看見磁場：磁疇成像方法全景對比

磁疇，是磁性材料內部一個個方向相近的微小磁化區域。它們的尺寸、形狀和運動方式，決定了材料如何響應磁場，也影響磁存儲、自旋電子器件、二維磁性和超導器件的性能。要看清這些看不見的磁結構，就需要磁疇成像技術。

從電子顯微鏡到量子傳感器，不同方法在空間分辨率、靈敏度、樣品條件和能否定量等方面各有側重。本文用通俗方式梳理7類常見磁成像方法，并說明為什么掃描NV探針顯微鏡（SNVM）正成為納米磁學研究的重要工具。

一、什么是磁疇？

磁疇可以理解為材料內部磁矩方向相近的小區域。在沒有外場時，如果所有磁矩都朝同一方向，體系的靜磁能會很高、也不夠穩定。

因此，材料往往會分成許多磁化方向不同的區域，形成多疇結構，以降低靜磁能并減小雜散場。受晶體結構、厚度、溫度和外場影響，磁疇可以呈現條狀、迷宮疇、磁渦旋、斯格明子等形貌。材料的宏觀磁性，最終都與這些微觀磁疇的分布、翻轉和運動密切相關。

圖1 磁疇結構示意圖

二、七種磁成像方法怎么選？

01


磁力顯微鏡（MFM）

磁力顯微鏡（MFM）是在原子力顯微鏡基礎上發展起來的非接觸式磁成像方法。它通常采用二次掃描：一次以輕敲模式記錄表面形貌；另一次將磁性探針抬高到設定高度，盡量避開表面形貌起伏，測量探針與樣品雜散場之間的相互作用，并據此重構磁疇、疇壁和局域磁場分布。

優勢：可在空氣、室溫或低溫條件下工作；制樣相對簡單，測試方便；對表面磁疇和疇壁具有較好的空間分辨能力。

局限：通常難以直接給出磁場的絕對值；磁性探針可能擾動弱磁樣品；成像結果對針尖狀態、掃描高度和數據反演較敏感。

圖2 MFM觀測斯格明子

S. Koraltan et al. Magnetic Force Microscopy Signatures of Higher-Order Skyrmions and Antiskyrmions. Advanced Functional Materials,36, 41(2026).

02


光發射電子顯微鏡（PEEM）

光發射電子顯微鏡（PEEM）利用光電效應獲取樣品表面的電子圖像；結合偏振X射線和X射線磁圓二色（XMCD）效應，還可以把磁化方向轉換為可分辨的強度襯度。由于不同元素對X射線的吸收不同，PEEM能夠實現元素分辨的表面磁成像，特別適合研究多組分薄膜和納米結構。

優勢：表面靈敏度高；可進行元素分辨磁成像；適合區分多組分材料中不同磁性元素的貢獻。

局限：需要高真空和高亮度光源，實驗成本高；樣品通常需要具備合適的導電性；強外場和復雜原位環境會增加實驗難度。

圖3 PEEM觀測納米線疇壁

E. Saugar et al. Domain Wall Rebounds Driven by Competing Entropic and Spin-Transfer Torques in Cylindrical Nanowires, Advanced Functional Materials,36,41(2026).

03


掃描超導量子干涉儀顯微鏡（SSM）

掃描超導量子干涉儀顯微鏡（SSM）以超導量子干涉器件（SQUID）為核心探頭。SQUID利用約瑟夫森效應探測極其微弱的磁通變化，掃描樣品表面后，可以重構磁場分布，并進一步獲得局域磁化曲線，因此兼具磁成像和磁性定量能力。

優勢：磁通探測靈敏度高，可定量測量磁場和磁通，支持微區磁化曲線與動態磁現象研究。

局限：需要低溫制冷；常規商用系統的空間分辨率多為微米量級，難以解析納米尺度的精細磁疇；高分辨探頭通常意味著更復雜的系統設計。

圖4 SSM對不同層數CrSBr薄片進行磁成像

Zur Y et al. Magnetic Imaging and Domain Nucleation in CrSBr Down to the 2D Limit, Advanced Materials,36,6(2024).

04


磁光克爾顯微鏡（MOKE）

磁光克爾顯微鏡（MOKE）基于磁光克爾效應：偏振光照射樣品后，不同磁化方向會改變反射光的偏振狀態。通過分析偏振旋轉或橢偏變化，MOKE可以把磁疇分布轉換為明暗或顏色對比，是常見的光學磁成像方法之一。

優勢：非接觸、無損、可重復；成像速度快，適合實時觀察磁疇演化；通過與低溫、強磁場或電輸運模塊聯用，可開展多種原位實驗。

局限：受光學衍射極限影響，空間分辨率通常在數百納米量級，難以觀察納米級結構；對共線反鐵磁和弱磁樣品往往缺乏足夠襯度，適用材料范圍受到限制。

圖5 MOKE觀測不同磁場下的Mn?Sn

Higo et al. Large magneto-optical Kerr effect and imaging of magnetic octupole domains in an antiferromagnetic metal, Nature Photonics,12,73(2018).

05


洛倫茲透射電子顯微鏡(L-TEM)

洛倫茲透射電子顯微鏡（L-TEM）利用電子束在磁場中受到洛倫茲力偏轉的原理成像。高能電子穿透超薄樣品后，軌跡和相位會發生變化；通過離焦成像或電子全息等方法，可以還原納米尺度磁疇、疇壁及斯格明子等拓撲磁結構。

優勢：空間分辨率可達納米量級，磁信號細節豐富；結合低溫、磁場和電流模塊，可原位觀察磁疇和拓撲磁結構的動態演化。

局限：樣品必須足夠薄，通常需要制備約2–100 nm的電子透明區域，制樣復雜且具有破壞性；面內磁疇若幾乎沒有可觀測的雜散場，成像襯度會明顯降低；設備昂貴、操作門檻高。

圖6 L-TEM觀測斯格明子

X.Yu et al. Current-driven nonreciprocal response of nonequilibrium skyrmions. Advanced Science,13,31(2026) .

06


光學二次諧波與磁性二次諧波（SHG/MSHG）

二次諧波（SHG）是一種二階非線性光學效應：兩個基頻光子在材料中相互作用，產生頻率加倍的光子。磁性二次諧波（MSHG）對空間反演和時間反演對稱性的破缺都很敏感，因此不同磁疇或Néel矢量取向會表現出不同的倍頻光強和偏振。調節入射偏振、檢偏方向并掃描樣品，就可以實現磁疇成像。

優勢：非接觸、無損；對磁序引起的對稱性破缺高度敏感，能夠觀察部分反鐵磁和鐵電疇；可與變溫、變場及超快泵浦-探測實驗結合。

局限：僅對對稱破缺體系有效，中心對稱體系通常受到抑制；磁SHG信號弱；相干干涉效應導致定量復雜；設備與數據分析門檻高，不直接輸出磁矩絕對值。

圖7 SHG對MnPSe?進行磁成像

Ni Z et al. Imaging the Néel vector switching in the monolayer antiferromagnet MnPSe₃ with strain-controlled Ising order. Nature Nanotechnology,16,782(2021).

07


掃描NV探針顯微鏡（SNVM）

掃描NV探針顯微鏡（SNVM）依托金剛石中的氮-空位（NV）色心實現量子磁傳感。激光和微波驅動NV電子自旋時，局域磁場會引起自旋能級的塞曼劈裂；通過測量共振頻率偏移，可以反推出樣品表面的局域磁場。探針逐點掃描后，可獲得三維磁場分布，實現納米尺度、無損且可定量的磁成像。

優勢：無損、可定量，探針不需要磁化，因而不易擾動樣品；可兼容大氣、低溫和外磁場環境；對二維材料、超導渦旋、反鐵磁和生物磁信號等體系具有良好適配性。

局限：磁場測量動態范圍、探針高度和掃描速度之間需要權衡；不同樣品和實驗目標往往需要定制NV探針與反演模型。

圖8 使用掃描NV探針顯微鏡對BFO薄膜進行磁成像（國儀量子實測）

三、為什么SNVM值得關注？

SNVM（Scanning Nitrogen-Vacancy Magnetometer）把NV單自旋量子傳感與掃描探針結合起來，在空間分辨率、磁場靈敏度和實驗環境兼容性之間取得了很好的平衡。以典型系統為例，其磁場靈敏度可達μT/√Hz量級，空間分辨率可進入10 nm量級；同時，測量過程不需要接觸或磁化樣品，能夠直接獲得三維局域磁場信息。

圖9 國儀量子掃描NV探針顯微鏡

目前，國儀量子已推出NV掃描探針顯微鏡SNVM，面向無損定量探測、寬溫區測量、較寬磁場范圍和原位溫場調控等需求。它可用于二維磁性薄膜磁成像、納米電流定量測繪、超導磁通渦旋觀測，以及低溫反鐵磁疇壁動態表征等場景，為量子磁性、凝聚態物理、超導器件和低溫自旋電子學研究提供新的實驗工具。

四、結語

展望未來，隨著自旋電子學和高密度磁存儲技術不斷發展，器件中的磁結構將持續縮小，研究對象也將由傳統鐵磁體系逐步拓展到磁性更弱、凈磁矩接近于零的反鐵磁體系。磁結構尺寸更小、磁信號更弱，將對磁成像技術的空間分辨率、探測靈敏度和定量能力提出更高要求，也會進一步凸顯SNVM的技術優勢。憑借納米級空間分辨率、弱磁場高靈敏探測以及無損、定量和多環境兼容等特點，SNVM有望在自旋電子學、高密度磁存儲、量子磁性和低維材料等領域實現越來越廣泛的應用，未來必將大有可為。

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