看见磁场：磁畴成像方法全景对比

看见磁场：磁畴成像方法全景对比

磁畴，是磁性材料内部一个个方向相近的微小磁化区域。它们的尺寸、形状和运动方式，决定了材料如何响应磁场，也影响磁存储、自旋电子器件、二维磁性和超导器件的性能。要看清这些看不见的磁结构，就需要磁畴成像技术。

从电子显微镜到量子传感器，不同方法在空间分辨率、灵敏度、样品条件和能否定量等方面各有侧重。本文用通俗方式梳理7类常见磁成像方法，并说明为什么扫描NV探针显微镜（SNVM）正成为纳米磁学研究的重要工具。

一、什么是磁畴？

磁畴可以理解为材料内部磁矩方向相近的小区域。在没有外场时，如果所有磁矩都朝同一方向，体系的静磁能会很高、也不够稳定。

因此，材料往往会分成许多磁化方向不同的区域，形成多畴结构，以降低静磁能并减小杂散场。受晶体结构、厚度、温度和外场影响，磁畴可以呈现条状、迷宫畴、磁涡旋、斯格明子等形貌。材料的宏观磁性，最终都与这些微观磁畴的分布、翻转和运动密切相关。

图1 磁畴结构示意图

二、七种磁成像方法怎么选？

01


磁力显微镜（MFM）

磁力显微镜（MFM）是在原子力显微镜基础上发展起来的非接触式磁成像方法。它通常采用二次扫描：一次以轻敲模式记录表面形貌；另一次将磁性探针抬高到设定高度，尽量避开表面形貌起伏，测量探针与样品杂散场之间的相互作用，并据此重构磁畴、畴壁和局域磁场分布。

优势：可在空气、室温或低温条件下工作；制样相对简单，测试方便；对表面磁畴和畴壁具有较好的空间分辨能力。

局限：通常难以直接给出磁场的绝对值；磁性探针可能扰动弱磁样品；成像结果对针尖状态、扫描高度和数据反演较敏感。

图2 MFM观测斯格明子

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

02


光发射电子显微镜（PEEM）

光发射电子显微镜（PEEM）利用光电效应获取样品表面的电子图像；结合偏振X射线和X射线磁圆二色（XMCD）效应，还可以把磁化方向转换为可分辨的强度衬度。由于不同元素对X射线的吸收不同，PEEM能够实现元素分辨的表面磁成像，特别适合研究多组分薄膜和纳米结构。

优势：表面灵敏度高；可进行元素分辨磁成像；适合区分多组分材料中不同磁性元素的贡献。

局限：需要高真空和高亮度光源，实验成本高；样品通常需要具备合适的导电性；强外场和复杂原位环境会增加实验难度。

图3 PEEM观测纳米线畴壁

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


扫描超导量子干涉仪显微镜（SSM）

扫描超导量子干涉仪显微镜（SSM）以超导量子干涉器件（SQUID）为核心探头。SQUID利用约瑟夫森效应探测极其微弱的磁通变化，扫描样品表面后，可以重构磁场分布，并进一步获得局域磁化曲线，因此兼具磁成像和磁性定量能力。

优势：磁通探测灵敏度高，可定量测量磁场和磁通，支持微区磁化曲线与动态磁现象研究。

局限：需要低温制冷；常规商用系统的空间分辨率多为微米量级，难以解析纳米尺度的精细磁畴；高分辨探头通常意味着更复杂的系统设计。

图4 SSM对不同层数CrSBr薄片进行磁成像

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

04


磁光克尔显微镜（MOKE）

磁光克尔显微镜（MOKE）基于磁光克尔效应：偏振光照射样品后，不同磁化方向会改变反射光的偏振状态。通过分析偏振旋转或椭偏变化，MOKE可以把磁畴分布转换为明暗或颜色对比，是常见的光学磁成像方法之一。

优势：非接触、无损、可重复；成像速度快，适合实时观察磁畴演化；通过与低温、强磁场或电输运模块联用，可开展多种原位实验。

局限：受光学衍射极限影响，空间分辨率通常在数百纳米量级，难以观察纳米级结构；对共线反铁磁和弱磁样品往往缺乏足够衬度，适用材料范围受到限制。

图5 MOKE观测不同磁场下的Mn₃Sn

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

05


洛伦兹透射电子显微镜(L-TEM)

洛伦兹透射电子显微镜（L-TEM）利用电子束在磁场中受到洛伦兹力偏转的原理成像。高能电子穿透超薄样品后，轨迹和相位会发生变化；通过离焦成像或电子全息等方法，可以还原纳米尺度磁畴、畴壁及斯格明子等拓扑磁结构。

优势：空间分辨率可达纳米量级，磁信号细节丰富；结合低温、磁场和电流模块，可原位观察磁畴和拓扑磁结构的动态演化。

局限：样品必须足够薄，通常需要制备约2–100 nm的电子透明区域，制样复杂且具有破坏性；面内磁畴若几乎没有可观测的杂散场，成像衬度会明显降低；设备昂贵、操作门槛高。

图6 L-TEM观测斯格明子

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

06


光学二次谐波与磁性二次谐波（SHG/MSHG）

二次谐波（SHG）是一种二阶非线性光学效应：两个基频光子在材料中相互作用，产生频率加倍的光子。磁性二次谐波（MSHG）对空间反演和时间反演对称性的破缺都很敏感，因此不同磁畴或Néel矢量取向会表现出不同的倍频光强和偏振。调节入射偏振、检偏方向并扫描样品，就可以实现磁畴成像。

优势：非接触、无损；对磁序引起的对称性破缺高度敏感，能够观察部分反铁磁和铁电畴；可与变温、变场及超快泵浦-探测实验结合。

局限：仅对对称破缺体系有效，中心对称体系通常受到抑制；磁SHG信号弱；相干干涉效应导致定量复杂；设备与数据分析门槛高，不直接输出磁矩绝对值。

图7 SHG对MnPSe₃进行磁成像

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


扫描NV探针显微镜（SNVM）

扫描NV探针显微镜（SNVM）依托金刚石中的氮-空位（NV）色心实现量子磁传感。激光和微波驱动NV电子自旋时，局域磁场会引起自旋能级的塞曼劈裂；通过测量共振频率偏移，可以反推出样品表面的局域磁场。探针逐点扫描后，可获得三维磁场分布，实现纳米尺度、无损且可定量的磁成像。

优势：无损、可定量，探针不需要磁化，因而不易扰动样品；可兼容大气、低温和外磁场环境；对二维材料、超导涡旋、反铁磁和生物磁信号等体系具有良好适配性。

局限：磁场测量动态范围、探针高度和扫描速度之间需要权衡；不同样品和实验目标往往需要定制NV探针与反演模型。

图8 使用扫描NV探针显微镜对BFO薄膜进行磁成像（国仪量子实测）

三、为什么SNVM值得关注？

SNVM（Scanning Nitrogen-Vacancy Magnetometer）把NV单自旋量子传感与扫描探针结合起来，在空间分辨率、磁场灵敏度和实验环境兼容性之间取得了很好的平衡。以典型系统为例，其磁场灵敏度可达μT/√Hz量级，空间分辨率可进入10 nm量级；同时，测量过程不需要接触或磁化样品，能够直接获得三维局域磁场信息。

图9 国仪量子扫描NV探针显微镜

目前，国仪量子已推出NV扫描探针显微镜SNVM，面向无损定量探测、宽温区测量、较宽磁场范围和原位温场调控等需求。它可用于二维磁性薄膜磁成像、纳米电流定量测绘、超导磁通涡旋观测，以及低温反铁磁畴壁动态表征等场景，为量子磁性、凝聚态物理、超导器件和低温自旋电子学研究提供新的实验工具。

四、结语

展望未来，随着自旋电子学和高密度磁存储技术不断发展，器件中的磁结构将持续缩小，研究对象也将由传统铁磁体系逐步拓展到磁性更弱、净磁矩接近于零的反铁磁体系。磁结构尺寸更小、磁信号更弱，将对磁成像技术的空间分辨率、探测灵敏度和定量能力提出更高要求，也会进一步凸显SNVM的技术优势。凭借纳米级空间分辨率、弱磁场高灵敏探测以及无损、定量和多环境兼容等特点，SNVM有望在自旋电子学、高密度磁存储、量子磁性和低维材料等领域实现越来越广泛的应用，未来必将大有可为。

如需了解更多产品信息，欢迎联系我们！

关注我，了解更多行业资讯

戳底部“阅读原文"，了解国仪！