看見(jiàn)磁場(chǎng)：磁疇成像方法全景對(duì)比

磁疇，是磁性材料內(nèi)部一個(gè)個(gè)方向相近的微小磁化區(qū)域。它們的尺寸、形狀和運(yùn)動(dòng)方式，決定了材料如何響應(yīng)磁場(chǎng)，也影響磁存儲(chǔ)、自旋電子器件、二維磁性和超導(dǎo)器件的性能。要看清這些看不見(jiàn)的磁結(jié)構(gòu)，就需要磁疇成像技術(shù)。

從電子顯微鏡到量子傳感器，不同方法在空間分辨率、靈敏度、樣品條件和能否定量等方面各有側(cè)重。本文用通俗方式梳理7類(lèi)常見(jiàn)磁成像方法，并說(shuō)明為什么掃描NV探針顯微鏡（SNVM）正成為納米磁學(xué)研究的重要工具。

一、什么是磁疇？

磁疇可以理解為材料內(nèi)部磁矩方向相近的小區(qū)域。在沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，如果所有磁矩都朝同一方向，體系的靜磁能會(huì)很高、也不夠穩(wěn)定。

因此，材料往往會(huì)分成許多磁化方向不同的區(qū)域，形成多疇結(jié)構(gòu)，以降低靜磁能并減小雜散場(chǎng)。受晶體結(jié)構(gòu)、厚度、溫度和外場(chǎng)影響，磁疇可以呈現(xiàn)條狀、迷宮疇、磁渦旋、斯格明子等形貌。材料的宏觀磁性，最終都與這些微觀磁疇的分布、翻轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。

圖1 磁疇結(jié)構(gòu)示意圖

二、七種磁成像方法怎么選？

01


磁力顯微鏡（MFM）

磁力顯微鏡（MFM）是在原子力顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的非接觸式磁成像方法。它通常采用二次掃描：一次以輕敲模式記錄表面形貌；另一次將磁性探針抬高到設(shè)定高度，盡量避開(kāi)表面形貌起伏，測(cè)量探針與樣品雜散場(chǎng)之間的相互作用，并據(jù)此重構(gòu)磁疇、疇壁和局域磁場(chǎng)分布。

優(yōu)勢(shì)：可在空氣、室溫或低溫條件下工作；制樣相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)試方便；對(duì)表面磁疇和疇壁具有較好的空間分辨能力。

局限：通常難以直接給出磁場(chǎng)的絕對(duì)值；磁性探針可能擾動(dòng)弱磁樣品；成像結(jié)果對(duì)針尖狀態(tài)、掃描高度和數(shù)據(jù)反演較敏感。

圖2 MFM觀測(cè)斯格明子

S. Koraltan et al. Magnetic Force Microscopy Signatures of Higher-Order Skyrmions and Antiskyrmions. Advanced Functional Materials,36, 41(2026).

02


光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）

光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）利用光電效應(yīng)獲取樣品表面的電子圖像；結(jié)合偏振X射線和X射線磁圓二色（XMCD）效應(yīng)，還可以把磁化方向轉(zhuǎn)換為可分辨的強(qiáng)度襯度。由于不同元素對(duì)X射線的吸收不同，PEEM能夠?qū)崿F(xiàn)元素分辨的表面磁成像，特別適合研究多組分薄膜和納米結(jié)構(gòu)。

優(yōu)勢(shì)：表面靈敏度高；可進(jìn)行元素分辨磁成像；適合區(qū)分多組分材料中不同磁性元素的貢獻(xiàn)。

局限：需要高真空和高亮度光源，實(shí)驗(yàn)成本高；樣品通常需要具備合適的導(dǎo)電性；強(qiáng)外場(chǎng)和復(fù)雜原位環(huán)境會(huì)增加實(shí)驗(yàn)難度。

圖3 PEEM觀測(cè)納米線疇壁

E. Saugar et al. Domain Wall Rebounds Driven by Competing Entropic and Spin-Transfer Torques in Cylindrical Nanowires, Advanced Functional Materials,36,41(2026).

03


掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡（SSM）

掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡（SSM）以超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）為核心探頭。SQUID利用約瑟夫森效應(yīng)探測(cè)極其微弱的磁通變化，掃描樣品表面后，可以重構(gòu)磁場(chǎng)分布，并進(jìn)一步獲得局域磁化曲線，因此兼具磁成像和磁性定量能力。

優(yōu)勢(shì)：磁通探測(cè)靈敏度高，可定量測(cè)量磁場(chǎng)和磁通，支持微區(qū)磁化曲線與動(dòng)態(tài)磁現(xiàn)象研究。

局限：需要低溫制冷；常規(guī)商用系統(tǒng)的空間分辨率多為微米量級(jí)，難以解析納米尺度的精細(xì)磁疇；高分辨探頭通常意味著更復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖4 SSM對(duì)不同層數(shù)CrSBr薄片進(jìn)行磁成像

Zur Y et al. Magnetic Imaging and Domain Nucleation in CrSBr Down to the 2D Limit, Advanced Materials,36,6(2024).

04


磁光克爾顯微鏡（MOKE）

磁光克爾顯微鏡（MOKE）基于磁光克爾效應(yīng)：偏振光照射樣品后，不同磁化方向會(huì)改變反射光的偏振狀態(tài)。通過(guò)分析偏振旋轉(zhuǎn)或橢偏變化，MOKE可以把磁疇分布轉(zhuǎn)換為明暗或顏色對(duì)比，是常見(jiàn)的光學(xué)磁成像方法之一。

優(yōu)勢(shì)：非接觸、無(wú)損、可重復(fù)；成像速度快，適合實(shí)時(shí)觀察磁疇演化；通過(guò)與低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)或電輸運(yùn)模塊聯(lián)用，可開(kāi)展多種原位實(shí)驗(yàn)。

局限：受光學(xué)衍射極限影響，空間分辨率通常在數(shù)百納米量級(jí)，難以觀察納米級(jí)結(jié)構(gòu)；對(duì)共線反鐵磁和弱磁樣品往往缺乏足夠襯度，適用材料范圍受到限制。

圖5 MOKE觀測(cè)不同磁場(chǎng)下的Mn?Sn

Higo et al. Large magneto-optical Kerr effect and imaging of magnetic octupole domains in an antiferromagnetic metal, Nature Photonics,12,73(2018).

05


洛倫茲透射電子顯微鏡(L-TEM)

洛倫茲透射電子顯微鏡（L-TEM）利用電子束在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的原理成像。高能電子穿透超薄樣品后，軌跡和相位會(huì)發(fā)生變化；通過(guò)離焦成像或電子全息等方法，可以還原納米尺度磁疇、疇壁及斯格明子等拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。

優(yōu)勢(shì)：空間分辨率可達(dá)納米量級(jí)，磁信號(hào)細(xì)節(jié)豐富；結(jié)合低溫、磁場(chǎng)和電流模塊，可原位觀察磁疇和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化。

局限：樣品必須足夠薄，通常需要制備約2–100 nm的電子透明區(qū)域，制樣復(fù)雜且具有破壞性；面內(nèi)磁疇若幾乎沒(méi)有可觀測(cè)的雜散場(chǎng)，成像襯度會(huì)明顯降低；設(shè)備昂貴、操作門(mén)檻高。

圖6 L-TEM觀測(cè)斯格明子

X.Yu et al. Current-driven nonreciprocal response of nonequilibrium skyrmions. Advanced Science,13,31(2026) .

06


光學(xué)二次諧波與磁性二次諧波（SHG/MSHG）

二次諧波（SHG）是一種二階非線性光學(xué)效應(yīng)：兩個(gè)基頻光子在材料中相互作用，產(chǎn)生頻率加倍的光子。磁性二次諧波（MSHG）對(duì)空間反演和時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的破缺都很敏感，因此不同磁疇或Néel矢量取向會(huì)表現(xiàn)出不同的倍頻光強(qiáng)和偏振。調(diào)節(jié)入射偏振、檢偏方向并掃描樣品，就可以實(shí)現(xiàn)磁疇成像。

優(yōu)勢(shì)：非接觸、無(wú)損；對(duì)磁序引起的對(duì)稱(chēng)性破缺高度敏感，能夠觀察部分反鐵磁和鐵電疇；可與變溫、變場(chǎng)及超快泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合。

局限：僅對(duì)對(duì)稱(chēng)破缺體系有效，中心對(duì)稱(chēng)體系通常受到抑制；磁SHG信號(hào)弱；相干干涉效應(yīng)導(dǎo)致定量復(fù)雜；設(shè)備與數(shù)據(jù)分析門(mén)檻高，不直接輸出磁矩絕對(duì)值。

圖7 SHG對(duì)MnPSe?進(jìn)行磁成像

Ni Z et al. Imaging the Néel vector switching in the monolayer antiferromagnet MnPSe₃ with strain-controlled Ising order. Nature Nanotechnology,16,782(2021).

07


掃描NV探針顯微鏡（SNVM）

掃描NV探針顯微鏡（SNVM）依托金剛石中的氮-空位（NV）色心實(shí)現(xiàn)量子磁傳感。激光和微波驅(qū)動(dòng)NV電子自旋時(shí)，局域磁場(chǎng)會(huì)引起自旋能級(jí)的塞曼劈裂；通過(guò)測(cè)量共振頻率偏移，可以反推出樣品表面的局域磁場(chǎng)。探針逐點(diǎn)掃描后，可獲得三維磁場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)納米尺度、無(wú)損且可定量的磁成像。

優(yōu)勢(shì)：無(wú)損、可定量，探針不需要磁化，因而不易擾動(dòng)樣品；可兼容大氣、低溫和外磁場(chǎng)環(huán)境；對(duì)二維材料、超導(dǎo)渦旋、反鐵磁和生物磁信號(hào)等體系具有良好適配性。

局限：磁場(chǎng)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍、探針高度和掃描速度之間需要權(quán)衡；不同樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)往往需要定制NV探針與反演模型。

圖8 使用掃描NV探針顯微鏡對(duì)BFO薄膜進(jìn)行磁成像（國(guó)儀量子實(shí)測(cè)）

三、為什么SNVM值得關(guān)注？

SNVM（Scanning Nitrogen-Vacancy Magnetometer）把NV單自旋量子傳感與掃描探針結(jié)合起來(lái)，在空間分辨率、磁場(chǎng)靈敏度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境兼容性之間取得了很好的平衡。以典型系統(tǒng)為例，其磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)μT/√Hz量級(jí)，空間分辨率可進(jìn)入10 nm量級(jí)；同時(shí)，測(cè)量過(guò)程不需要接觸或磁化樣品，能夠直接獲得三維局域磁場(chǎng)信息。

圖9 國(guó)儀量子掃描NV探針顯微鏡

目前，國(guó)儀量子已推出NV掃描探針顯微鏡SNVM，面向無(wú)損定量探測(cè)、寬溫區(qū)測(cè)量、較寬磁場(chǎng)范圍和原位溫場(chǎng)調(diào)控等需求。它可用于二維磁性薄膜磁成像、納米電流定量測(cè)繪、超導(dǎo)磁通渦旋觀測(cè)，以及低溫反鐵磁疇壁動(dòng)態(tài)表征等場(chǎng)景，為量子磁性、凝聚態(tài)物理、超導(dǎo)器件和低溫自旋電子學(xué)研究提供新的實(shí)驗(yàn)工具。

四、結(jié)語(yǔ)

展望未來(lái)，隨著自旋電子學(xué)和高密度磁存儲(chǔ)技術(shù)不斷發(fā)展，器件中的磁結(jié)構(gòu)將持續(xù)縮小，研究對(duì)象也將由傳統(tǒng)鐵磁體系逐步拓展到磁性更弱、凈磁矩接近于零的反鐵磁體系。磁結(jié)構(gòu)尺寸更小、磁信號(hào)更弱，將對(duì)磁成像技術(shù)的空間分辨率、探測(cè)靈敏度和定量能力提出更高要求，也會(huì)進(jìn)一步凸顯SNVM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。憑借納米級(jí)空間分辨率、弱磁場(chǎng)高靈敏探測(cè)以及無(wú)損、定量和多環(huán)境兼容等特點(diǎn)，SNVM有望在自旋電子學(xué)、高密度磁存儲(chǔ)、量子磁性和低維材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，未來(lái)必將大有可為。

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