铁磁共振MExFM原子分辨率磁交换力检测成像研究

Electron spin interactions play an important role in elucidating properties of atomic-scale nano-structures. Magnetic exchange force microscopy (MExFM), as a novel method to measuring the spin interaction, has a disadvantage that it cannot directly separate topography and spin information. Purpose of this research is to find a new method to solve this problem by direct observation of the magnetic exchange force utilizing the home-built atomic force microscopy (AFM) based on the ferromagnetic resonance principle (FMR). The objective is to discover physical and chemical properties of the magnetic materials by deciding the optimization of measuring magnetic exchange force theoretically and experimentally. In order to achieve this objective, some key issues such as magnetic probe manufacture, atomic resolution FMR imaging and their relationship have to be established. By clarifying the properties of surface spin and further understanding the magnetic phenomenon for the atomic nano-structure, we can develop a new generation novel spin magnetic material which can replace the traditional electric components. This achievement is crucial for understanding the properties of atomic magnetic materials and progress of the related magnetic fields. It can promote the development of the spintronics devices, and also an indispensable measurement technique for the high information society.

电子自旋对原子级别纳米构造体磁性质的理解和电子自旋器件的研制是极为重要的。磁交换力显微镜（MExFM）是测量原子磁矩相互作用力的一种重要手段，但是这种手段不能分离表面形貌和自旋信息。本研究目的是利用铁磁共振和我们已开发的原子分辨率力显微镜分离试料表面形貌信息和自旋信息。研究目标是从理论和实验上确立测量磁交换力的条件，研究磁性材料表面的物理化学性质。这需要解决磁性探针制作以及铁磁共振原子成像等关键问题，在实验和理论上论证自旋铁磁成像与磁性探针针尖的关系。通过揭示自旋材料表面原子的性质，更深入的理解原子级纳米结构的磁作用力和磁现象，研制出新一代电磁元件的新型自旋磁性纳米材料。上述研究成果可以促进对原子级磁性材料机能的理解以及磁性相关科学领域的进步，特别是对自旋电子元件的发展有很大的促进作用，是新世纪高度信息化社会不可缺少的测量技术。

磁矩（Magnetic moment: spin）间的相互作用力是理解纳米构造体磁性质极为重要的因素。我们利用铁磁共振和已开发的原子分辨率的原子力显微镜、解決了磁交换力的检测和成像的问题从而实现试料表面形貌信息和自旋信息的分离。促进了对原子级磁性材料机能的理解以及磁性相关科学领域的进步，特别是对自旋电子元件的发展有很大的促进作用，是新世纪高度信息化社会不可缺少的测量技术。. 我们充分利用现有仪器设备，成功地制作了磁性探针，使得探针的磁性材料薄膜的矫顽力降低，调频更加容易；同时，当针尖尖端磁化方向与磁性材料表面电子自旋方向一致（相反）时，探针针尖与材料表面原子发生作用时得到最大（最小）磁交换力的机率最大。不仅造价低，使用简单，而且探针在扫描过程中更加稳定，且针尖不容易发生变化，有效解决磁性探针针尖方向的磁化。. 使用同轴线圈作为微波发射机构，照射在镀磁性物质的探针上，随着探针靠近试料表面，探针的频率会发生变化。此时，改变微波频率，磁性力会随着微波频率的变化而变化，探针外层的磁性物质受微波的作用发生共振。.成功地探测到了铁磁共振现象，并确定了共振频率，并检测了硬盘表面磁信息和表面形貌信息，初步分离了磁物质表面的表面形貌和磁信息的目的，使得磁信息的测量不受外部磁场干扰。. 通过微波照射机构的电场和磁场仿真得到了微波在电缆间的传播、衰减规律，得出了微波照射电缆探头与探针距离之间的关系，确定了最优化的实验条件。同时，根据最优化设计，我们成功提高了铁磁共振的检测灵敏度，运用改进后的FMR-MExFM，我们实现了磁性信息N极和S极的180°的相位差，得到了更高分辨率和更准确的表面结构信息和磁信息。. 已发表论文14篇，其中SCI索引10篇，申请国家专利3项（已受理），联合培养博士生三名，指导硕士研究生七名(已毕业三名)。作为协办单位在大阪与日本JSPS联合举办国际会议一次,主要负责人李艳君、马宗敏等参加国际会议及交流8人次。