磁力显微镜（英文：Magnetic force microscope，缩写：MFM）是一种原子力显微镜，其通过磁性探针扫描磁性样品，并检测探针与样品表面的相互作用，以重构样品表面的磁性结构。磁力显微镜可以测量多种磁性相互作用（包括磁偶极相互作用），其扫描过程通常采用非接触模式。
概述
在磁力显微镜测量中，样品与探针之间的磁力可表述为：
:\vec F=\mu_0 (\vec m \cdot \nabla ) \vec H \,\!
其中 \vec m \, \! 是探针的磁矩，\vec H \, \! 是样品表面的杂散磁场，而 \mu_0 是自由空间磁导率。
由于样品的杂散磁场会影响探针的磁性状态，同时探针的磁场也会影响样品，因此对磁力显微镜测量结果的解释较为复杂。例如，为了进行定量分析，必须准确确定磁化探针的几何形状。
其典型分辨率可达 30 nm，在特定条件下甚至可以实现 10 到 20 nm 的分辨率。
发展历史
磁力显微镜的发展主要受到以下发明的推动：
1982年 - 扫描隧道显微镜（STM）
- 将探针与样品之间的隧道电流作为信号。
- 探针和样品都必须是导体。
1986年 - 原子力显微镜（AFM）
- 探针与样品之间的相互作用力（原子力/静电力）可通过灵敏的微悬臂偏转来检测。
- 悬臂探针通常悬停在距样品数十纳米的上方。
1987年 - 磁力显微镜（MFM）
- 源于原子力显微镜，实现了对探针与样品之间磁力的测量。
- 通过磁化探针在样品表面进行光栅扫描，可以获得杂散磁场的图像。
磁力显微镜结构
磁力显微镜的主要组件和特性包括：
压电扫描仪
- 用于在 x、y 和 z 方向上移动样品。
- 通过在不同方向的电极上施加电压来实现移动，通常的比例为每 1 到 10 nm 移动需 1 伏特电压。
- 通过在样品表面进行缓慢的光栅扫描来生成图像。
- 扫描区域范围通常从几微米到 200 微米不等。
- 成像时间通常在几分钟到 30 分钟之间。
磁性探针与悬臂
- 磁性探针位于灵敏的微悬臂一端，通常是在普通 AFM 探针上涂覆磁性材料制成。
- 过去，探针通常通过蚀刻镍等磁性材料制成。
- 如今，探针及其悬臂多采用结合微加工和光刻技术来制造。这使得制造出更小、更易操控的探针成为可能。
- 悬臂通常由单晶硅、二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）制成。其中，氮化硅悬臂通常更耐用，且具有较小的恢复力常数（k）。根据悬臂材料的不同，其恢复力常数一般在 0.01 到 100 N/m 之间。
- 探针表面镀有一层极薄（< 50 nm）的磁性薄膜（如镍或钴）。这些薄膜通常具有较高的矫顽力，以确保探针的磁性状态（磁化强度 M）在成像过程中不会发生改变。
- 探针悬臂模块通常由压电晶体驱动，以接近其共振频率的频率（通常在 10 kHz 到 1 MHz 之间）进行振动。当探针以极近的距离（< 10 nm）扫描样品表面时，检测到的相互作用力不仅包括磁力，还包括原子力和静电力。抬起模式通过以下步骤来分离并提高磁力测量的精确度：
- 首先，探针贴近样品表面进行常规的形貌扫描（类似 AFM 测量），获取样品表面的形貌剖面。
- 随后，将磁性探针抬升至距离样品表面较远的设定高度。
- 最后，探针保持该抬升高度，沿着之前记录的形貌轨迹再次扫描。此时由于距离较远，范德华力等短程力急剧衰减，提取出的信号便主要为磁性信号。
操作模式
静态（DC）模式
动态（AC）模式
方法局限
MFM 的一个主要缺点在于探针与样品之间存在较强的磁相互作用。这种相互作用会导致扫描得到的磁图像严重依赖于探针形貌或样品本身的磁性质。这不仅给定量标定带来了困难，而且探针的磁场也可能反过来改变样品本身的磁性，从而增加了图像解释的难度。
此外，MFM 的扫描范围较小，且最终图像的质量高度依赖于探针抬升高度的设定。
最后，MFM 对系统的运行环境封装要求较高，外界的磁噪声、机械振动以及气流等干扰因素都可能降低最终成像的质量。
参考文献
外部链接
*[https://web.archive.org/web/20111007063210/http://www.ntmdt.com/scan-gallery/group/magnetic-materials Magnetic Materials Scan Image Gallery磁性材料扫描图像集]
*[https://web.archive.org/web/20090721003643/http://www.ntmdt.com/spm-notes/view/magnetic-measurements Magnetic measurements application notes磁性测量应用笔记]
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