本發(fā)明涉及材料的微觀磁性檢測(cè)分析領(lǐng)域，尤其涉及一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法。

背景技術(shù)：

在材料的微觀磁性檢測(cè)分析中，通常使用原子力顯微鏡中的磁力顯微鏡模式。常規(guī)的磁力顯微鏡模式中，采用磁性原子力顯微鏡探針對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描檢測(cè)。測(cè)量過(guò)程中，對(duì)樣品表面的每一行都進(jìn)行兩次掃描：第一次掃描采用輕敲模式，得到樣品在這一行的高低起伏并記錄下來(lái)；然后采用抬高模式，讓磁性原子力顯微鏡探針抬起一定的高度(通常為10～200nm)，并按樣品表面起伏軌跡進(jìn)行第二次掃描，由于探針被抬起且按樣品表面起伏軌跡掃描，故第二次掃描過(guò)程中針尖不接觸樣品表面（不存在針尖與樣品間原子的短程斥力）且與其保持恒定距離（消除了樣品表面形貌的影響），磁性原子力顯微鏡探針因受到的長(zhǎng)程磁力的作用而引起的振幅和相位變化，因此，將第二次掃描中探針的振幅和相位變化記錄下來(lái)，就能得到樣品表面漏磁場(chǎng)的精細(xì)梯度，從而得到樣品的磁疇結(jié)構(gòu)。一般而言，相對(duì)于磁性原子力顯微鏡探針的振幅，其振動(dòng)相位對(duì)樣品表面磁場(chǎng)變化更敏感，因此，相移成像技術(shù)是磁力顯微鏡的重要方法，其結(jié)果的分辨率更高、細(xì)節(jié)也更豐富。

但是，由于材料表面往往存在著不飽和的懸鍵，從而導(dǎo)致在材料表面普遍會(huì)存在靜電荷的累積。而磁性原子力顯微鏡探針尖端磁性層通常為Co/Cr金屬鍍膜，因此，在進(jìn)行磁力測(cè)量時(shí)，磁性原子力顯微鏡探針的振動(dòng)振幅和相位又會(huì)受到材料表面靜電荷所產(chǎn)生的同樣是長(zhǎng)程力的庫(kù)侖相互作用力的影響。因此，利用常規(guī)的磁力顯微鏡對(duì)材料表面的磁性進(jìn)行測(cè)量，其所得結(jié)果并不純粹，其中往往是磁力和靜電力共同作用于磁性原子力顯微鏡探針后所得到結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法，其能夠解決在磁性樣品表面進(jìn)行磁力顯微鏡測(cè)量時(shí)，靜電力對(duì)磁力測(cè)量的干擾問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)磁力與靜電力信號(hào)的分離，并同時(shí)獲得樣品表面的磁性和表面電勢(shì)分布，提升磁力顯微鏡測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法，包括如下步驟：（1）使磁性原子力顯微鏡探針以第一本征頻率振動(dòng)，并對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行第一次掃描，獲得待測(cè)樣品表面形貌曲線；（2）將所述磁性原子力顯微鏡探針抬起預(yù)定高度，并以第一本征頻率振動(dòng)，同時(shí)將一頻率等于所述磁性原子力顯微鏡探針的第二本征頻率的交流信號(hào)與一直流偏壓施加到所述磁性原子力顯微鏡探針上后，按照在步驟（1）中測(cè)量得到的待測(cè)樣品表面形貌曲線對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行第二次掃描；（3）調(diào)節(jié)所述直流偏壓，且對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針第二本征頻率處的振幅和/或頻率信號(hào)進(jìn)行反饋，若所述振幅和/或頻率信號(hào)為零，則所述磁性原子力顯微鏡探針與待測(cè)樣品等電位，輸出該直流偏壓，獲得待測(cè)樣品表面電勢(shì)；若所述磁性原子力顯微鏡探針與待測(cè)樣品等電位，則對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針第一本征頻率處的振幅和/或頻率和/或相位信號(hào)進(jìn)行反饋，得到待測(cè)樣品表面磁疇分布。

進(jìn)一步，在步驟（1）中，利用振蕩器激發(fā)設(shè)置在所述磁性原子力顯微鏡探針懸臂處的壓電陶瓷，使得所述磁性原子力顯微鏡探針以第一本征頻率振動(dòng)。

進(jìn)一步，在步驟（1）中，一光電二極管照射所述磁性原子力顯微鏡探針，光電二極管發(fā)出的光被所述磁性原子力顯微鏡探針?lè)瓷浜螅灰还怆娞綔y(cè)器捕獲，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入向第一鎖相放大器，利用所述第一鎖相放大器反饋輸出的振幅信號(hào)來(lái)獲得待測(cè)樣品的表面形貌曲線。

進(jìn)一步，在步驟（2）中，利用振蕩器激發(fā)設(shè)置在所述磁性原子力顯微鏡探針懸臂處的壓電陶瓷，使得所述磁性原子力顯微鏡探針以第一本征頻率振動(dòng)。

進(jìn)一步，在步驟（2）中，頻率等于磁性原子力顯微鏡探針的第二本征頻率的交流信號(hào)與所述直流偏壓通過(guò)一加法器直接施加至所述磁性原子力顯微鏡探針。

進(jìn)一步，在步驟（2）中，一光電二極管照射所述磁性原子力顯微鏡探針，光電二極管發(fā)出的光被所述磁性原子力顯微鏡探針?lè)瓷浜?，被一光電探測(cè)器捕獲，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入向第一鎖相放大器和第二鎖相放大器，所述光信號(hào)是包含第一本征頻率探測(cè)到的磁力信號(hào)和第二本征頻率探測(cè)到的表面電勢(shì)信號(hào)的混合信號(hào)。

進(jìn)一步，在步驟（3）中，所述第二鎖相放大器對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針第二本征頻率處的振幅或頻率信號(hào)進(jìn)行反饋，獲得待測(cè)樣品表面電勢(shì)的變化曲線，同時(shí)調(diào)節(jié)直流偏壓，使所述磁性原子力顯微鏡探針與待測(cè)樣品等電位；所述第一鎖相放大器對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針第一本征頻率處的振幅、頻率或相位信號(hào)進(jìn)行反饋，得到待測(cè)樣品表面磁疇分布。

進(jìn)一步，在步驟（2）中，所述頻率等于磁性原子力顯微鏡探針的第二本征頻率的交流信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，所述直流偏壓由直流偏壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，基于常規(guī)大氣下的原子力顯微鏡，采用兩次掃描的方式，在第一次掃描時(shí)，利用磁性原子力顯微鏡探針的第一本征頻率的振幅信號(hào)反饋來(lái)測(cè)量形貌，在第二次掃描時(shí)，磁性原子力顯微鏡探針原位抬起一定高度，利用其高次本征振動(dòng)頻率的振幅或頻率信號(hào)反饋來(lái)探測(cè)表面電勢(shì)，并抵消表面靜電荷所導(dǎo)致的靜電力對(duì)探針的作用力，同時(shí)利用第一本征頻率的振幅、頻率或相位反饋信號(hào)得到待測(cè)樣品的表面磁疇分布圖。本發(fā)明方法不會(huì)影響原子力顯微鏡原來(lái)的形貌測(cè)量功能，解決了在磁性樣品表面進(jìn)行磁力顯微鏡測(cè)量時(shí)，靜電力對(duì)磁力測(cè)量的干擾問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)磁力與靜電力信號(hào)的分離，并同時(shí)獲得樣品表面的磁性和表面電勢(shì)分布，提升磁力顯微鏡測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，可應(yīng)用于各種涉及磁性、電學(xué)特性、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的研究和材料、產(chǎn)品性能檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法采用的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說(shuō)明。

參見圖1，本發(fā)明一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法，包括如下步驟：

步驟（1），使所述磁性原子力顯微鏡探針以第一本征頻率振動(dòng)，進(jìn)行第一次掃描，獲得待測(cè)樣品表面形貌曲線。本步驟可以采用輕敲模式，以獲得待測(cè)樣品表面形貌數(shù)據(jù)。

在本具體實(shí)施方式中，利用振蕩器11激發(fā)設(shè)置在所述磁性原子力顯微鏡探針2的懸臂處的壓電陶瓷3，使得所述磁性原子力顯微鏡探針2以第一本征頻率振動(dòng)。

一光電二極管4照射所述磁性原子力顯微鏡探針2，光電二極管4發(fā)出的光被所述磁性原子力顯微鏡探針2反射后，被一光電探測(cè)器5捕獲，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入向第一鎖相放大器6，利用所述第一鎖相放大器6反饋輸出的振幅信號(hào)來(lái)獲得待測(cè)樣品1的表面形貌曲線。

步驟（2），將所述磁性原子力顯微鏡探針抬起預(yù)定高度，并以第一本征頻率振動(dòng)，同時(shí)將一頻率等于所述磁性原子力顯微鏡探針的第二本征頻率的交流信號(hào)與一直流偏壓施加到所述磁性原子力顯微鏡探針上后，按照在步驟（1）中測(cè)量得到的待測(cè)樣品表面形貌曲線對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行第二次掃描。

在本具體實(shí)施方式中，將磁磁性原子力顯微鏡探針2抬起預(yù)定的高度，利用振蕩器11激發(fā)設(shè)置在所述磁性原子力顯微鏡探針2的懸臂處的壓電陶瓷3，使得磁性原子力顯微鏡探針2以第一本征頻率振動(dòng)。同時(shí)將信號(hào)發(fā)生器8產(chǎn)生的、頻率等于磁性原子力顯微鏡探針2的第二本征頻率的交流信號(hào)以及直流偏壓調(diào)節(jié)器10輸出的直流偏壓經(jīng)由加法器9直接施加到磁性原子力顯微鏡探針2上。本發(fā)明所述的第一本征頻率與第二本征頻率為磁性原子力顯微鏡探針2的兩個(gè)不同的本征頻率，即本發(fā)明使用針尖的一個(gè)本征共振頻率進(jìn)行成像，然后用針尖的其他本征共振頻率進(jìn)行電勢(shì)檢測(cè)。

所述光電二極管4照射所述磁性原子力顯微鏡探針2，光電二極管4發(fā)出的光被所述磁性原子力顯微鏡探針2反射后，被所述光電探測(cè)器5捕獲，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入向第一鎖相放大器6和第二鎖相放大器7，所述光信號(hào)是包含第一本征頻率探測(cè)到的磁力信號(hào)和第二本征頻率探測(cè)到的表面電勢(shì)信號(hào)的混合信號(hào)。

步驟（3），調(diào)節(jié)所述直流偏壓，且對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針第二本征頻率處的振幅和/或頻率信號(hào)進(jìn)行反饋，若所述振幅和/或頻率信號(hào)為零，則所述磁性原子力顯微鏡探針與待測(cè)樣品等電位，輸出該直流偏壓，獲得待測(cè)樣品表面電勢(shì)；若所述磁性原子力顯微鏡探針與待測(cè)樣品等電位，則對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針第一本征頻率處的振幅和/或頻率和/或相位信號(hào)進(jìn)行反饋，得到待測(cè)樣品表面磁疇分布。

在本具體實(shí)施方式中，所述第二鎖相放大器7對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針2的第二本征頻率處的振幅或頻率信號(hào)進(jìn)行反饋，同時(shí)調(diào)節(jié)直流偏壓調(diào)節(jié)器10輸入到磁性原子力顯微鏡探針2上的直流偏壓，若所述振幅和/或頻率信號(hào)為零，則所述磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品等電位，輸出該直流偏壓，獲得待測(cè)樣品1表面電勢(shì)的變化曲線。所述磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1等電位即磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1之間的靜電力為零，消除了待測(cè)樣品1表面靜電荷產(chǎn)生的靜電力影響，并獲得表面電勢(shì)的變化曲線。若所述磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1等電位，則所述第一鎖相放大器6對(duì)所述磁性原子力顯微鏡探針2的第一本征頻率處的振幅、頻率或相位信號(hào)進(jìn)行反饋，可解調(diào)出其中包含的磁力信號(hào)，并用振幅、頻率或相位的方式輸出到顯示界面，得到待測(cè)樣品1表面磁疇分布。

下面列舉本發(fā)明兩個(gè)具體實(shí)施例，以進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明一種同時(shí)測(cè)量表面磁性和表面電勢(shì)的方法的步驟。

實(shí)施例1

步驟一：基于現(xiàn)有成熟技術(shù)中常規(guī)原子力顯微鏡的功能，第一次掃描，利用振蕩器11激發(fā)壓電陶瓷3，使得磁性原子力顯微鏡探針2以第一本征頻率振動(dòng)，其振動(dòng)信號(hào)由光電二極管4產(chǎn)生大的激光經(jīng)磁性原子力顯微鏡探針2反射后照射到光電探測(cè)器5上，然后輸入第一鎖相放大器6，利用第一鎖相放大器6反饋輸出的振幅信號(hào)來(lái)獲得待測(cè)樣品1的表面形貌曲線。

步驟二：第二次掃描，將磁性原子力顯微鏡探針2抬起預(yù)定的高度，利用振蕩器11激發(fā)壓電陶瓷3，使得磁性原子力顯微鏡探針2以第一本征頻率振動(dòng)，同時(shí)將信號(hào)發(fā)生器8產(chǎn)生的、頻率等于磁性原子力顯微鏡探針2第二本征頻率的交流信號(hào)以及直流偏壓調(diào)節(jié)器10輸出的直流偏壓經(jīng)由加法器9直接施加到磁性原子力顯微鏡探針2上。類似步驟一，磁性原子力顯微鏡探針2同樣可將光電二極管4中射出的激光信號(hào)反射到光電探測(cè)器5中，該激光信號(hào)是包含第一本征頻率探測(cè)到的磁力信號(hào)和第二本征頻率探測(cè)到的表面電勢(shì)信號(hào)的混合信號(hào)。

步驟三：混合信號(hào)輸入到第二鎖相放大器7中，利用該第二鎖相放大器7對(duì)磁性原子力顯微鏡探針2第二本征頻率處振幅信號(hào)的進(jìn)行反饋，同時(shí)調(diào)節(jié)直流偏壓調(diào)節(jié)器10輸入到磁性原子力顯微鏡探針2上的直流偏壓，若所述振幅信號(hào)為零，則磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1為等電位，即磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1之間的靜電力為零，消除了待測(cè)樣品1表面靜電荷產(chǎn)生的靜電力影響，輸出該直流偏壓，獲得表面電勢(shì)的變化曲線。

若所述磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1等電位，則將光電探測(cè)器5輸出的混合信號(hào)輸入到第一鎖相放大器6中，利用該第一鎖相放大器6對(duì)磁性原子力顯微鏡探針2第一本征頻率處振幅信號(hào)的進(jìn)行反饋，可解調(diào)出其中包含的磁力信號(hào)，并用振幅的方式輸出到顯示界面。

實(shí)施例2

步驟一：基于現(xiàn)有成熟技術(shù)中常規(guī)原子力顯微鏡的功能，第一次掃描，利用振蕩器11激發(fā)壓電陶瓷3，使得磁性原子力顯微鏡探針2以第一本征頻率振動(dòng)，其振動(dòng)信號(hào)由光電二極管4產(chǎn)生大的激光經(jīng)磁性原子力顯微鏡探針2反射后照射到光電探測(cè)器5上，然后輸入第一鎖相放大器6，利用第一鎖相放大器6反饋輸出的振幅信號(hào)來(lái)獲得待測(cè)樣品1的表面形貌曲線。

步驟二：第二次掃描，將磁性原子力顯微鏡探針2抬起預(yù)定的高度，利用振蕩器11激發(fā)壓電陶瓷3，使得磁性原子力顯微鏡探針2以第一本征頻率振動(dòng)，同時(shí)將信號(hào)發(fā)生器8產(chǎn)生的、頻率等于磁性原子力顯微鏡探針2第二本征頻率的交流信號(hào)以及直流偏壓調(diào)節(jié)器10輸出的直流偏壓經(jīng)由加法器9直接施加到磁性原子力顯微鏡探針2上。類似步驟一，磁性原子力顯微鏡探針2同樣可將光電二極管4中射出的激光信號(hào)反射到光電探測(cè)器5中，該激光信號(hào)是包含第一本征頻率探測(cè)到的磁力信號(hào)和第二本征頻率探測(cè)到的表面電勢(shì)信號(hào)的混合信號(hào)。

步驟三：混合信號(hào)輸入到第二鎖相放大器7中，利用該第二鎖相放大器7對(duì)磁性原子力顯微鏡探針2第二本征頻率處頻率信號(hào)的進(jìn)行反饋，同時(shí)調(diào)節(jié)直流偏壓調(diào)節(jié)器10輸入到磁性原子力顯微鏡探針2上的直流偏壓，若所述頻率信號(hào)為零，則磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1為等電位，即磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1之間的靜電力為零，消除了待測(cè)樣品1表面靜電荷產(chǎn)生的靜電力影響，輸出該直流偏壓，獲得表面電勢(shì)的變化曲線。

若所述磁性原子力顯微鏡探針2與待測(cè)樣品1等電位，則將光電探測(cè)器5輸出的混合信號(hào)輸入到第一鎖相放大器6中，利用該第一鎖相放大器6對(duì)磁性原子力顯微鏡探針2第一本征頻率處相位信號(hào)的進(jìn)行反饋，可解調(diào)出其中包含的磁力信號(hào)，并用相位的方式輸出到顯示界面。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。