一種納米磁性材料的測量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種納米磁性材料的測量裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，關(guān)于材料的磁性測量手段主要有:
a.傳統(tǒng)的磁力顯微鏡(Magnetic Force Microscope，簡稱MFM)，通過捕捉磁性探針和磁性樣品間的磁相互作用進(jìn)行磁力成像，能夠反映樣品表面的漏磁及其二維分布情況，是一種對磁性材料的微觀結(jié)構(gòu)和磁特性同時進(jìn)行表征的重要工具。目前，磁力顯微鏡的成像通常采取兩遍掃描的方式，由于對磁力成像時探針與樣品的間距較大，其橫向分辨率通常比原子力顯微鏡要低，故其所能達(dá)到的橫向分辨率通常為30-100納米。因此，磁力顯微鏡的分辨率和靈敏度不能滿足材料在納米尺度上進(jìn)行特性表征的需要，通常不能用來對納米磁性顆粒進(jìn)行磁力成像。另外，對超順磁等弱磁性材料來說，因為這些材料與探針之間產(chǎn)生的磁力較弱，因此若仍采用目前的磁力顯微鏡對弱磁性材料進(jìn)行成像，會導(dǎo)致其靈敏度較低，成像效果不理想。
[0003]b.在MFM的基礎(chǔ)上，近十年來國內(nèi)外的研究者們?yōu)榱颂岣叽判燥@微鏡的分辨率和靈敏度，在實驗層面通過外加恒定的磁場(據(jù)報道所使用的磁場一般在幾百毫特斯拉量級水平)取得了較大的成效;在磁力圖成像精度方面，據(jù)報道，最高精度在真空環(huán)境下獲得，可達(dá)5nm;在理論分析和模擬計算方面，探針模型較為完善，可以較好的模擬恒定磁場作用下的針尖樣品相互作用，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)能夠?qū)x器的精度進(jìn)行一定的分析，并能對樣品的磁矩進(jìn)行計算;在應(yīng)用方面，研究的熱點放在了與生物相關(guān)性較強(qiáng)的鐵蛋白之上，已能夠區(qū)分馬脾鐵蛋白和其他非磁性顆粒，并能夠觀測到鐵蛋白內(nèi)部的鐵核?？偟膩碚f，在傳統(tǒng)磁力顯微鏡上發(fā)展而來的磁性材料測量裝置能達(dá)到較高的精度。但這些的磁性材料測量裝置大多需要外加較大磁場且實驗條件較為苛刻，通用性不強(qiáng);且在大氣環(huán)境下的測量精度無法達(dá)到1nm以下，無法對納米尺度的弱磁性樣品(如超順磁性納米顆粒)進(jìn)行準(zhǔn)確觀測。
[0004]綜上所述，目前業(yè)內(nèi)亟需一種通用性強(qiáng)且能在大氣環(huán)境下對納米尺度的弱磁性樣品進(jìn)行準(zhǔn)確觀測的，納米磁性材料測量裝置及其實現(xiàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于:提供一種通用性強(qiáng)且能在大氣環(huán)境下對納米尺度的弱磁性樣品進(jìn)行準(zhǔn)確觀測的，納米磁性材料的測量裝置。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于:提供一種通用性強(qiáng)且能在大氣環(huán)境下對納米尺度的弱磁性樣品進(jìn)行準(zhǔn)確觀測的，納米磁性材料的測量方法。
[0007]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
一種納米磁性材料的測量裝置，包括被測磁性樣品、第一電磁線圈、調(diào)制磁場控制器、磁性探針、檢測磁場勵磁裝置和磁力顯微鏡控制部分，所述磁性探針位于被測磁性樣品的正上方，所述第一電磁線圈在檢測磁場勵磁裝置的驅(qū)動下產(chǎn)生交變磁場，使磁性探針受到相應(yīng)頻率的磁激發(fā)并在該頻率下進(jìn)行振動;所述第一電磁線圈還在調(diào)制磁場控制器的驅(qū)動下產(chǎn)生強(qiáng)度可控的調(diào)制磁場，對被測磁性樣品進(jìn)行磁調(diào)制，然后通過磁力顯微鏡控制部分搭載的磁性探針對被測磁性樣品進(jìn)行磁力成像。
[0008]進(jìn)一步，所述調(diào)制磁場控制器包括交變磁場調(diào)制部分、混合磁場調(diào)制部分及恒定磁場調(diào)制部分這三個可選的檔位。
[0009]進(jìn)一步，還包括加法器、磁力信號檢測器、磁力顯微鏡檢測部分和顯示器，所述檢測磁場勵磁裝置的輸出端和磁力顯微鏡控制部分的輸出端均與加法器的輸入端連接，所述加法器的輸出端分別與磁力信號檢測器的輸入端和第一電磁線圈連接，所述磁力顯微鏡控制部分的輸出端通過磁力信號檢測器進(jìn)而與磁力顯微鏡檢測部分的輸入端連接，所述磁力顯微鏡檢測部分的輸出端與顯示器的輸入端連接。
[0010]進(jìn)一步，所述調(diào)制磁場為水平方向的磁場或垂直方向的磁場，所述第一電磁線圈與被測磁性樣品處于垂直關(guān)系。
[0011]進(jìn)一步，還包括第二電磁線圈、磁力信號檢測器、磁力顯微鏡檢測部分和顯示器，所述第二電磁線圈在第一電磁線圈與被測磁性樣品不處于垂直關(guān)系時為磁性探針提供垂直方向的磁場，所述第一電磁線圈與調(diào)制磁場控制器連接，所述檢測磁場勵磁裝置分別與第二電磁線圈以及磁力信號檢測器的輸入端連接，所述磁力顯微鏡控制部分的輸出端通過磁力信號檢測器進(jìn)而與磁力顯微鏡檢測部分的輸入端連接，所述磁力顯微鏡檢測部分的輸出端與顯示器的輸入端連接。
[0012]進(jìn)一步，還包括顯微鏡支架、探測器、掃描器、控制器、激振器、加法器、磁力信號檢測器、顯示器、形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器及形貌成像信號檢測器，所述掃描器、探測器、磁性探針和激振器均設(shè)置在顯微鏡支架上，所述第一電磁線圈置于掃描器的正上方，所述被測樣品置于第一電磁線圈的正上方;所述控制器的輸出端與掃描器的輸入端連接，所述檢測磁場勵磁裝置的輸出端和磁力顯微鏡控制部分的輸出端均與加法器的輸入端連接，所述加法器的輸出端分別與磁力信號檢測器的輸入端和第一電磁線圈連接，所述形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器的輸出端分別與形貌成像信號檢測器的輸入端以及激振器的輸入端連接，所述激振器與磁性探針連接，所述探測器的輸出端分別與形貌成像信號檢測器的輸入端以及磁力信號檢測器的輸入端連接，所述形貌成像信號檢測器的輸出端以及磁力信號檢測器的輸出端均與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端還與顯示器的輸入端連接。
[0013]進(jìn)一步，還包括顯微鏡支架、探測器、掃描器、控制器、激振器、顯示器、形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器及形貌成像信號檢測器，所述掃描器、探測器、磁性探針和激振器均設(shè)置在顯微鏡支架上，所述第一電磁線圈置于掃描器的正上方，所述被測樣品置于第一電磁線圈的正上方;所述控制器的輸出端與掃描器的輸入端連接，所述磁力顯微鏡控制部分的輸出端與第一電磁線圈連接，所述形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器的輸出端分別與形貌成像信號檢測器的輸入端以及激振器的輸入端連接，所述激振器與磁性探針連接，所述探測器的輸出端與形貌成像信號檢測器的輸入端連接，所述形貌成像信號檢測器的輸出端與控制器的輸入端連接，所述控制器的輸出端還與顯示器的輸入端連接。
[0014]本發(fā)明所采取的另一技術(shù)方案是:
一種納米磁性材料的測量方法，包括以下步驟:
S1、進(jìn)行初始化，設(shè)置調(diào)制磁場控制器的調(diào)制頻率以及檢測磁場勵磁裝置的檢測頻率，所述調(diào)制頻率與檢測頻率不相同；
52、調(diào)制磁場控制器根據(jù)設(shè)置的調(diào)制頻率使第一電磁線圈產(chǎn)生用于對被測磁性樣品進(jìn)行磁調(diào)制的調(diào)制磁場，所述調(diào)制磁場的強(qiáng)度可控，而檢測磁場勵磁裝置則根據(jù)設(shè)置的檢測頻率令第一電磁線圈產(chǎn)生交變磁場，使磁性探針受到相應(yīng)頻率的磁激發(fā)并在該頻率下進(jìn)行振動；
53、磁力顯微鏡的磁性探針對磁調(diào)制的被測磁性樣品進(jìn)行掃描，并配合形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器及形貌成像信號檢測器實時獲取磁疇分布圖和形貌圖。
[0015]進(jìn)一步，所述檢測頻率為磁性探針的本振頻率，所述調(diào)制頻率遠(yuǎn)離磁性探針的本振頻率。
[0016]進(jìn)一步，所述步驟S3，其具體為:
磁力顯微鏡的磁性探針配合磁力信號檢測器、形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器及形貌成像信號檢測器對磁調(diào)制的被測磁性樣品進(jìn)行一次掃描，同時獲得磁疇分布圖和形貌圖，此時，磁力信號檢測器的頻率不為O且與檢測頻率相同；
或者，磁力顯微鏡的磁性探針配合形貌成像激發(fā)信號發(fā)生器及形貌成像信號檢測器對磁調(diào)制的被測磁性樣品進(jìn)行兩次掃描，獲得磁疇分布圖和形貌圖，此時，磁力信號檢測器的頻率與檢測頻率均為O。
[0017]本發(fā)明的裝置的有益效果是:包括被測磁性樣品、第一電磁線圈、調(diào)制磁場控制器、磁性探針、檢測磁場勵磁裝置和磁力顯微鏡控制部分，在傳統(tǒng)磁力顯微鏡的基礎(chǔ)上增設(shè)了檢測磁場勵磁裝置和調(diào)制磁場控制器，使得第一電磁線圈能夠同時對被測磁性樣品及磁性探針產(chǎn)生互不干擾的交變磁場以及調(diào)制磁場，增強(qiáng)了磁性探針與被測磁性樣品間的磁力相互作用，不再需要外加較大磁場且對實驗條件要求不高，通用性強(qiáng);第一電磁線圈還在調(diào)制磁場控制器的驅(qū)動下能對被測磁性樣品產(chǎn)生強(qiáng)度可控的調(diào)制磁場，增強(qiáng)了自身的磁信號，適用于對在大氣環(huán)境及室溫下呈現(xiàn)弱磁性尤其是超順磁性的樣品進(jìn)行準(zhǔn)確觀測。進(jìn)一步，調(diào)制磁場控制器包括交變磁場調(diào)制部分、混合磁場調(diào)制部分及恒定磁場調(diào)制部分