Спин-поляризационная сканирующая туннельная микроскопия

Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия ( SP-STM ) — это тип сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который может предоставить подробную информацию о магнитных явлениях в масштабе одного атома в дополнение к атомной топографии, полученной с помощью СТМ. SP-STM открыл новый подход к статическим и динамическим магнитным процессам, например, к точному исследованию доменных границ в ферромагнитных и антиферромагнитных системах, а также термическому и токовому переключению наномагнитных частиц.

Принцип работы

Чрезвычайно острый наконечник, покрытый тонким слоем магнитного материала, систематически перемещается по образцу. Между наконечником и образцом подается напряжение, позволяющее электронам туннелировать между ними, что приводит к возникновению тока. В отсутствие магнитных явлений сила этого тока указывает на локальные электронные свойства.

Если игла намагничена, электроны со спинами, соответствующими намагниченности иглы, будут иметь более высокую вероятность туннелирования. По сути, это эффект туннельного магнитосопротивления , а кончик/поверхность по существу действует как спиновой клапан .

Поскольку сканирование с использованием только намагниченного зонда не может различить изменения тока из-за намагничивания или пространственного разделения, необходимо использовать многодоменные структуры и/или топографическую информацию из другого источника (часто обычного СТМ). Это делает возможным получение магнитных изображений вплоть до атомного масштаба, например, в антиферромагнитной системе. Топографическую и магнитную информацию можно получить одновременно, если намагниченность зонда модулировать на высокой частоте (20–30 кГц) с помощью небольшой катушки, намотанной вокруг зонда. Таким образом, намагниченность иглы меняется слишком быстро, чтобы петля обратной связи СТМ могла отреагировать на нее, и топографическая информация получается неповрежденной. Высокочастотный сигнал выделяется с помощью синхронного усилителя , и этот сигнал предоставляет магнитную информацию о поверхности.

В стандартной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) вероятность туннелирования электронов между острием зонда и образцом сильно зависит от расстояния между ними, поскольку она экспоненциально затухает по мере увеличения расстояния. В спин-поляризованном СТМ (СП-СТМ) туннельный ток зависит также от спин -ориентации иглы и образца. Локальная плотность состояний (LDOS) магнитного острия и образца различна для разных ориентаций спинов, и туннелирование может происходить только между состояниями с параллельным спином (без учета процессов переворота спина ). Когда спин образца и игла параллельны, существует множество доступных состояний, в которые электроны могут туннелировать, что приводит к большому туннельному току. С другой стороны, если спины антипараллельны, большинство доступных состояний уже заполнено и туннельный ток будет значительно меньше. Затем с помощью SP-STM можно исследовать спин-зависимую локальную плотность состояний магнитных образцов путем измерения туннельной проводимости. $G=\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$, который для малого смещения определяется выражением $$G=2\pi ^{2}G_{0}|M_{0}|^{2}n_{\mathrm {t} }n_{\mathrm {s} }\left(1+P_{\mathrm {t} }P_{\mathrm {s} }\cos \theta \right),$$где ${\textstyle G_{0}}$ – туннельная проводимость в немагнитном случае, ${\textstyle M_{0}}$ – туннельный матричный элемент, описывающий переходы между спин-зависимыми состояниями зонда и образца, ${\textstyle n_{\mathrm {t} }}$, ${\textstyle P_{\mathrm {t} }}$, и ${\textstyle n_{\mathrm {s} }}$, ${\textstyle P_{\mathrm {s} }}$ – полные плотности состояний и поляризации для иглы (t) и образца (s) соответственно; ${\textstyle \theta }$ – угол между направлениями намагничивания иглы и образца. В немагнитном пределе ( ${\textstyle P_{t}=0}$ или ${\textstyle P_{s}=0}$), это выражение сводится к модели Терсоффа и Хамана для стандартной туннельной проводимости СТМ.

В более общем случае при конечном напряжении смещения ${\textstyle U}$, выражение для туннельного тока в месте расположения острия ${\textstyle \mathbf {r} }$ становится $$I\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)=I_{0}\left(\mathbf {r} ,U\right)+I_{d}\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)={\frac {4\pi ^{3}C^{2}\hslash ^{3}e}{\kappa ^{2}m^{2}}}\left[n_{\mathrm {t} }{\tilde {n}}_{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)+\mathbf {m} _{\mathrm {t} }\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)\right],$$где $C$ является постоянным, $\kappa$ обратная длина распада электрона волновой функции , и, ${\textstyle e}$ и ${\textstyle m}$ заряд и масса электрона соответственно ${\textstyle {\tilde {n}}_{\mathrm {s} }}$ - это энергетически интегрированная LDOS иглы, а ${\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}$, и $\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }$ — соответствующие векторы намагниченности спин-поляризованной LDOS. Туннельный ток представляет собой сумму независимых от спина $I_{0}$и зависящий от спина $I_{d}$ части.

Принцип работы спин-поляризованного сканирующего туннельного микроскопа. В магнитных материалах плотность состояний разделена между различными ориентациями спинов, и туннельный ток является самым сильным, когда спин образца параллелен вращению иглы.

Подготовка наконечника зонда

Наиболее важным компонентом установки SP-STM является наконечник зонда, который должен быть атомарно острым, чтобы обеспечить пространственное разрешение вплоть до атомного уровня, иметь достаточно большую спиновую поляризацию, чтобы обеспечить достаточное соотношение сигнал/шум , но в то же время иметь достаточно малую рассеянное магнитное поле, позволяющее проводить неразрушающее магнитное зондирование образца, и, наконец, необходимо контролировать ориентацию спина на вершине иглы, чтобы определить, какая ориентация спина образца отображается. Чтобы предотвратить окисление, подготовку наконечника обычно необходимо проводить в сверхвысоком вакууме (СВВ). Существует три основных способа получить наконечник зонда, подходящий для измерений SP-STM:

1. Объемный магнитный материал (например, железо ) сначала подвергается электрохимическому травлению , чтобы сформировать сужение, а когда материал разрывается, он ломается в сужении, образуя острый кончик. Альтернативно материал можно протравливать до формирования наконечника, но тогда потребуется процедура очистки наконечника в сверхвысоком вакууме. Железо имеет высокую намагниченность насыщения, что приводит к увеличению поля рассеяния вокруг наконечника, что делает неразрушающее изображение невозможным. Железные наконечники можно использовать для измерения антиферромагнитных или ферримагнитных образцов. Аморфные сплавы, такие как ${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$ имеют меньшую намагниченность насыщения, но все еще неисчезающие поля рассеяния. Для неразрушающего построения изображений наконечники могут быть изготовлены из антиферромагнитных материалов, таких как ${\textstyle {\ce {Cr}}}$ или ${\textstyle {\ce {MnNi}}}$Однако в этом случае спиновый контраст изображения приносится в жертву из-за туннельных токов из разных спиновых состояний, частично компенсирующих друг друга.
2. Немагнитный наконечник с ультратонкой пленкой магнитного материала. Немагнитный материал сначала травится и очищается с помощью электронной бомбардировки и высокотемпературной вспышки для удаления оксидов и других загрязнений. Затем наконечник покрывают тонким (менее диаметра наконечника) слоем магнитного материала. В таких тонких пленках направление намагничивания определяется поверхностной и межфазной анизотропией . Выбрав подходящий материал и толщину пленки, наконечник можно подготовить для зондирования магнитных направлений как в плоскости, так и вне плоскости. Для тонких ферромагнитных пленок можно использовать внешнее магнитное поле для изменения намагниченности, что позволяет установке измерять оба направления одним и тем же зондом. Чтобы увеличить пространственное разрешение, можно приложить напряжение смещения между иглой и образцом, что заставляет атомы тонкой пленки мигрировать к вершине иглы, делая ее более острой. Даже при нанесении тонкой пленки на наконечнике все равно будет возникать рассеянное магнитное поле, которое может воздействовать на образец.
3. Немагнитный наконечник с кластером магнитного материала. В этом методе между немагнитным наконечником и магнитным образцом подаются импульсы напряжения, в результате чего магнитный материал образца прикрепляется к наконечнику. Направление намагничивания можно изменить, подав дополнительные импульсы напряжения. Альтернативно, наконечник можно погрузить в магнитный материал, а затем втянуть, оставив кластер прикрепленным к наконечнику, при условии, что магнитный материал должным образом смачивает наконечник. Размер наконечника не контролируется, как при осаждении ультратонких пленок.

Режимы работы

SP-STM может работать в одном из трех режимов: режим постоянного тока и спектроскопический режим, которые аналогичны стандартным режимам работы СТМ , но с разрешением по спину, или режим модулированного иглового намагничивания, который уникален для измерений SP-STM. В режиме постоянного тока расстояние между зондом и образцом поддерживается постоянным благодаря электрической цепи обратной связи. Измеренный туннельный ток $I$ состоит из спин-усредненных и спин-зависимых компонент ( $I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }$), который можно разложить по данным. В туннельном токе в основном доминирует наименьший ненулевой вектор обратной решетки , а это означает, что, поскольку магнитные сверхструктуры обычно имеют самую длинную периодичность в реальном пространстве (и, следовательно, самую короткую периодичность в обратном пространстве), они вносят наибольший вклад в зависящий от спина туннельный ток. $I_{\mathrm {d} }$. Таким образом, SP-STM является отличным методом наблюдения магнитной структуры, а не атомной структуры образца. Обратной стороной является то, что трудно изучать масштабы, превышающие атомные, в режиме постоянного тока, поскольку топографические особенности поверхности могут мешать магнитным особенностям, что очень затрудняет анализ данных.

Второй режим работы — спектроскопический режим со спиновым разрешением, который измеряет локальную дифференциальную туннельную проводимость. $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ как функция напряжения смещения $U$ и пространственные координаты вершины. Спектроскопический режим можно использовать в условиях постоянного тока, при которых расстояние между кончиками образца и кончиками варьируется, что приводит к суперпозиции топографической и электронной информации, которую затем можно разделить. Если используется спектроскопический режим с постоянным разделением зонда и образца, измеренное значение $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ напрямую связана со спин-разрешенной LDOS образца, тогда как измеренный туннельный ток $I$ пропорционален интегрированной по энергии спин-поляризованной LDOS. Комбинируя спектроскопический режим с режимом постоянного тока, можно получить как топографические, так и спин-разрешенные данные о поверхности.

В-третьих, SP-STM можно использовать в режиме модулированного намагничивания, при котором намагниченность иглы периодически переключается, что приводит к возникновению туннельного тока, пропорционального локальной намагниченности образца. Это позволяет отделять магнитные объекты от электронных и топографических объектов. Поскольку спин-поляризованная LDOS может менять не только величину, но и знак в зависимости от энергии, измеренный туннельный ток может исчезнуть, даже если в образце имеется конечная намагниченность. Таким образом, необходимо также изучить зависимость от смещения спин-поляризованного туннельного тока в режиме модулированного намагничивания. Для режима модулированного намагничивания подходят только ферромагнитные наконечники, а это означает, что их поля рассеяния могут сделать неразрушающее получение изображений невозможным.

Применение SP-STM

Спин-поляризованный сканирующий туннельный микроскоп — это универсальный прибор, который привлек огромное внимание благодаря своей повышенной поверхностной чувствительности и латеральному разрешению вплоть до атомного масштаба. Он может использоваться в качестве важного инструмента для изучения ферромагнитных материалов, таких как диспрозий (Dy), квази- -2D тонкие пленки, наноостровки и квазиодномерные нанопроволоки, обладающие высокой магнитной анизотропией и т. д. В исследовании, проведенном Л. Бербиль-Баутистой и др., Магнитная доменная граница или стенка Нееля шириной 2–5 нм, присутствующая в этих материалах, наблюдается при поднесении вольфрамового наконечника, покрытого хромом (Cr), близко к слою Dy. Это вызывает перенос частиц Dy из магнитного материала на вершину иглы. Ширина доменной стенки рассчитывается как $${\displaystyle w={\sqrt {2(A/k)}}},$$ где ${\textstyle A}$ - обменная жесткость. Магнитный контраст усиливается за счет наличия незанятых электронных состояний в кластере атомов Dy, присутствующем на вершине иглы. Формирование доменных границ на 360° в ферромагнитных пленках играет важную роль при создании устройств магнитной оперативной памяти . Эти доменные границы образуются, когда внешнее магнитное поле прикладывается вдоль легкого направления магнитного материала. Это заставляет две стены с углом поворота 180°, которые также имеют одинаковое направление вращения, сблизиться. В исследовании, проведенном А. Кубецкой и др., SP-STM использовался для измерения эволюции профилей доменных стенок на 360 ° двух атомных слоев железных нанопроволок путем изменения внешнего магнитного поля в диапазоне 550-800 мТл.

Явление квантовой интерференции наблюдалось в островках кобальта , осажденных на подложку из меди (111). Это объясняется тем фактом, что рассеяние, вызванное дефектами электронов поверхностного состояния , такими как края террас, примеси или адсорбаты, присутствуют на плотно упакованной поверхности благородного металла. Спин-поляризованный СТМ использовался для исследования электронной структуры треугольных островков кобальта, осажденных на медь (111). Это исследование показывает, что подложка и острова демонстрируют свои индивидуальные структуры стоячих волн, и это можно использовать для поиска спин-поляризованного материала.

Новые достижения в SP-STM

SP-STS-изображение одного атома кислорода, абсорбированного на подложке железа (110).

Новые достижения в области SP-STM показывают, что этот метод можно в дальнейшем использовать для понимания сложных явлений, которые не были объяснены другими методами визуализации. Немагнитные примеси, такие как кислород на магнитной поверхности (двойной слой железа на подложке из вольфрама (W)) вызывают образование спин-поляризованных волн. Адсорбированная примесь кислорода на двойном слое железа может быть использована для изучения взаимодействия кондо- примесей по взаимодействию РККИ . Это исследование показывает, что состояния анизотропного рассеяния могут наблюдаться вокруг отдельных атомов кислорода, адсорбированных на двойном слое железа. Это дает информацию о спиновых характеристиках электронных состояний, участвующих в процессе рассеяния.

существование двумерного антиферромагнетизма на границе раздела марганца Аналогичным образом, с помощью метода SP-STM наблюдалось (Mn) и W(110). Важность данного исследования заключается в том, что шероховатость атомного масштаба на границе раздела Mn и W(110) вызывает фрустрацию магнитного взаимодействия и приводит к возникновению сложных спиновых структур, которые невозможно изучить другими методами.

Альтернативный метод

Другой способ получить распределение намагниченности — заставить наконечник создавать сильный поток спин-поляризованных электронов. Один из способов добиться этого — направить свет поляризационного лазера на наконечник GaAs , который производит спин-поляризованные электроны из-за спин-орбитального взаимодействия. Затем игла сканируется вдоль образца, как при обычном СТМ. Одним из ограничений этого метода является то, что наиболее эффективный источник спин-поляризованных электронов получается, когда падающий лазерный свет светит прямо напротив иглы, то есть через сам образец. Это ограничивает метод измерением тонких образцов.

См. также

• микроскопия
• Сканирующая зондовая микроскопия
• Сканирующая туннельная микроскопия
• Спиновой клапан
• Туннельное магнитосопротивление

Внешние ссылки

• Краткий обзор СТМ
• Боде, М (2003). «Спин-поляризационная сканирующая туннельная микроскопия». Отчеты о прогрессе в физике . 66 (4): 523–582. Бибкод : 2003РПФ...66..523Б . дои : 10.1088/0034-4885/66/4/203 .