磁透射软x射线显微术的基本装置

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磁透射软X射线显微术的基本装置

全视场软x射线显微镜的光学装置原理与传统显微镜相似。它由光源、聚光镜、物镜和检测器组成。主要的区别是聚光镜和物镜是菲涅耳带片。终端站xm1在高ji光源处的x射线光学设置如图1所示。

图1

它遵循了Schmahl等人开发的开创性x射线显微镜设计。xm1使用从弯曲磁铁发出的软X射线。在通过一个平面反射镜后，光子被镀上镍以抑制更高的能量，照射到一个中央有一个挡板的聚光带板(CZP)。该CZP提供了样品的部分相干空心锥照明，并与针孔位于样品附近的组合，作为线性单色仪，具有典型的单色性约λ/Δλ = 500。因此，在光子能量为700 eV时，光谱分辨率约为1.3 eV。XM-1的光子能量范围在500 ~ 1300 eV之间，因此覆盖了波长为2.4 nm的水窗, 3d过渡金属的L边多，稀土体系的M边多。在光子透射样品后，第二个菲涅耳带板，微带板(MZP)，将一个全场图像投射到一个x射线敏感的二维电荷耦合器件(ccd)探测器上。它是一个背面照明的薄CCD。目前的CCD芯片像素为2,048×2,048，像素尺寸为13.5 × 13.5µm2。放大倍率的典型值在1500到2000之间，每个图像的视场约为10 μ m。根据可用光子的通量，对于具有强对比度的样品，每张图像的照明时间约为1-2秒。

图2.在Fe L3边缘轨道平面上下圆偏振处观察了非晶GdFe样品的磁畴结构，显示磁对比的反转。

为了通过XMCD获得磁对比度，通过CZP前面的一个孔来选择轨道外发射的圆偏振X射线，该孔掩盖了入射辐射的上半部分或下半部分。图2显示了在706 eV的Fe L3边缘记录的非晶GdFe体系的磁畴结构，辐射在存储环轨道平面上下各2.5 mm。可以清楚地看到，磁性对比在圆极化感反转时是相反的。将这两幅图像相互分割，可以消除非磁性背景，增强磁性对比度。

磁性软x射线显微镜的主要优点之一是，作为一种纯光子进/光子出技术，在图像采集过程中可以对样品施加任何强度和任何方向的外磁场。因此，可以详细研究磁化反转过程，例如完整磁化切换周期中畴的演化。到目前为止，在XM-1上，带有特殊形状极片的螺线管提供高达数百mT的磁场，指向平行于光子束和平行于样品平面的磁场。

图3.(Co83Cr17)87Pt13合金薄膜的M-TXM磁畴图像和磁畴边界上的强度分布图显示横向分辨率优于15 nm。

图3是M-TXM高分辨率磁成像的一个典型例子，其中在CoL3边缘记录了50 nm薄纳米颗粒(Co84Cr16)87Pt13层的磁畴结构，具有明显的垂直磁各向异性。对覆盖10 - 90%值的强度分布图进行常见的刀口分析，显示出15 nm的空间分辨率。该样品的晶粒尺寸分布是通过TEM分析确定的，峰值在20 nm左右，这可以得出结论，从M-TXM图像可以在晶粒尺寸水平上研究磁畴结构，即在该系统的磁性基本长度尺度上。

图4.M- txm可以对薄膜中占主导地位的面内磁化M进行成像，方法是将样品表面倾斜成相对于光子传播方向k的角度，从而获得沿k方向的M不消失分量

由于二色性对比度是由磁化在光子传播方向上的投影给出的，因此可以通过以相对于光子束方向的倾斜角度照射样品来成像面外和面内磁化畴，见图4。目前，在XM-1显微镜下，样品可以倾斜至30◦从而降低对比度的两倍。通过比较不同角度下的域结构，M-TXM技术可以区分面内贡献和面外贡献。一个具体的例子是磁涡旋结构，它既有面内自旋结构，即手性，也有中心的面外自旋，即极性。M-TXM可以对两者进行成像，因此是研究磁涡流结构的物理特性，特别是其自旋动力学的有价值的工具。

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