传感线圈隔离，从而消除了磁头振动耦合，提高了背景信号的线性度和VSM灵敏度。

      当针对小样本（<6 毫米）的低力矩测量进行优化时，Lake Shore VSM 的 RMS 噪声优于 1 µemu，使其成为对超薄磁性薄膜和多层以及纳米级磁性材料进行磁性测量的理想选择。

      低力矩样品的测量结果

      作为性能能力的展示，以下是几个硬盘 (HD) 薄膜样品的典型 Lake Shore VSM 低力矩测量结果。

      图 1 显示了 CoCrPtTa 合金 HD 薄膜样品 (5 mm × 5 mm) 的磁滞 M(H) 回线。数据是在环境室温下记录的，施加的 10 kOe (1 T) 磁场与面内对齐并平行于 易磁化轴。 提供的数据适用于：1) 薄膜 + 基板 + 支架，2) 基板 + 支架，和 3) (1) – (2)，或仅用于磁性薄膜的 M(H) 环。 请注意 VSM 样品架产生的非常低的背景信号。 即使使用反磁性基板，在 10 kOe 时总信号的贡献也仅为 50 µemu。 这些结果说明了上一节中讨论的背景问题的重要性。

      图 2 显示了饱和力矩分别为 25 和 10 µemu 的两种 CoCrPtX 合金 HD 薄膜的 M(H) 循环数据。 这些结果表明 Lake Shore VSM 具有出色的信噪比 (SNR) 或灵敏度特性。 请注意，峰峰值数据分散仅在几个 µemu 级别，符合优于 1 µemu 的 RMS 噪声规范。

      概括

讨论了使用振动样品磁强计测量低磁矩磁性材料。 广泛强调了进行具有卓越 SNR 特性的此类测量的相关问题，并提供了低力矩高清电影样本的数据，从而显示了 Lake Shore VSM 的低力矩测量能力。 随着薄膜厚度的进一步减小，以及随着纳米级磁性材料的发展，将需要进一步提高 VSM 灵敏度和开发具有更高灵敏度的替代磁力测量方法。 现有方法的不断发展和改进，以及新磁测量技术的开发在湖岸不断进行。