Магнитно-силовой микроскоп - Magnetic force microscope

MFM-образы поверхностей жестких дисков компьютеров объемом 3,2 Гб и 30 Гб.

Сравнение изображения с эффектом Фарадея (слева) и изображения MFM (вставка, внизу справа) магнитной пленки

Магнитно-силовая микроскопия ( MFM ) - это разновидность атомно-силовой микроскопии , в которой острый намагниченный наконечник сканирует магнитный образец; магнитные взаимодействия зонд-образец обнаруживаются и используются для восстановления магнитной структуры поверхности образца. С помощью MFM измеряются многие виды магнитных взаимодействий, включая магнитное диполь-дипольное взаимодействие . При сканировании MFM часто используется бесконтактный режим AFM (NC-AFM).

Обзор

В измерениях MFM магнитная сила между образцом и зондом может быть выражена как

{\ displaystyle {\ vec {F}} = \ mu _ {o} ({\ vec {m}} \ cdot \ nabla) {\ vec {H}} \, \!}

где - магнитный момент иглы (аппроксимированный как точечный диполь), - магнитное поле рассеяния от поверхности образца, а µ ₀ - магнитная проницаемость свободного пространства. ${\ displaystyle {\ vec {m}} \, \!}$ ${\ Displaystyle {\ vec {H}} \, \!}$

Поскольку паразитное магнитное поле от образца может повлиять на магнитное состояние иглы, и наоборот, интерпретация измерения MFM не является простой. Например, для количественного анализа должна быть известна геометрия намагничивания острия.

Может быть достигнуто типичное разрешение 30 нм, хотя возможно разрешение от 10 до 20 нм.

Важные даты

Повышение интереса к MFM произошло благодаря следующим изобретениям:

Сканирующий туннельный микроскоп (STM) 1982 г. В качестве сигнала используется туннельный ток между зондом и образцом. И зонд, и образец должны быть электропроводными.

С помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) 1986 г. силы (атомные / электростатические) между зондом и образцом измеряются по отклонениям гибкого рычага (кантилевера). Острие кантилевера пролетает над образцом на типичном расстоянии в десятки нанометров.

Магнитно-силовая микроскопия (MFM), 1987 г. На основе AFM. Регистрируются магнитные силы между зондом и образцом. Изображение магнитного поля рассеяния получается путем сканирования намагниченной иглы по поверхности образца при растровом сканировании .

Компоненты MFM

Основными компонентами системы MFM являются:

Пьезоэлектрическое сканирование
Перемещает образец в направлениях x , y и z .
Напряжение подается на отдельные электроды в разных направлениях. Обычно при напряжении в 1 вольт смещение составляет от 1 до 10 нм.
Изображение собирается путем медленного сканирования поверхности образца в растровом режиме.
Области сканирования варьируются от нескольких до 200 микрометров.
Время визуализации составляет от нескольких минут до 30 минут.
Константы восстанавливающей силы на кантилевере колеблются от 0,01 до 100 Н / м в зависимости от материала кантилевера.
Намагниченный наконечник на одном конце гибкого рычага (кантилевера); обычно зонд АСМ с магнитным покрытием.
В прошлом наконечники изготавливались из травленых магнитных металлов, таких как никель .
В настоящее время наконечники изготавливаются партиями (наконечник-кантилевер) с использованием комбинации микрообработки и фотолитографии. В результате возможны меньшие размеры наконечников, и достигается лучший механический контроль наконечника-кантилевера.
Консоль: может быть изготовлена из монокристаллического кремния , диоксида кремния (SiO ₂ ) или нитрида кремния (Si ₃ N ₄ ). Консольные модули Si ₃ N ₄ обычно более долговечны и имеют меньшие постоянные возвращающей силы ( k ).
Наконечники покрыты тонкой (<50 нм) магнитной пленкой (например, Ni или Co), обычно с высокой коэрцитивной силой , так что магнитное состояние наконечника (или намагниченность M ) не изменяется во время визуализации.
Модуль иглы-кантилевер приводится в действие близко к резонансной частоте пьезоэлектрическим кристаллом с типичными частотами в диапазоне от 10 кГц до 1 МГц.

Процедура сканирования

Часто MFM используют метод так называемой «высоты подъема». Когда зонд сканирует поверхность образца на близком расстоянии (<10 нм), регистрируются не только магнитные силы, но также атомные и электростатические силы. Метод высоты подъема помогает улучшить магнитный контраст за счет следующего:

Сначала измеряется топографический профиль каждой линии сканирования. То есть наконечник помещается в непосредственной близости от образца для проведения измерений AFM.
Затем намагниченный наконечник отодвигается от образца.
На втором проходе извлекается магнитный сигнал.

Режимы работы

Статический (DC) режим

Поле рассеяния образца воздействует на магнитный наконечник. Сила обнаруживается путем измерения смещения кантилевера путем отражения от него лазерного луча. Конец кантилевера отклоняется либо в сторону, либо в сторону поверхности образца на расстояние Δ z = F _z / k (перпендикулярно поверхности).

Статический режим соответствует измерениям прогиба кантилевера. Обычно измеряются силы в диапазоне десятков пиконьютонов .

Динамический (AC) режим

Для небольших прогибов наконечник-кантилевер можно смоделировать как затухающий гармонический осциллятор с эффективной массой ( м ) в [кг], идеальной жесткостью пружины ( k ) в [Н / м] и демпфером ( D ) в [ Н · с / м].

Если к кантилеверу приложить внешнюю осциллирующую силу F _z , то острие сместится на величину z . Более того, смещение также будет гармонически колебаться, но с фазовым сдвигом между приложенной силой и смещением, определяемым по формуле:

{\ Displaystyle F_ {z} = F_ {o} \ cos (\ omega t), \; z = z_ {o} \ cos (\ omega t + \ theta) \, \!}

где амплитуда и фазовые сдвиги определяются как:

{\ displaystyle z_ {o} = {\ frac {\ frac {F_ {o}} {m}} {(\ omega _ {n} ^ {2} - \ omega ^ {2}) + ({\ frac { \ omega _ {n} \ omega} {Q}}) ^ {2}}}, \; \ theta = \ arctan \ left [{\ frac {\ omega _ {n} \ omega} {Q (\ omega _ {n} ^ {2} - \ omega ^ {2})}} \ right] \, \!}

Здесь добротность резонанса, угловая частота резонанса и коэффициент демпфирования равны:

{\ displaystyle Q = 2 \ pi {\ frac {{\ frac {1} {2}} kz_ {o} ^ {2}} {\ pi Dz_ {o} ^ {2} \ omega _ {n}}} = {\ frac {1} {2 \ delta}}, \; \ omega _ {n} = {\ sqrt {\ frac {k} {m}}}, \; \ delta = {\ frac {D} { 2 {\ sqrt {mk}}}} \, \!}

Динамический режим работы относится к измерениям сдвигов резонансной частоты. Кантилевер приводится в движение до его резонансной частоты и регистрируются сдвиги частоты. Предполагая малые амплитуды колебаний (что обычно справедливо для измерений MFM), в приближении первого порядка резонансная частота может быть связана с собственной частотой и градиентом силы. То есть сдвиг резонансной частоты является результатом изменений жесткости пружины из-за сил (отталкивания и притяжения), действующих на наконечник.

{\ displaystyle \ omega _ {r} = \ omega _ {n} {\ sqrt {1 - {\ frac {1} {k}} {\ frac {\ partial F_ {z}} {\ partial z}}} } \ приблизительно \ omega _ {n} \ left (1 - {\ frac {1} {2k}} {\ frac {\ partial F_ {z}} {\ partial z}} \ right) \, \!}

Изменение собственной резонансной частоты определяется выражением

{\ displaystyle \ Delta f = f_ {r} -f_ {n} \ приблизительно - {\ frac {f_ {n}} {2k}} {\ frac {\ partial F_ {z}} {\ partial z}} \ , \!}

, где

{\ Displaystyle F = {\ гидроразрыва {\ omega} {2 \ pi}} \, \!}

Например, система координат такова, что положительное значение z находится вдали от поверхности образца или перпендикулярно ей, так что сила притяжения будет в отрицательном направлении ( F <0), и, таким образом, градиент будет положительным. Следовательно, для сил притяжения резонансная частота кантилевера уменьшается (как описано уравнением). Изображение кодируется таким образом, что силы притяжения обычно изображаются черным цветом, а силы отталкивания - белым.

Формирование изображения

Расчет сил, действующих на магнитные наконечники

Теоретически магнитостатическая энергия ( U ) системы зонд-образец может быть рассчитана одним из двух способов: можно вычислить намагниченность ( M ) иглы в присутствии приложенного магнитного поля ( ) образца. или вычислить намагниченность ( ) образца в присутствии приложенного магнитного поля иглы (в зависимости от того, что проще). Затем проинтегрируйте (точечное) произведение намагниченности и поля рассеяния по объему взаимодействия ( ) как ${\ displaystyle H}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle V}$

{\ displaystyle U = - \ mu _ {o} \ int \ limits _ {V} {{\ vec {M}} \ cdot {\ vec {H}} \, dV} \, \!}

и вычисляют градиент энергии на расстояние , чтобы получить силу F . Если предположить, что кантилевер отклоняется по оси z , а наконечник намагничен в определенном направлении (например, оси z ), то уравнения можно упростить до

{\ displaystyle F_ {i} = \ mu _ {o} \ int \ limits _ {V} {{\ vec {M}} \ cdot {\ frac {\ partial {\ vec {H}}} {\ partial x_ {i}}} \, dV} \, \!}

Поскольку наконечник намагничен в определенном направлении, он будет чувствителен к составляющей магнитного поля рассеяния образца, ориентированной в том же направлении.

Образцы изображений

MFM может использоваться для изображения различных магнитных структур, включая доменные стенки (Блоха и Нееля), замыкающие домены, записанные магнитные биты и т. Д. Кроме того, движение доменной стенки также можно изучать во внешнем магнитном поле. MFM-изображения различных материалов можно увидеть в следующих книгах и журнальных публикациях: тонкие пленки, наночастицы, нанопроволоки, диски из пермаллоя и носители записи.

Преимущества

Популярность MFM происходит по нескольким причинам, в том числе:

Образец не обязательно должен быть электропроводным.
Измерение можно проводить при температуре окружающей среды, в сверхвысоком вакууме (UHV), в жидкой среде, при различных температурах и в присутствии переменных внешних магнитных полей.
Измерение не разрушает кристаллическую решетку или структуру.
Магнитные взаимодействия дальнего действия нечувствительны к загрязнению поверхности.
Никакой специальной подготовки поверхности или покрытия не требуется.
Нанесение тонких немагнитных слоев на образец не влияет на результаты.
Обнаруживаемая напряженность магнитного поля H находится в диапазоне 10 А / м.
Обнаруженная магнитное поле , Б , находится в диапазоне от 0,1 Гс (10 микротесла ).
Типичные измеренные силы составляют всего 10 ^-14 Н, с пространственным разрешением всего 20 нм.
MFM можно комбинировать с другими методами сканирования, такими как STM.

Ограничения

При работе с MFM есть некоторые недостатки или трудности, такие как: записанное изображение зависит от типа наконечника и магнитного покрытия из-за взаимодействия между наконечником и образцом. Магнитное поле иглы и образца может изменять намагниченность друг друга M , что может привести к нелинейным взаимодействиям. Это затрудняет интерпретацию изображения. Относительно небольшой диапазон бокового сканирования (порядка сотен микрометров). Высота сканирования (подъема) влияет на изображение. Корпус системы MFM важен для защиты от электромагнитного шума ( клетка Фарадея ), акустического шума (антивибрационные столы), воздушного потока (воздушная изоляция) и статического заряда на образце.

Достижения

Было предпринято несколько попыток преодолеть упомянутые выше ограничения и улучшить пределы разрешения MFM. Например, ограничения воздушного потока были преодолены с помощью MFM, которые работают в вакууме. Эффекты зонд-образец были поняты и решены с помощью нескольких подходов. Ву и др. Использовали наконечник с антиферромагнитно связанными магнитными слоями, пытаясь создать диполь только на вершине.

Languages

In other projects