顯微課堂 | 使用克爾顯微鏡快速可視化鋼中的磁疇

利用克爾效應(yīng)高效開發(fā)和質(zhì)量控制用于電氣和電子應(yīng)用的更高性能磁鋼合金

磁性材料中磁域與偏振光相互作用后光的旋轉(zhuǎn)，稱為克爾效應(yīng)，使得使用克爾顯微鏡對磁化樣品進(jìn)行研究成為可能。它可以快速可視化材料表面的磁域。對于用于電氣和電子設(shè)備的磁性材料（例如鋼合金）的高效研發(fā)和質(zhì)量控制，克爾顯微鏡可以發(fā)揮重要作用。本文詳細(xì)描述了如何使用克爾顯微鏡對鋼合金晶粒中的磁域進(jìn)行成像。

磁光學(xué)克爾效應(yīng)

19 世紀(jì) 70 年代，科學(xué)家約翰-克爾發(fā)現(xiàn)了一種磁光學(xué)效應(yīng)，并最終以他的名字命名為：磁光學(xué)克爾效應(yīng) ^[1-3]。他觀察到線性偏振光的偏振面在從鐵磁體表面反射后發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種效應(yīng)的強(qiáng)度取決于與再折射光束平行的磁疇偶極子分量。平行于表面平面的磁疇需要斜入射光。這種效應(yīng)被稱為縱向克爾效應(yīng)（參見圖 1A） ，入射光平面與磁疇磁化平行時(shí)，克爾信號(hào)強(qiáng)度最大。當(dāng)磁疇垂直于表面平面時(shí)，法線入射光會(huì)產(chǎn)生最大信號(hào)強(qiáng)度。這種情況稱為極性克爾效應(yīng)（參見圖 1B）。本文只考慮縱向克爾效應(yīng)。

使用克爾顯微鏡成像磁性鋼的挑戰(zhàn)

在使用克爾顯微鏡觀察鋼合金樣品中的磁疇時(shí)，確實(shí)存在一些挑戰(zhàn)。

對于經(jīng)過溫度處理（無論是加熱還是冷卻）的鋼，通常具有磁疇的晶粒并不具有立方晶體結(jié)構(gòu)^[6,7]。因此，在從這種鋼合金切割樣品時(shí)，位置和方向的準(zhǔn)備非常重要。如果切割方向不正確，則無法觀察到克爾效應(yīng)。

鋼樣品必須在與所需的橫向分辨率相等或更好的尺寸尺度上平坦光滑^[3]。對于光學(xué)顯微鏡，最佳分辨率約為 0.25 微米，因此磁疇必須大于該尺寸才能被觀察到。只有表面的磁疇，即在約 10 納米的深度內(nèi)，接近可見光的穿透深度，才能被看到^[3]。因此，克爾顯微鏡只能用于研究樣品表面的磁疇，這可能與體積磁疇不同。

由于克爾效應(yīng)可能并不那么強(qiáng)烈，這取決于所研究的鋼合金的磁域，特別是在縱向情況下，因此具有足夠強(qiáng)度的偏振入射光以清晰觀察和記錄該效應(yīng)是至關(guān)重要的。

克爾顯微鏡需要什么？

常規(guī)光學(xué)復(fù)合顯微鏡的設(shè)置可以優(yōu)化以可視化凱爾效應(yīng)。然而，如上所述，鋼合金樣品的適當(dāng)準(zhǔn)備也非常重要。

鋼樣品準(zhǔn)備

樣品是從用于電氣應(yīng)用的熱處理或冷處理碳鋼合金中切割而成的。它們用金剛石膏磨光，以便樣品具有適合凱爾顯微鏡成像的光滑表面。

用于克爾效應(yīng)成像的顯微鏡設(shè)置

為了觀察成像不透明磁鋼樣品時(shí)的縱向克爾效應(yīng)，光學(xué)顯微鏡（在本例中為 DM6 M，參見圖 2）必須按照以下方式設(shè)置：

圖 2：在 DM6 M（B）材料顯微鏡中的光學(xué)路徑（A），該顯微鏡用于對磁化鋼進(jìn)行縱向克爾顯微成像。

使用克爾顯微鏡成像磁性鋼的結(jié)果

下面展示了鋼樣品的克爾顯微成像結(jié)果。

鋼樣品晶粒中的磁域在圖像中顯示出明暗模式，這是由于縱向克爾效應(yīng)（請參見圖 3 中的紅色箭頭）。與磁域相互作用后，偏振光的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致克爾信號(hào)的強(qiáng)度變化（更亮或更暗） ，甚至在通過分析器后出現(xiàn)消失現(xiàn)象。

更多關(guān)于同一磁化鋼樣品的克爾顯微鏡圖像，從概覽到更詳細(xì)的觀察，使用了 20 倍、50 倍和 100 倍放大倍率的物鏡記錄。示例見下方的圖 4。

上述結(jié)果表明，鋼合金晶粒中的磁疇可以通過克爾顯微鏡快速可視化。

總結(jié)與結(jié)論

克爾顯微鏡利用縱向克爾效應(yīng)為可視化鋼合金等材料中的磁域提供了一種高效的方法。它在研發(fā)、質(zhì)量控制和故障分析中的應(yīng)用可以幫助電氣和電子設(shè)備的發(fā)展，如電感器、濾波器和硬盤，這些設(shè)備提供了更好的性能?？藸栵@微鏡對材料表面磁域的快速成像為電氣和電子行業(yè)帶來了優(yōu)勢。

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