Магнитно-силовой микроскоп

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 [ править ]

В измерениях MFM магнитная сила между образцом и зондом может быть выражена как ^{[1] [2]}

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

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 ^[3], хотя возможно разрешение от 10 до 20 нм. ^[4]

Важные даты [ править ]

Повышение интереса к MFM стало результатом следующих изобретений: ^{[1] [5] [6]}

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

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) 1986, 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 ^{[7] На} основе AFM. Регистрируются магнитные силы между зондом и образцом. ^{[8] [9]} Изображение магнитного поля рассеяния получается путем сканирования намагниченной иглы по поверхности образца при растровом сканировании . ^[10]

Компоненты MFM [ править ]

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 составляют 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 микромеханической обработки и фотолитографии. В результате возможны меньшие размеры наконечников, и достигается лучший механический контроль наконечника-кантилевера. ^{[11] [12] [13]}
• 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 меняется во время визуализации.
• Модуль зонд-кантилевер приводится в действие близко к резонансной частоте пьезоэлектрическим кристаллом с типичными частотами в диапазоне от 10 кГц до 1 МГц. ^[5]

Процедура сканирования [ править ]

Часто MFM используют метод так называемой «высоты подъема». ^[14] Когда зонд сканирует поверхность образца на близком расстоянии (<10 нм), воспринимаются 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. ^[15]

Режимы работы [ править ]

Статический (DC) режим [ править ]

Поле рассеяния от образца действует 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 [ править ]

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]. ^[16]

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 как: ^{[5] [6] [9]}

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

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:

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

Под динамическим режимом работы понимается измерение сдвигов резонансной частоты. Кантилевер приводится в действие до его резонансной частоты и обнаруживаются сдвиги частоты. Предполагая малые амплитуды колебаний (что обычно верно при измерениях 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.

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

Изменение собственной резонансной частоты определяется выражением

${\displaystyle \Delta f=f_{r}-f_{n}\approx -{\frac {f_{n}}{2k}}{\frac {\partial F_{z}}{\partial z}}\,\!}$, куда ${\displaystyle f={\frac {\omega }{2\pi }}\,\!}$

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, следовательно, 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 [ править ]

Расчет сил, действующих на магнитные наконечники [ править ]

Теоретически магнитостатическая энергия ( U ) системы зонд-образец может быть рассчитана одним из двух способов: ^{[1] [5] [6] [17]} Можно либо вычислить намагниченность ( M ) иглы в наличие 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 . ^[18] 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 [ править ]

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: ^{[5] [6] [19]} тонкие пленки, наночастицы, нанопроволоки, диски из пермаллоя и носители записи.

Преимущества [ править ]

Популярность MFM происходит по нескольким причинам, в том числе: ^[2]

• 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 [ править ]

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 приводить 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.

Авансы [ править ]

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. ^[20] Эффекты зонд-образец были поняты и решены с помощью нескольких подходов. Ву и др. Использовали иглу с антиферромагнитно связанными магнитными слоями, пытаясь создать диполь только на вершине. ^[21]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Примечания по применению магнитных измерений
• Ультра MFM проект