基于磁力显微镜实验数据的块体单轴晶体杂散场图像建模及其表面磁畴结构重建算法研究

本文提出了一种基于磁力显微镜(MFM)实验数据的创新算法，通过多指数函数拟合技术重构块体单轴晶体表面(z=0)的磁畴结构(DS)图像。该算法突破了传统MFM技术无法直接获取表面磁畴的限制，可计算任意提升高度z的模拟图像，为复杂分支磁畴结构的微磁分析(K1, Ms)和磁质量因子(Q>1)研究提供了新工具。

　　

Highlight

实验数据

在Nd₂Fe₁₄B块体单轴单晶样品上获取了提升高度z=0.15–9.83 μm范围内的MFM图像系列。该材料在室温下具有"易轴"各向异性类型，其磁晶各向异性(MCA)常数K₁=4.50 MJm^?3，K₂=0.66 MJm^?3，是研究分支磁畴结构的理想模型体系。

核心思路

通过漂移校正和信号归一化处理后，可为每个(x,y)坐标点绘制Δφ(z)曲线。图3展示了6种典型位置的Δφ(z)变化模式，这些曲线揭示了磁探针信号随高度变化的衰减规律，为建立三维杂散场模型奠定了基础。

近似算法

解析表达式(3)包含3个指数项和7个待定参数，其中φ_1,2,3和k_1,2,3需要通过特殊计算算法确定。该多指数函数拟合过程借鉴了Sandor(1978)和Mironov(1991)提出的优化方法，通过迭代逼近实现参数精确求解。

结果与讨论

基于MFM实验数据和解析表达式(3)，获得了探针信号的空间解析分布。图6展示了模拟的不同高度MFM图像，特别是首次实现了表面磁畴结构(z=0)的可视化。该模型不仅能还原实验未覆盖的高度区间图像，还能计算探针-样品相互作用力的空间分布。

结论

本方法突破了传统MFM技术的高度限制，实现了块体单轴磁体表面磁畴结构的"零距离"成像。通过建立Δφ(z)的定量关系模型，为复杂磁畴系统的微磁分析和质量因子Q的精确计算提供了新范式。