Magnetkraftmikroskop - Magnetic force microscope

MFM-bilder på datorns hårddiskytor på 3,2 Gb och 30 Gb.

Jämförelse av Faraday-effektbild (vänster) och MFM-bild (infälld, nedre högra) av en magnetfilm

Magnetisk kraftmikroskopi ( MFM ) är en mängd atomkraftmikroskopi , där en skarp magnetiserad spets skannar ett magnetiskt prov; spets-provets magnetiska interaktioner detekteras och används för att rekonstruera den magnetiska strukturen på provytan. Många typer av magnetiska interaktioner mäts med MFM, inklusive magnetisk dipol – dipolinteraktion . MFM-skanning använder ofta kontaktfritt AFM-läge (NC-AFM).

Översikt

I MFM-mätningar kan magnetkraften mellan provet och spetsen uttryckas som

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

var är spetsens magnetiska ögonblick (ungefärligt som en punktdipol), är det magnetiska lövfältet från provytan och µ ₀ är den magnetiska permeabiliteten för fritt utrymme. ${\ displaystyle {\ vec {m}} \, \!}$ ${\ displaystyle {\ vec {H}} \, \!}$

Eftersom det avvikande magnetfältet från provet kan påverka spetsens magnetiska tillstånd, och tvärtom, är tolkningen av MFM-mätningen inte enkel. Till exempel måste geometrin hos spetsmagnetiseringen vara känd för kvantitativ analys.

Typisk upplösning på 30 nm kan uppnås, även om upplösningar så låga som 10 till 20 nm kan uppnås.

Viktiga datum

Följande uppfinningar ökade intresset för MFM:

Skanningstunnelmikroskop (STM) 1982, Tunnelström mellan spets och prov används som signal. Både spetsen och provet måste vara elektriskt ledande.

Atomkraftsmikroskopi (AFM) 1986, krafter (atom / elektrostatisk) mellan spetsen och provet avkänns från avböjningarna av en flexibel spak (cantilever). Cantilever-spetsen flyger över provet med ett typiskt avstånd på tiotals nanometer.

Magnetic Force Microscopy (MFM), 1987 härrör från AFM. De magnetiska krafterna mellan spetsen och provet avkänns. Bild av magnetfältet erhålls genom att skanna den magnetiserade spetsen över provytan i en rasterskanning .

MFM-komponenter

Huvudkomponenterna i ett MFM-system är:

Piezoelektrisk skanning
Flyttar provet i en x- , y- och z- riktning.
Spänning appliceras på separata elektroder i olika riktningar. Typiskt resulterar en 1 volt potential i 1 till 10 nm förskjutning.
Bilden sätts ihop genom att långsamt skanna provytan på ett raster sätt.
Skanningsområdena sträcker sig från några till 200 mikrometer.
Bildtiderna varierar från några minuter till 30 minuter.
Återställning av kraftkonstanter på utskjutningsområdet sträcker sig från 0,01 till 100 N / m beroende på materialet på utdragaren.
Magnetiserad spets i ena änden av en flexibel spak (cantilever); i allmänhet en AFM-sond med magnetbeläggning.
Tidigare gjordes spetsar av etsade magnetiska metaller som nickel .
Numera tillverkas tips batchvis (tip-cantilever) med en kombination av mikromaskiner och fotolitografi. Som ett resultat är mindre spetsar möjliga, och bättre mekanisk styrning av spets-cantilever erhålls.
Cantilever: kan vara tillverkad av enkelkristallint kisel , kiseldioxid (SiO ₂ ) eller kiselnitrid (Si ₃ N ₄ ). Utdragsspetsmodulerna Si ₃ N ₄ är vanligtvis mer hållbara och har mindre återställningskraftkonstanter ( k ).
Spetsar är belagda med en tunn (<50 nm) magnetfilm (som Ni eller Co), vanligtvis med hög koercivitet , så att det magnetiska spetsens tillstånd (eller magnetisering M ) inte ändras under avbildningen.
Tip-cantilever-modulen drivs nära resonansfrekvensen av en piezoelektrisk kristall med typiska frekvenser från 10 kHz till 1 MHz.

Skanningsförfarande

Ofta drivs MFM med den så kallade "lift height" -metoden. När spetsen skannar ytan på ett prov på nära avstånd (<10 nm) avkänns inte bara magnetiska krafter utan också atom- och elektrostatiska krafter. Lyfthöjdsmetoden hjälper till att förbättra den magnetiska kontrasten genom följande:

Först mäts den topografiska profilen för varje genomsökningslinje. Det vill säga att spetsen förs in i närheten av provet för att ta AFM-mätningar.
Den magnetiserade spetsen lyfts sedan längre bort från provet.
Vid det andra passet extraheras den magnetiska signalen.

Funktionssätt

Statiskt (DC) -läge

Det avvikande fältet från provet utövar en kraft på magnetspetsen. Kraften detekteras genom att mäta utskjutningen av utskjutaren genom att reflektera en laserstråle från den. Konsoländen är antingen avböjes bort från eller mot provytan med ett avstånd Δ z = F _z / k (vinkelrätt mot ytan).

Statiskt läge motsvarar mätningar av den utskjutande utdragningen. Krafter i intervallet tiotals piconewtons mäts normalt.

Dynamiskt (AC) -läge

För små avböjningar kan spets-cantilever modelleras som en dämpad harmonisk oscillator med en effektiv massa ( m ) i [kg], en ideal fjäderkonstant ( k ) i [N / m], och ett spjäll ( D ) i [ N · s / m].

Om en extern oscillerande kraft F _z appliceras på fribärande, då spetsen kommer att förskjutas med en mängd som z . Dessutom kommer förskjutningen också att svänga harmoniskt, men med en fasförskjutning mellan applicerad kraft och förskjutning som ges av:

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

där amplituden och fasförskjutningarna ges av:

{\ 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})}} \ höger] \, \!}

Här är kvalitetsfaktorn för resonans, resonansvinkelfrekvens och dämpningsfaktor:

{\ 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}}}} \, \!}

Dynamiskt driftsätt hänför sig till mätningar av resonansfrekvensen. Utkragaren drivs till sin resonansfrekvens och frekvensförskjutningar detekteras. Om vi antar små vibrationsamplituder (vilket i allmänhet är sant i MFM-mätningar), kan en resonansfrekvens relateras till den första ordningens approximation till den naturliga frekvensen och kraftgradienten. Det vill säga att förskjutningen i resonansfrekvensen är ett resultat av förändringar i fjäderkonstanten på grund av (avstötande och attraktions) krafter som verkar på spetsen.

{\ 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) \, \!}

Förändringen i den naturliga resonansfrekvensen ges av

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

, var

{\ displaystyle f = {\ frac {\ omega} {2 \ pi}} \, \!}

Exempelvis är koordinatsystemet sådant att positivt z är borta från eller vinkelrätt mot provytan, så att en attraktiv kraft skulle vara i negativ riktning ( F <0), och därmed är gradienten positiv. Följaktligen minskar cantilevers resonansfrekvens för attraktionskrafter (som beskrivs av ekvationen). Bilden är kodad på ett sådant sätt att attraktiva krafter generellt avbildas i svart färg, medan avstötande krafter kodas vitt.

Bildbildning

Beräkna krafter som verkar på magnetiska spetsar

Teoretiskt kan den magnetostatiska energin ( U ) i spetsprovsystemet beräknas på ett av två sätt: Man kan antingen beräkna spetsens magnetisering ( M ) i närvaro av ett applicerat magnetfält ( ) i provet eller beräkna provets magnetisering ( ) i närvaro av det applicerade magnetfältet i spetsen (beroende på vilket som är lättast). Integrera sedan (dot) -produkten från magnetiserings- och strayfältet över interaktionsvolymen ( ) som ${\ displaystyle H}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle V}$

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

och beräkna gradienten av energin över avståndet för att erhålla kraften F . Förutsatt att utskjutaren avböjer sig längs z- axeln och spetsen magnetiseras längs en viss riktning (t.ex. z- axeln), kan ekvationerna förenklas till

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

Eftersom spetsen är magnetiserad längs en specifik riktning kommer den att vara känslig för den del av provets magnetfält som är inriktad i samma riktning.

Imaging prover

MFM kan användas för att avbilda olika magnetiska strukturer inklusive domänväggar (Bloch och Neel), förslutningsdomäner, inspelade magnetbitar, etc. Dessutom kan rörelse av domänväggar också studeras i ett externt magnetfält. MFM-bilder av olika material kan ses i följande böcker och tidskriftspublikationer: tunna filmer, nanopartiklar, nanotrådar, permalloyskivor och inspelningsmedia.

Fördelar

Populariteten för MFM härrör från flera skäl, som inkluderar:

Provet behöver inte vara elektriskt ledande.
Mätning kan utföras vid omgivningstemperatur, i ultrahögt vakuum (UHV), i flytande miljö, vid olika temperaturer och i närvaro av variabla externa magnetfält.
Mätningen är icke-förstörande för kristallgitteret eller strukturen.
Långväga magnetiska interaktioner är inte känsliga för ytföroreningar.
Ingen speciell ytbehandling eller beläggning krävs.
Deponering av tunna, icke-magnetiska lager på provet förändrar inte resultatet.
Detekterbar magnetfältintensitet, H , ligger i området 10 A / m
Detekterbart magnetfält , B , ligger i området 0,1 gauss (10 mikroteslas ).
Typiska uppmätta krafter är så låga som 10 ⁻¹⁴ N, med de rumsliga upplösningarna så låga som 20 nm.
MFM kan kombineras med andra skanningsmetoder som STM.

Begränsningar

Det finns vissa brister eller svårigheter när du arbetar med en MFM, till exempel: den inspelade bilden beror på typ av spets och magnetbeläggning på grund av interaktion mellan spets och prov. Magnetfältet i spetsen och provet kan ändra varandras magnetisering, M , vilket kan resultera i icke-linjära interaktioner. Detta hindrar bildtolkning. Relativt kort lateralt skanningsområde (ordning hundratals mikrometer). Skanning (lyft) påverkar bilden. MFM-systemets hölje är viktigt för att skydda elektromagnetiskt brus ( Faraday-bur ), akustiskt brus (antivibrationsbord), luftflöde (luftisolering) och statisk laddning på provet.

Framsteg

Det har gjorts flera försök att övervinna de begränsningar som nämns ovan och att förbättra upplösningsgränserna för MFM. Till exempel har begränsningarna från luftflöde övervunnits av MFM: er som arbetar i vakuum. Spetsproveffekterna har förstått och lösts genom flera metoder. Wu et al., Har använt en spets med antiferromagnetiskt kopplade magnetskikt i ett försök att producera en dipol endast vid toppen.

Languages

In other projects