磁透射軟x射線顯微鏡結(jié)合了高分辨率透射x射線顯微鏡和XMCD作為磁對(duì)比機(jī)制。目前嗡靡，由位于加州伯克利的x射線光學(xué)中心和先jin光源聯(lián)合操作的全場(chǎng)透射軟x射線顯微鏡(XM-1)是shi界上唯yi用于磁場(chǎng)全場(chǎng)x射線成像的操作系統(tǒng)除了使用x射線光學(xué)成像系統(tǒng)跺撼，也可以使用相應(yīng)的掃描透射x射線顯微鏡(STXM)來記錄磁性微結(jié)構(gòu)。
磁透射軟X射線顯微術(shù)的基本裝置
全視場(chǎng)軟x射線顯微鏡的光學(xué)裝置原理與傳統(tǒng)顯微鏡相似讨彼。它由光源歉井、聚光鏡、物鏡和檢測(cè)器組成哈误。主要的區(qū)別是聚光鏡和物鏡是菲涅耳帶片哩至。終端站xm1在高ji光源處的x射線光學(xué)設(shè)置如圖1所示。
圖1
它遵循了Schmahl等人開發(fā)的開創(chuàng)性x射線顯微鏡設(shè)計(jì)蜜自。xm1使用從彎曲磁鐵發(fā)出的軟X射線菩貌。在通過一個(gè)平面反射鏡后，光子被鍍上鎳以抑制更高的能量重荠，照射到一個(gè)中央有一個(gè)擋板的聚光帶板(CZP)箭阶。該CZP提供了樣品的部分相干空心錐照明，并與針孔位于樣品附近的組合戈鲁，作為線性單色儀仇参，具有典型的單色性約λ/Δλ = 500。因此婆殿，在光子能量為700 eV時(shí)诈乒，光譜分辨率約為1.3 eV。XM-1的光子能量范圍在500 ~ 1300 eV之間鸣皂，因此覆蓋了波長(zhǎng)為2.4 nm的水窗, 3d過渡金屬的L邊多抓谴，稀土體系的M邊多。在光子透射樣品后寞缝，第二個(gè)菲涅耳帶板癌压，微帶板(MZP)，將一個(gè)全場(chǎng)圖像投射到一個(gè)x射線敏感的二維電荷耦合器件(ccd)探測(cè)器上荆陆。它是一個(gè)背面照明的薄CCD滩届。目前的CCD芯片像素為2,048×2,048，像素尺寸為13.5 × 13.5μm2被啼。放大倍率的典型值在1500到2000之間帜消，每個(gè)圖像的視場(chǎng)約為10 μ m棠枉。根據(jù)可用光子的通量，對(duì)于具有強(qiáng)對(duì)比度的樣品泡挺，每張圖像的照明時(shí)間約為1-2秒辈讶。
圖2.在Fe L3邊緣軌道平面上下圓偏振處觀察了非晶GdFe樣品的磁疇結(jié)構(gòu)，顯示磁對(duì)比的反轉(zhuǎn)娄猫。
為了通過XMCD獲得磁對(duì)比度贱除，通過CZP前面的一個(gè)孔來選擇軌道外發(fā)射的圓偏振X射線，該孔掩蓋了入射輻射的上半部分或下半部分媳溺。圖2顯示了在706 eV的Fe L3邊緣記錄的非晶GdFe體系的磁疇結(jié)構(gòu)月幌，輻射在存儲(chǔ)環(huán)軌道平面上下各2.5 mm⌒危可以清楚地看到扯躺，磁性對(duì)比在圓極化感反轉(zhuǎn)時(shí)是相反的。將這兩幅圖像相互分割蝎困，可以消除非磁性背景录语，增強(qiáng)磁性對(duì)比度。
磁性軟x射線顯微鏡的主要優(yōu)點(diǎn)之一是难衰，作為一種純光子進(jìn)/光子出技術(shù)钦无，在圖像采集過程中可以對(duì)樣品施加任何強(qiáng)度和任何方向的外磁場(chǎng)逗栽。因此盖袭，可以詳細(xì)研究磁化反轉(zhuǎn)過程，例如完整磁化切換周期中疇的演化彼宠。到目前為止鳄虱，在XM-1上，帶有特殊形狀極片的螺線管提供高達(dá)數(shù)百mT的磁場(chǎng)凭峡，指向平行于光子束和平行于樣品平面的磁場(chǎng)拙已。
圖3.(Co83Cr17)87Pt13合金薄膜的M-TXM磁疇圖像和磁疇邊界上的強(qiáng)度分布圖顯示橫向分辨率優(yōu)于15 nm。
圖3是M-TXM高分辨率磁成像的一個(gè)典型例子摧冀，其中在CoL3邊緣記錄了50 nm薄納米顆粒(Co84Cr16)87Pt13層的磁疇結(jié)構(gòu)倍踪，具有明顯的垂直磁各向異性。對(duì)覆蓋10 - 90%值的強(qiáng)度分布圖進(jìn)行常見的刀口分析索昂，顯示出15 nm的空間分辨率建车。該樣品的晶粒尺寸分布是通過TEM分析確定的，峰值在20 nm左右椒惨，這可以得出結(jié)論缤至，從M-TXM圖像可以在晶粒尺寸水平上研究磁疇結(jié)構(gòu)，即在該系統(tǒng)的磁性基本長(zhǎng)度尺度上康谆。
圖4.M- txm可以對(duì)薄膜中占主導(dǎo)地位的面內(nèi)磁化M進(jìn)行成像领斥，方法是將樣品表面傾斜成相對(duì)于光子傳播方向k的角度嫉到，從而獲得沿k方向的M不消失分量
由于二色性對(duì)比度是由磁化在光子傳播方向上的投影給出的，因此可以通過以相對(duì)于光子束方向的傾斜角度照射樣品來成像面外和面內(nèi)磁化疇月洛，見圖4何恶。目前，在XM-1顯微鏡下嚼黔，樣品可以傾斜至30?從而降低對(duì)比度的兩倍导而。通過比較不同角度下的域結(jié)構(gòu)，M-TXM技術(shù)可以區(qū)分面內(nèi)貢獻(xiàn)和面外貢獻(xiàn)隔崎。一個(gè)具體的例子是磁渦旋結(jié)構(gòu)今艺，它既有面內(nèi)自旋結(jié)構(gòu)男窟，即手性会油，也有中心的面外自旋，即極性穿铆。M-TXM可以對(duì)兩者進(jìn)行成像钓株，因此是研究磁渦流結(jié)構(gòu)的物理特性实牡，特別是其自旋動(dòng)力學(xué)的有價(jià)值的工具。
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