使用振動樣品磁強計進行低力矩測量

      介紹

      用于磁記錄應用的超薄磁性薄膜和多層膜的開發有增無減。 此外，用于生物磁性、MEMS 和 NEMS 應用的納米級磁性材料的研發動力正在增加。 需要提高磁力計的靈敏度，以允許測量由這些材料產生的極小的磁信號。

      盡管最靈敏的磁力計、SQUIDS 和基于力的技術（例如 AGM）允許在 10-8 emu 水平上使用 RMS 噪聲水平進行此類測量，但它們的應用程序實用性有限。 SQUIDS 即使在環境溫度或高溫下運行也需要液氦，而且數據采集過程本身就很慢，因為超導磁體用于磁場生成。 基于力的技術雖然快速，但通常僅限于小樣本（通常小于 2 至 3 毫米），這使得樣本處理（例如，裝載/卸載）困難且繁瑣，并且這些方法通常具有相對較差的重現性和 有限的可變溫度能力。這兩種技術都缺乏魯棒性和易用性，而這些通常是常規、高吞吐量磁測量應用的理想屬性。

      雖然不如這些技術敏感，但 VSM 提供了在低溫、高溫和環境溫度下進行準確和可重復測量的機會。 它可以容納各種尺寸和任何形式的材料（即固體、薄膜、晶體和液體）。 此外，VSM 是一種堅固耐用的儀器，使用簡單且具有快速數據采集周期的特點，使其成為磁性研究環境和磁性計量（例如異地在線計量）應用的理想選擇。 此外，VSM 靈敏度的改進已將其實用性擴展到通常為 SQUIDS 和力技術保留的那些測量應用中，即低力矩測量。

      本文將廣泛強調低力矩測量的重要 VSM 設計考慮因素，并將展示使用 Lake Shore VSM 記錄的低力矩數據，從而展示其性能特征。

      低力矩測量的注意事項

      有許多相關問題會影響 VSM 在低力矩材料上進行磁性測量的有效性：

      1) 背景信號——低力矩樣品的 VSM 測量通常由樣品架產生的抗磁或順磁貢獻主導，在薄膜的情況下，薄膜基底材料。 從這些背景信號中提取由相關磁性層產生的磁信號需要：a）最小化樣品架磁特征，和 b）減去基板貢獻的方法。 Lake Shore 開發的樣品架具有非常小的磁信號，非常適合低力矩測量。 此外，可以測量襯底材料并隨后從產生來自磁性層的磁信號的膜+襯底數據中減去，或者對膜+襯底數據應用線性校正以分析去除襯底貢獻。 這兩個功能都已集成到 VSM 系統軟件中。

      2) 靈敏度——VSM 的靈敏度取決于許多因素：

      - 電子靈敏度

      - 通過信號平均來抑制噪聲

      - 機械驅動的振幅和頻率

      - 感應線圈的熱噪聲

      - 針對特定樣品幾何形狀優化的感應線圈設計

      - 優化了傳感線圈與被測樣品的耦合（接近度）

      - 機械頭組件與電磁鐵和 VSM 傳感線圈的振動隔離

      - 盡量減少可能對 VSM 靈敏度產生有害影響的環境、機械和電氣噪聲源

      Lake Shore VSM 的設計和開發考慮了所有這些因素。 電子和機械（磁頭驅動）子系統不斷改進。 已經開發出針對大型（最大 25 毫米）和小型（<6 毫米）圓盤幾何形狀進行優化的感應線圈設計。 使用允許優化傳感線圈耦合（接近）到任何樣品幾何形狀的可變間隙電磁鐵。 此外，采用VSM磁頭安裝結構，將VSM磁頭與電磁鐵和傳感線圈隔離，從而消除了磁頭振動耦合，提高了背景信號的線性度和VSM靈敏度。

      當針對小樣本（<6 毫米）的低力矩測量進行優化時，Lake Shore VSM 的 RMS 噪聲優于 1 μemu，使其成為對超薄磁性薄膜和多層以及納米級磁性材料進行磁性測量的理想選擇。

      低力矩樣品的測量結果

      作為性能能力的展示，以下是幾個硬盤 (HD) 薄膜樣品的典型 Lake Shore VSM 低力矩測量結果。

      圖 1 顯示了 CoCrPtTa 合金 HD 薄膜樣品 (5 mm × 5 mm) 的磁滯 M(H) 回線。數據是在環境室溫下記錄的，施加的 10 kOe (1 T) 磁場與面內對齊并平行于 易磁化軸。 提供的數據適用于：1) 薄膜 + 基板 + 支架，2) 基板 + 支架，和 3) (1) – (2)，或僅用于磁性薄膜的 M(H) 環。 請注意 VSM 樣品架產生的非常低的背景信號。 即使使用反磁性基板，在 10 kOe 時總信號的貢獻也僅為 50 μemu。 這些結果說明了上一節中討論的背景問題的重要性。

      圖 2 顯示了飽和力矩分別為 25 和 10 μemu 的兩種 CoCrPtX 合金 HD 薄膜的 M(H) 循環數據。 這些結果表明 Lake Shore VSM 具有出色的信噪比 (SNR) 或靈敏度特性。 請注意，峰峰值數據分散僅在幾個 μemu 級別，符合優于 1 μemu 的 RMS 噪聲規范。

      概括

討論了使用振動樣品磁強計測量低磁矩磁性材料。 廣泛強調了進行具有卓越 SNR 特性的此類測量的相關問題，并提供了低力矩高清電影樣本的數據，從而顯示了 Lake Shore VSM 的低力矩測量能力。 隨著薄膜厚度的進一步減小，以及隨著納米級磁性材料的發展，將需要進一步提高 VSM 靈敏度和開發具有更高靈敏度的替代磁力測量方法。 現有方法的不斷發展和改進，以及新磁測量技術的開發在湖岸不斷進行。