本书从基础理论和实验方法两方面对EMCD技术进行了深入研究和创新，主要包括三个方面： (1)发展了纳米尺度上EMCD技术定量磁参数测量的一般方法； (2)提出和实现了面内EMCD技术，实现了样品面内本征磁信号的测量，打破了传统EMCD技术单一面外方向磁性测量的局限性； (3)利用发展的理论和方法，定量测量了自旋流器件Y3Fe5O12/Pt 界面铁的磁性参数的变化和La0.7Sr0.3MnO3中锰的磁参数。
本书是作者在清华大学材料学院攻读博士学位期间研究成果的总结，可供透射电镜相关领域的研究人员参考。

第1章 引言
1.1 研究背景及选题意义
1.2 EMCD技术
1.2.1 EMCD技术的基本原理
1.2.2 EMCD技术的发展及应用
1.2.3 EMCD技术与XMCD技术的比较
1.3 EMCD衍射几何中光阑位置的说明
1.4 透射电镜中的其他磁性表征技术
1.5 本书的选题和研究内容
1.5.1 EMCD技术中存在的问题和需要发展的方向
1.5.2 本书的研究内容
第2章 EMCD技术定量磁参数测量的一般方法
2.1 本章引论
2.2 占位分辨EMCD技术的局限性
2.3 定量EMCD技术磁参数测量的一般框架
2.4 衍射动力学效应与EMCD技术
2.4.1 衍射动力学效应
2.4.2 衍射动力学效应与EMCD技术的理论框架
2.5 三束衍射几何的不对称性
2.5.1 不对称性的来源
2.5.2 三束条件下不对称性的分布
2.5.3 不对称性对定量磁参数测量的影响
2.6 定量磁参数测量的一般方法
2.6.1 YIG晶体结构的分析
2.6.2 寻找衍射条件的一般方法
2.6.3 实验衍射几何的优化和光阑位置的选择
2.6.4 EMCD信号的实验采集
2.6.5 本征磁信号的提取
2.6.6 占位分辨EELS信号的提取
2.6.7 定量磁参数的计算及误差分析
2.7 正带轴衍射几何下的EMCD技术
2.7.1 正带轴衍射几何的问题和优势
2.7.2 材料体系的选择
2.7.3 理论模拟
2.7.4 实验结果与讨论
2.7.5 正带轴衍射几何下的占位分辨技术
2.7.6 正带轴衍射几何下几点需要说明的问题
2.8 本章小结
第3章 EMCD技术本征磁信号的测量
3.1 本章引论
3.2 EMCD技术面内磁信号探测的基本原理
3.2.1 基本原理
3.2.2 理论模拟
3.2.3 衍射几何与信号的分离
3.3 实验设计与结果
3.3.1 样品选择和实验条件
3.3.2 实验结果与讨论
3.4 面内EMCD技术中几点需要说明的问题
3.4.1 面内EMCD技术的衍射几何
3.4.2 洛伦兹模式与EMCD技术结合中的问题
3.4.3 面内EMCD技术与其他实验设置的结合
3.5 本章小结
第4章 协同表征下高空间分辨EMCD技术的应用
4.1 本章引论
4.2 YIGPt界面自旋流的研究
4.2.1 自旋流
4.2.2 YIGPt界面自旋流输运性质的研究
4.3 YIGPt界面性质的研究
4.3.1 界面无序结构对自旋流输运的影响
4.3.2 界面化学成分和电子结构
4.3.3 YIGPt的界面磁性质
4.4 本章小结
第5章 透射电镜中的其他磁性表征技术
5.1 本章引论
5.2 Skyrmion
5.2.1 Skyrmion及其基本性质
5.2.2 限域几何中的skyrmion
5.3 洛伦兹成像技术及应用
5.3.1 基本原理
5.3.2 TIE方法
5.3.3 纳米条带中skyrmion的洛伦兹表征
5.4 电子全息技术
5.4.1 基本原理
5.4.2 相位分离方法
5.4.3 Skyrmion纳米条带中边缘态的研究
5.5 透射电镜中几种磁性表征方法的比较
5.6 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
附录AEMCD中关于非弹性电子散射的理论计算
在学期间发表的学术论文
致谢

纳米尺度上材料局域磁性质的测量一直是一个具有挑
战性的难题。传统的磁性测量手段只能给出材料块体的磁
性质，分辨率也较低，在一定程度上限制了人们从更小的
尺度和更微观的层次去研究材料的磁性质。因此，基于具
有高空间分辨能力的设备，发展新的高空间分辨磁性表征
技术就十分必要。2006年，奥地利科学家Peter
Schattschneider 发明了电子磁手性二向色性（electron
magnetic chiral dichroism，EMCD）技术，首次在透射
电镜中实现了对磁性材料EMCD信号的测量。2013年，我们
研究组提出了占位分辨的EMCD技术，实现了尖晶石结构
NiFe2O4中定量磁参数的测量，具有占位分辨、元素分辨和
轨道自旋分辨的特点。然而，EMCD技术中仍旧存在一些问
题需要解决，比如低的信噪比、衍射几何的对称性和局限
性、定量磁参数测量方法的普适性、高空间分辨EMCD技术
、EMCD技术本征磁性的测量等。因此，将EMCD技术发展成
为一种完善的定量磁性测量技术，并与透射电镜中其他先
进的原子结构、电子结构和化学成分等手段协同使用，解
决材料中存在的实际问题，具有十分重要的意义。
本书在之前工作的基础上，进一步从基础理论和实验
方法两方面，深入研究了EMCD技术中存在的问题，发展和
应用了定量EMCD技术。同时，也探索和创新出了本征磁性
测量的面内EMCD技术新方法，促进了EMCD技术的发展。学
术价值主要体现在三个方面： （1）提出和实现了面内
EMCD技术，实现了样品面内本征磁信号的测量，打破了传
统EMCD技术单一面外方向磁性测量的局限性。这既是对传
统面外EMCD技术的一个创新和突破，也是继占位分辨EMCD
技术之后，相比XMCD技术的又一个新优势。面内EMCD技术
的工作是原创性的，受到了国内外学者的好评，在博士论
文的匿名评审中被认为是世界水平的工作。（2）发展了纳
米尺度上EMCD技术定量磁参数测量的一般方法。充分利用
了衍射动力学效应，提高了EMCD信号的信噪比，为定量测
量奠定了基础。同时，一般方法的建立也打破了原有的占
位分辨EMCD技术对晶体结构的依赖性。此外，指出了三束
衍射几何的不对称性，并且提出了正带轴的EMCD技术衍射
几何。（3）利用发展的理论和方法，定量测量了自旋流器
件Y3Fe5O12/Pt 界面铁的磁参数的变化和
SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3中锰的磁参数。
最近，利用物镜球差矫正器和色差矫正器，同时结合
电子能量损失谱中的纵剖成像方法，我们已经发展出了具
有原子层空间分辨能力的EMCD技术，成功地实现了
Sr2FeMoO6中不同原子层Fe原子的磁性测量，具有重要的
意义。然而，以上EMCD技术的发展都是基于常规电子束，
在特定的衍射几何下晶体充当分束器，最终实现手性EMCD
信号的探测。近些年来发展的具有轨道角动量的涡旋电子
束，结合EMCD技术实现二维原子分辨的磁性测量，也受到
了极大的关注。利用涡旋电子束来实现EMCD技术的磁性测
量，对于传统EMCD技术既是一个挑战，也是一个进步。目
前理论和实验方面的研究都已经取得了很多突破，怎样获
得可控的具有特殊性质的电子束，并且在实验上获得高信
噪比的能用于定量测量的EMCD信号仍然是一个需要解决的
问题。
朱静
清华大学材料学院
2018年6月

第3章EMCD技术本征磁信号的测量
3.1本章引论
EMCD技术能够获得材料局域的磁参数，并且具有元素分辨的能力和接近原子尺度的高空间分辨率。然而，目前EMCD技术都只能够探测平行于电子束方向的磁信息。如图3.1所示，在TEM模式下，物镜附近的强磁场将样品沿着电子束方向完全饱和磁化，EMCD技术测量的是材料电子束方向上饱和状态下的磁矩。在洛伦兹模式下，样品受到外磁场的影响可以忽略不计，对应材料本征状态下的磁组态。然而由于受到样品形状各向异性的影响，磁化方向多数情况下沿着面内方向，不能够被面外EMCD技术所探测。这与洛伦兹技术和电子全息技术正好相反，它们只能够得到材料面内的磁信息。
XMCD技术中，磁信号的来源方向取决于样品磁矩在X射线偏振方向的投影。由于X射线一般具有较大的束斑尺寸，为了避免照射区域中不同方向磁信号的抵消，实验中要求研究的区域具有均匀的磁化方向。一般的做法是对样品施加一个很强的外磁场，类似于EMCD技术中物镜磁场的作用，使其处于饱和磁化状态。但是EMCD技术与XMCD技术在本质上还是有很大的差异，信号探测的方向是由动量转移决定的。本章讨论了如何利用EMCD技术，在材料本征的磁状态下，实现面内磁信号的探测，并在实验中给予了验证。
3.2EMCD技术面内磁信号探测的基本原理
电子经过晶体散射后在衍射平面上的分布对应着丰富的物理信息［91］。EMCD信号来源于不同方向动量转移之间的相互干涉，那么通过在衍射平面上选择某一方向磁信号对应的特定动量转移位置，就有可能实现不同方向磁信号的探测。
3.2.1基本原理
图3.1中给出了面外和面内EMCD技术的实验构图。首先来回顾EMCD技术面外磁信号探测的基本原理，可以用如下的简单形式来描述［60］
Δσ=K(μ+-μ-)(q×q′)·ez
(31)
其中,Δσ为正、负位置的散射截面的差值，即实验中的EMCD信号； K为与衍射动力学效应相关的系数，取决于实验中的衍射条件； μ+-μ-为本征的EMCD信号，取决于材料的磁性质，em为探测的磁化方向，m=x、y或者z； q和q′为电子的动量转移。
图3.1面外和面内EMCD技术的对比
(a) TEM模式下，样品沿着电子束方向被完全磁化，信号分布在衍射平面的四个象限； (b) 洛伦兹模式下，磁化沿着任意方向，衍射平面上EMCD信号是三个方向的叠加
从式(31)中可以看出，实际测量磁信号的方向与选取的动量转移相关。在面外EMCD技术中，在物镜强磁场作用下，材料只有z方向的磁化分量，这时q×q′项中只有x和y方向的动量转移会贡献于最终的EMCD信号，因此这部分动量转移对应的EMCD信号就是面外磁化(z方向)产生的。同理，q×q′项中x和z方向、y和z方向的动量转移就分别对应y方向和x方向磁化分量产生的EMCD信号。因此，衍射平面上包含了不同方向的磁信息。找到不同磁化方向对应的EMCD信号在衍射平面上的分布位置，构建合适的衍射几何和采谱位置，就有可能提取不同方向的EMCD信号。
3.2.2理论模拟
这里选取了HCP结构的Co，基于上述理论给出不同磁化方向对应的EMCD信号在衍射平面上的分布。衍射几何仍然采用具有较高对称性并且能够获得较强信号强度的三束条件，加速电压为300 kV，样品厚度为20 nm，系列反射面为(210)，倾转角度偏离［001］正带轴6°。计算中选取了处于正交坐标系的超单胞形式，如图3.2所示。超单胞(s)与原始单胞(p)的关系为： ［001］p∥［001］s、［210］p∥［100］s、［010］p∥［010］s。
图3.2计算中使用的Co的超单胞
(a) HCP结构的Co的原始单胞，图中给出了4×4的范围，红色方框为选取的超单胞；
(b) 具有正交坐标系的超单胞
图3.3(b)~(d)分别给出了三个方向的磁信号分布，其中x、y、z方向分别对应系列反射轴方向、面内垂直于系列反射轴的方向和面外电子束的方向。计算中假设三个方向都处于饱和磁化状态。利用实空间和倒空间取向的对应关系，就可以找到三个磁化方向对应的晶体学取向，如图3.3(a)所示。从计算的结果可以看出，EMCD技术对于面外和面内的磁信号都是敏感的。图中给出的是不同方向上EMCD信号的相对强度，实验的信号应该乘以这一方向上的磁矩分量。比如，在TEM模式下，x和y方向的磁矩分量为0，因此就只剩余了z方向的信号分布，对应传统的EMCD技术。
图3.3HCP结构的Co在不同方向EMCD信号的模拟结果
(a) (210)三束衍射几何下，晶体学方向与正交坐标系之间的几何关系；
(b) x方向的EMCD信号； (c) y方向的EMCD信号； (d) z方向的EMCD信号
接下来讨论信号的对称性。对于z方向的EMCD信号，与之前相同，分布在四个象限，并且信号相对x轴和y轴都是反对称。因此可以将光阑放置在四个象限分别去采集EMCD信号。相反地，y方向的EMCD信号主要分布在x轴上，相对于y轴反对称，将光阑左右对称放置即可得到y方向的EMCD信号。x方向的EMCD信号分布相比y和z方向均不相同，信号相对于y轴对称分布，具有相同的符号，所以左