Магнитно-силовой микроскоп

Смотрите также: МФМ (значения)

MFM-изображения поверхностей жестких дисков компьютера емкостью 3,2 Гб и 30 Гб.

Сравнение изображения с эффектом Фарадея (слева) и МСМ-изображения (вставка, внизу справа) магнитной пленки.

Магнитно-силовая микроскопия ( МСМ ) — это разновидность атомно-силовой микроскопии , при которой острый намагниченный наконечник сканирует магнитный образец; магнитные взаимодействия зонд-образец обнаруживаются и используются для восстановления магнитной структуры поверхности образца. С помощью МСМ измеряются многие виды магнитных взаимодействий, включая магнитное диполь-дипольное взаимодействие . При MFM-сканировании часто используется бесконтактная атомно-силовая микроскопия (NC-AFM) и считается неразрушающим методом по отношению к испытуемому образцу. В МСМ тестовые образцы не обязательно должны быть электропроводящими для получения изображения.

Обзор

При измерениях МСМ магнитная сила между испытуемым образцом и зондом может быть выражена как

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

где ${\vec {m}}\,\!$ - магнитный момент иглы (аппроксимируется точечным диполем), ${\vec {H}}\,\!$ – магнитное поле рассеяния от поверхности образца, µ ₀ – магнитная проницаемость свободного пространства.

Поскольку рассеянное магнитное поле образца может влиять на магнитное состояние зонда и наоборот, интерпретация результатов МСМ не является простой. Например, для количественного анализа необходимо знать геометрию намагниченности иглы.

Типичное разрешение 30 нм может быть достигнуто, хотя достижимо разрешение от 10 до 20 нм.

Важные даты

Повышению интереса к MFM способствовали следующие изобретения:

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) 1982 г. В качестве сигнала используется туннельный ток между зондом и образцом. И наконечник, и образец должны быть электропроводящими.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) 1986 г., силы (атомные/электростатические) между зондом и образцом измеряются по отклонениям гибкого рычага (кантилевера). Кончик кантилевера пролетает над образцом на типичном расстоянии в десятки нанометров.

Магнитно-силовая микроскопия (МСМ), 1987 г. Получено из AFM. Регистрируются магнитные силы между зондом и образцом. Изображение магнитного поля рассеяния получается путем сканирования намагниченным иглой поверхности образца при растровом сканировании .

Компоненты МФМ

Основными компонентами системы MFM являются:

• Пьезоэлектрическое сканирование
• Перемещает образец в направлениях x , y и z .
• Напряжение подается на отдельные электроды в разных направлениях. Обычно потенциал в 1 В приводит к смещению от 1 до 10 нм.
• Изображение создается путем медленного растрового сканирования поверхности образца.
• Области сканирования варьируются от нескольких до 200 микрометров.
• Время визуализации варьируется от нескольких минут до 30 минут.
• Восстанавливающие силовые константы на кантилевере составляют от 0,01 до 100 Н/м в зависимости от материала кантилевера.
• Намагниченный наконечник на одном конце гибкого рычага (консольного); обычно это зонд АСМ с магнитным покрытием.
• Раньше наконечники изготавливались из травленых магнитных металлов, таких как никель .
• В настоящее время наконечники изготавливаются серийно (наконечники-консоли) с использованием комбинации микромеханической обработки и фотолитографии. В результате возможны наконечники меньшего размера и обеспечивается лучшее механическое управление наконечником-кантилевером.
• Кантилевер: может быть изготовлен 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 константы возвращающей силы ( k ).
• Насадки покрыты тонкой (< 50 нм) магнитной пленкой (например, Ni или Co), обычно обладающей высокой коэрцитивной силой , так что магнитное состояние насадки (или намагниченность M ) не меняется во время визуализации.
• Модуль наконечник-консоль приводится в движение, близкое к резонансной частоте, с помощью пьезоэлектрического кристалла с типичными частотами в диапазоне от 10 кГц до 1 МГц.

Процедура сканирования

Часто MFM эксплуатируется по так называемому методу «высоты подъема». Когда игла сканирует поверхность образца на близких расстояниях (< 10 нм), регистрируются не только магнитные силы, но также атомные и электростатические силы. Метод высоты подъема помогает усилить магнитный контраст за счет следующего:

• Сначала измеряется топографический профиль каждой линии сканирования. То есть наконечник подносится в непосредственной близости к образцу для проведения измерений АСМ.
• Затем намагниченный наконечник поднимают дальше от образца.
• На втором проходе извлекается магнитный сигнал.

Режимы работы

Статический (постоянный ток) режим

Поле рассеяния образца оказывает воздействие 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 Δz = Fz / ₍ k . перпендикулярно поверхности)

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

Динамический (AC) режим

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

Если к кантилеверу приложить внешнюю осциллирующую силу , _Fz то наконечник сместится на величину z . Более того, смещение также будет гармонически колебаться, но со сдвигом фаз между приложенной силой и смещением, определяемым формулой:

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

где сдвиги амплитуды и фазы определяются выражением:

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

Здесь добротность резонанса, резонансная угловая частота и коэффициент затухания равны:

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

Динамический режим работы относится к измерениям сдвигов резонансной частоты.Кантилевер приводится в движение до резонансной частоты, и регистрируются сдвиги частоты.Предполагая малые амплитуды вибрации (что обычно справедливо при измерениях МСМ), в первом приближении резонансную частоту можно связать с собственной частотой и градиентом силы. То есть сдвиг резонансной частоты является результатом изменения жесткости пружины из-за сил (отталкивания и притяжения), действующих на наконечник.

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

Изменение собственной резонансной частоты определяется выражением

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

Например, система координат такова, что положительный 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 закодировано таким образом, что силы притяжения обычно изображаются черным цветом, а силы отталкивания — белым.

Формирование имиджа

Расчет сил, действующих на магнитные наконечники

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

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

и вычислим градиент энергии на расстоянии, чтобы получить F. силу Предполагая, что кантилевер отклоняется вдоль оси z , а наконечник намагничивается в определенном направлении (например, оси z ), тогда уравнения можно упростить до

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

Поскольку игла намагничена в определенном направлении, она будет чувствительна к той составляющей магнитного поля рассеяния образца, которая ориентирована в том же направлении.

Образцы изображений

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

Преимущества

Популярность MFM обусловлена ​​несколькими причинами, среди которых:

• Образец не обязательно должен быть электропроводным.
• Измерения можно проводить при температуре окружающей среды, в сверхвысоком вакууме (СВВ), в жидкой среде, при различных температурах и в присутствии переменных внешних магнитных полей.
• Измерение не разрушает кристаллическую решетку или матрицу материала испытуемого образца.
• Дальние магнитные взаимодействия не чувствительны к поверхностному загрязнению.
• Никакой специальной подготовки поверхности или нанесения покрытия не требуется.
• Нанесение на образец тонких немагнитных слоев не меняет результатов.
• Обнаруживаемая интенсивность магнитного поля H находится в диапазоне 10 А/м.
• Обнаруживаемое магнитное поле B находится в диапазоне 0,1 гаусса (10 микротесл ).
• Типичные измеренные силы составляют всего 10 ⁻¹⁴ N, с пространственным разрешением всего 20 нм.
• МСМ можно комбинировать с другими методами сканирования, такими как СТМ.

Ограничения

При работе с МСМ существуют некоторые недостатки или трудности, такие как: зависимость записываемого изображения от типа зонда и магнитного покрытия из-за взаимодействия зонда с образцом. Магнитное поле зонда и образца может изменить намагниченность друг друга M , что может привести к нелинейным взаимодействиям. Это затрудняет интерпретацию изображений. Относительно небольшая дальность 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

Было предпринято несколько попыток преодолеть упомянутые выше ограничения и улучшить пределы разрешения MFM. Например, ограничения, связанные с потоком воздуха, были преодолены с помощью MFM, работающих 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.

Внешние ссылки

• Замечания по применению магнитных измерений
• Проект Ультра МФМ