磁性石榴石薄膜的磁力显微镜研究

　　在原子力显微镜(AFM)基础上发展起来的磁力显微镜,因具有高分辨率,样品无需特殊制备等特点,已广泛应用到各种磁性材料的磁结构研究[1]中,例如磁记录介质体系[2—4]、磁性薄膜[5—6]以及有机铁磁体[7]的研究。硬磁材料上不管是写入的磁结构还是自然存在的结构,利用MFM都可观察到;相反,软磁材料的矫顽力较低,磁针尖本身又具有一定的发散场,因此,利用MFM观察软磁材料就有可能改变样品的磁结构或是使畴壁发生移动[8]。

　　无论如何,利用MFM对矫顽力很小的磁性石榴石畴结构的观察研究已有报道[9—10]。鉴于针尖和样品间的磁性相互作用对分析MFM方法获得的微磁结构有重要意义,本文采用MFM深入细致地考察了使用不同磁特性(包括磁化方向和磁化强度)的针尖,得到的软磁性石榴石薄膜(YGdBi)3(GaFe)5O12的MFM磁力图像,以及针尖与样品间距对MFM图像的影响。

　　实验部分

　　实验材料为在Gd3Ga5O12基底上液相处延生长的石榴石薄膜(YGdBi)3(GaFe)5O12。薄膜厚度为5μm,条纹宽度是5.5μm,饱和磁化强度4πMs=185Gs,磁泡缩灭场是87 Oe。

　　MFM实验采用的是NanoscopeⅢa DimensionTM3000扫描探针显微镜。所使用软、硬磁针尖为225μm的商品磁性薄膜针尖。微悬臂的共振频率约为70kHz。MFM的工作模式为非接触模式;而采集AFM图像则采用轻敲的模式。同一扫描区的AFM和MFM图像是同时获得的。

　　图1(a)给出的是石榴石(YGdBi)3(GaFe)5O12薄膜样品的AFM表面形貌图。图1(b)是采用软磁针尖与图1(a)在同一扫描区内同时获得的MFM磁力图,其中明暗条纹分别代表磁化矢量方向相反的磁畴。如果针尖与样品磁畴畴内磁矩矢量方向平行时,二者间的相互作用力是吸引的,在MFM图像中表现为暗区;如果反平行则是排斥的,表现为亮区。图像反差周期对应于吸引和排斥的周期。对图1(b)中划线部分的剖面线分析表明,明暗条畴的宽度基本是相等的,分别是5.43μm和5.41μm左右,图像反差周期是10.8±0.2μm左右,而且条畴区域内的图像反差几乎是对称的。这同已知的偏光显微镜得到的条纹宽度5.5μm基本是相吻合的。上述结果表明,使用软磁针尖观察到了石榴石的磁畴结构。

　　图2给出了采用硬磁针尖得到的石榴石MFM图像,其中针尖的磁化方向是垂直样品表面向上的。从图2中所示的剖面线可以看出,原来等宽度的两个磁化方向相反的条畴的宽度发生了明显的变化。与针尖磁化方向反向的明畴宽度降低,同时与针尖相互作用的强度增加;而同针尖磁化方向同向的暗畴宽度则增大,并且与针尖相互作用强度下降,而石榴石样品的磁化周期却基本上没有变化。当针尖在石榴石表面扫描时,相当于对样品施加了一个垂直样品表面向上的外场Htip,由于针尖外场对石榴石的磁化使得畴内畴壁发生了移动。因此,与针尖磁化方向同向的暗畴宽度增加,进一步使得暗畴内单位体积内的磁化强度有所降低,对应在MFM图像中表现的与针尖相互作用力也显著降低;同理,明畴内单位体积的磁化强度增加,与针尖的相互作用力随之增大。但是,由于硬磁针尖的漏磁场仍然很小,仅仅使得畴壁发生了移动,并没有使畴内磁矩发生转动而改变方向。