JP4769918B1 - 磁場観察装置及び磁場観察方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁性体試料からの漏洩磁場を観察する磁場観察装置であって、磁性体試料より磁化反転し易い探針と、探針を励振させる励振機構と、探針及び磁性体試料を相対的に移動させて探針に磁性体試料上を走査させる走査機構と、探針を周期的に磁化反転させることができ、かつ磁性体試料を磁化反転させない大きさの交流磁場を探針に印加する交流磁場発生機構と、探針の磁化と磁性体試料の磁化との間の磁気的相互作用による交番力が探針に加える周期的に強度が変化する力によって周期的に変化する探針の見かけ上のバネ定数に起因する、探針の振動の周期的な周波数変調の程度を、周波数復調により、又は周波数変調により発生する側帯波スペクトルのうちの1つの側帯波スペクトルの強度の計測により、計測することができる変調計測機構と、を備える磁場観察装置、及び該装置を用いて行える磁場観察方法とする。
【選択図】図1
Description
上記本発明の磁場観察装置において、交流磁場発生機構から交流磁場を印加しても変化しない探針の先端の残留磁極の強度と、交流磁場発生機構から探針に印加する交流磁場の空間変化勾配との積が、交流磁場発生機構から交流磁場を印加することにより変化する探針の先端の磁極の強度と、磁性体試料から探針に印加される磁場の空間変化勾配との積より小さいことが好ましい。また、当該交流磁場発生機構は、磁性体試料と探針との間の計測空間に、一様な大きさの交流磁場を印加する機構であることが好ましい。さらに、当該交流磁場発生機構が、磁性体試料の観察面に対して垂直方向の交流磁場を印加する機構であることが好ましい。
<構成>
図1は、一つの実施形態にかかる本発明の磁場観察装置100の構成を概略的に示す図である。磁場観察装置100は、磁性体試料1からの漏洩磁場を観察する装置である。磁場観察装置100は、観察対象の漏洩磁場が直流磁場である場合に好適に用いることができる。
磁場観察装置100の計測対象である磁性体試料1には、探針10より磁化反転し難い磁性材料を用いる。磁性体試料1の具体例としては、磁気記録媒体等を挙げることができる。磁性体試料1に磁気記録媒体を用いた場合、後に説明するように、磁気記録ビットの境界の検出を高い空間分解能で行うことができる。
探針10には、磁性を有しており、磁性体試料1より磁化反転し易いものを用いる。探針10は、磁性体試料1上に配置されることによって、磁性体試料1から発生する漏洩磁場の影響を受ける。また、後に詳述するように、交流磁場発生機構30から発生する交流磁場によって、探針10の磁化は周期的に磁化反転させられる。このとき、探針10の磁化と磁性体試料1の磁化との間の磁気的相互作用による交番力が探針10に周期的に強度が変化する力を加え、探針10の見かけ上のバネ定数が周期的に変化する。この探針10の振動の周期的な周波数変調の程度を、後に説明する変調計測機構40によって計測する。
上記探針10はカンチレバー11の一方の端部(自由端)近傍に備えられており、該カンチレバー11の他方の端部(固定端)は固定されている。このようなカンチレバー11を励振機構20によって任意の周波数で励振させることにより、探針10を任意の周波数で励振させることができる。
交流磁場発生機構30は、探針10を周期的に磁化反転させることができ、かつ磁性体試料1を磁化反転させない大きさの交流磁場を探針10に印加する機構である。このような交流磁場発生機構30は、例えば、図1に示したように、探針10を囲むコイル32と該コイル32に交流電流を供給する交流電流電源31とによって構成することができる。
探針10の磁化と磁性体試料1の磁化との間の磁気的相互作用による交番力が、周期的に強度が変化する力を探針10に加える。この周期的に強度が変化する力が、探針10の見かけ上のバネ定数を周期的に変化させる。このようにして探針10の見かけ上のバネ定数が周期的に変化することによって、探針10の振動の周波数が周期的に変調する。変調計測機構40は、この探針10の振動の周期的な周波数変調の程度を、周波数復調により又は周波数変調により発生する側帯波スペクトルのうちの1つの側帯波スペクトルの強度の計測により、計測することができる機構である。
走査機構は、探針10と磁性体試料1との位置を相対的に変化させることができる機構である。走査機構としては、例えば、磁性体試料1が載置される試料設置台を駆動装置によって動かすことにより、試料設置台の位置を探針10に対して相対的に変化させることによって、探針10と磁性体試料1との位置を相対的に変化させることができる機構とすることができる。
磁場画像化機構は、変調計測機構40により計測された周波数変調の程度に基づいて、探針10の磁化と磁性体試料1の磁化との間の磁気的相互作用による交番力の振幅と、交流磁場発生機構30から発生する交流磁場に対する位相遅れとを観測し、それにより、磁性体試料1から発生する直流磁場の大きさの程度と方向を画像化する機構である。
本発明の磁場観察装置100を用いて磁性体材料1の表面近傍において高分解能で磁気力を計測でき、磁性体試料1表面の磁極の極性検出も可能である原理について、以下に説明する。
Δkcos(ωmt)=keffは交番力による実効的なバネ定数の変化であり、この解は、Δk<<k0の場合、下記(2)式のようになる。
次に、本発明の磁場観察方法について説明する。
走査工程は、磁性体試料1より磁化反転し易い探針10を磁性体試料1上に配置し、探針10を励振させると同時に、探針10を周期的に磁化反転させることができ、かつ磁性体試料1を磁化反転させない大きさの交流磁場を探針10に印加しながら、探針10で磁性体試料1の表面を走査する工程である。探針10の励振は、上記励振機構20によって行うことができる。また、探針10への交流磁場の印加は、上記交流磁場発生機構30によって行うことができる。さらに、探針10での磁性体試料1の表面の走査は、上記走査機構によって行うことができる。
変調計測工程は、探針10の磁化と磁性体試料1の磁化との間の磁気的相互作用による交番力によって周期的に強度が変化する力を探針10に加え、該周期的な引力及び斥力によって探針10の見かけ上のバネ定数を周期的に変化させ、該バネ定数の周期的変化に起因する探針10の振動の周期的な周波数変調の程度を、周波数復調により又は周波数変調により発生する側帯波スペクトルのうちの1つの側帯波スペクトルの強度の計測により計測する工程である。当該計測は、上記変調計測機構40によって行うことができる。
10 探針
11 カンチレバー
20 励振機構
30 交流磁場発生機構
31 交流電流電源
32 コイル
40 変調計測機構
41 光源
42 光学変位センサー
43 FM復調器
44 ロックインアンプ
Claims (12)
- 磁性体試料からの漏洩磁場を観察する磁場観察装置であって、
前記磁性体試料より磁化反転し易い磁気モーメントを有する探針と、
前記探針を励振させる励振機構と、
前記探針及び前記磁性体試料を相対的に移動させて前記探針に前記磁性体試料上を走査させる走査機構と、
前記探針を周期的に磁化反転させることができ、かつ前記磁性体試料を磁化反転させない大きさの交流磁場を前記探針に印加する交流磁場発生機構と、
前記交流磁場発生機構によって印加された前記交流磁場により周期的に磁化方向を変化させた前記探針の磁化と前記磁性体試料の磁化との間の磁気的相互作用によって前記探針に加えられる交番力を原因として見かけ上のバネ定数が変化することで発生する、前記探針の振動の周期的な周波数変調の程度を、周波数復調により計測することができる変調計測機構と、を備え、
前記変調計測機構は、前記探針の変位を検知するセンサーと、該センサーから得た周波数変調信号を復調するFM復調器とを備え、該FM復調器から得た周波数復調信号及び前記交流磁場発生機構の電圧信号から、前記漏洩磁場の磁場勾配を計測することが可能であり、
前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加することにより変化する前記探針の先端の磁極の強度と、前記磁性体試料から前記探針に印加される磁場の空間変化勾配との積が、前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加しても変化しない前記探針の先端の残留磁極の強度と、前記交流磁場発生機構から前記探針に印加する交流磁場の空間変化勾配との積の9倍以上である、磁場観察装置。 - 磁性体試料からの漏洩磁場を観察する磁場観察装置であって、
前記磁性体試料より磁化反転し易い磁気モーメントを有する探針と、
前記探針を励振させる励振機構と、
前記探針及び前記磁性体試料を相対的に移動させて前記探針に前記磁性体試料上を走査させる走査機構と、
前記探針を周期的に磁化反転させることができ、かつ前記磁性体試料を磁化反転させない大きさの交流磁場を前記探針に印加する交流磁場発生機構と、
前記交流磁場発生機構によって印加された前記交流磁場により周期的に磁化方向を変化させた前記探針の磁化と前記磁性体試料の磁化との間の磁気的相互作用によって前記探針に加えられる交番力を原因として見かけ上のバネ定数が変化することで発生する、前記探針の振動の周期的な周波数変調の程度を、前記周波数変調により発生する側帯波スペクトルのうちの1つの側帯波スペクトルの強度の計測により計測することができる変調計測機構と、を備え、
前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加することにより変化する前記探針の先端の磁極の強度と、前記磁性体試料から前記探針に印加される磁場の空間変化勾配との積が、前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加しても変化しない前記探針の先端の残留磁極の強度と、前記交流磁場発生機構から前記探針に印加する交流磁場の空間変化勾配との積の9倍以上である、磁場観察装置。 - 前記漏洩磁場が直流磁場である、請求項1又は2に記載の磁場観察装置。
- 前記交流磁場発生機構が、前記磁性体試料と前記探針との間の計測空間に、一様な大きさの交流磁場を印加する機構である、請求項1〜3のいずれかに記載の磁場観察装置。
- 前記交流磁場発生機構が、前記磁性体試料の観察面に対して垂直方向の交流磁場を印加する機構である、請求項1〜4のいずれかに記載の磁場観察装置。
- 前記探針がソフト磁性体を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の磁場観察装置。
- 前記磁性体試料が磁気記録媒体である、請求項1〜6のいずれかに記載の磁場観察装置。
- 前記変調計測機構により計測された周波数変調の程度に基づいて、前記交番力の振幅と、前記交流磁場発生機構から発生する前記交流磁場に対する位相遅れとを観測し、それにより、前記磁性体試料から発生する直流磁場の大きさの程度と方向を画像化する磁場画像化機構を備えた、請求項3〜7のいずれかに記載の磁場観察装置。
- 磁性体試料からの漏洩磁場を観察する磁場観察方法であって、
前記磁性体試料より磁化反転し易い探針を前記磁性体試料上に配置し、前記探針を励振させると同時に、前記探針の磁気モーメントを周期的に磁化反転させることができ、かつ前記磁性体試料を磁化反転させない程度の大きさの交流磁場を前記探針に印加しながら、前記探針で前記磁性体試料の表面を走査する走査工程と、
前記交流磁場発生機構によって印加された前記交流磁場により周期的に磁化方向を変化させた前記探針の磁化と前記磁性体試料の磁化との間の磁気的相互作用による交番力によって周期的に強度が変化する力を前記探針に加え、該周期的な力によって前記探針の見かけ上のバネ定数を周期的に変化させ、該バネ定数の周期的変化に起因する前記探針の振動の周期的な周波数変調の程度を、周波数復調により計測する変調計測工程と、
を有し、
前記変調計測工程において、前記探針の変位をセンサーで検知し、該センサーから得た周波数変調信号をFM復調器で復調し、該FM復調器から得た周波数復調信号及び前記交流磁場発生機構の電圧信号から、前記漏洩磁場の磁場勾配を計測し、
前記走査工程において、前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加することにより変化する前記探針の先端の磁極の強度と、前記磁性体試料から前記探針に印加される磁場の空間変化勾配との積が、前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加しても変化しない前記探針の先端の残留磁極の強度と、前記交流磁場発生機構から前記探針に印加する交流磁場の空間変化勾配との積の9倍以上になるようにする、磁場観察方法。 - 磁性体試料からの漏洩磁場を観察する磁場観察方法であって、
前記磁性体試料より磁化反転し易い探針を前記磁性体試料上に配置し、前記探針を励振させると同時に、前記探針の磁気モーメントを周期的に磁化反転させることができ、かつ前記磁性体試料を磁化反転させない程度の大きさの交流磁場を前記探針に印加しながら、前記探針で前記磁性体試料の表面を走査する走査工程と、
前記交流磁場発生機構によって印加された前記交流磁場により周期的に磁化方向を変化させた前記探針の磁化と前記磁性体試料の磁化との間の磁気的相互作用による交番力によって周期的に強度が変化する力を前記探針に加え、該周期的な力によって前記探針の見かけ上のバネ定数を周期的に変化させ、該バネ定数の周期的変化に起因する前記探針の振動の周期的な周波数変調の程度を、前記周波数変調により発生する側帯波スペクトルのうちの1つの側帯波スペクトルの強度の計測により計測する変調計測工程と、
を有し、
前記走査工程において、前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加することにより変化する前記探針の先端の磁極の強度と、前記磁性体試料から前記探針に印加される磁場の空間変化勾配との積が、前記交流磁場発生機構から交流磁場を印加しても変化しない前記探針の先端の残留磁極の強度と、前記交流磁場発生機構から前記探針に印加する交流磁場の空間変化勾配との積の9倍以上になるようにする、磁場観察方法。 - 前記漏洩磁場が直流磁場である、請求項9又は10に記載の磁場観察方法。
- さらに、前記変調計測工程により計測された周波数変調の程度に基づいて、前記交番力の振幅と、前記交流磁場発生機構から発生する前記交流磁場に対する位相遅れとを計測し、それにより、前記磁性体試料から発生する磁場の大きさの程度と方向を画像化する磁場画像化工程を備えた、請求項9〜11のいずれかに記載の磁場観察方法。
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