Magnetisk kraftmikroskop

Se även: MFM (disambiguation)

MFM-bilder på 3,2 Gb och 30 Gb datorhårddiskar.

Jämförelse av Faraday-effektbild (vänster) och MFM-bild (infälld, nedre höger) av en magnetisk film

Magnetisk kraftmikroskopi ( MFM ) är en mängd olika atomkraftsmikroskopi , där en vass magnetiserad spets skannar ett magnetiskt prov; spets-provets magnetiska interaktioner detekteras och används för att rekonstruera den magnetiska strukturen hos provytan. Många typer av magnetiska interaktioner mäts av MFM, inklusive magnetisk dipol-dipol-interaktion . MFM-skanning använder ofta beröringsfritt AFM-läge (NC-AFM).

Översikt

I MFM-mätningar kan den magnetiska kraften mellan provet och spetsen uttryckas som

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

där ${\vec {m}}\,\!$ är spetsens magnetiska moment (ungefär som en punktdipol), ${\vec {H}}\,\!$ är det magnetiska ströfältet från provytan, och µ ₀ är den magnetiska permeabiliteten för fritt utrymme.

Eftersom det strömagnetiska fältet från provet kan påverka spetsens magnetiska tillstånd, och vice versa, är tolkningen av MFM-mätningen inte enkel. Till exempel måste spetsmagnetiseringens geometri 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

Ett uppsving i intresset för MFM resulterade från följande uppfinningar:

Scanning tunneling microscope (STM) 1982, Tunnelström mellan spetsen och provet används som signal. Både spetsen och provet måste vara elektriskt ledande.

Atomkraftsmikroskopi (AFM) 1986, krafter (atomära/elektrostatiska) mellan spetsen och provet avkänns från avböjningarna av en böjlig hävarm (cantilever). Den fribärande spetsen flyger ovanför 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 det magnetiska ströfältet 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 x- , y- och z -riktningar.
• Spänning appliceras på separata elektroder för olika riktningar. Typiskt resulterar en 1 volts potential i 1 till 10 nm förskjutning.
• Bilden sätts ihop genom att långsamt skanna provytan på ett rastersätt.
• Skanningsområden sträcker sig från några till 200 mikrometer.
• Avbildningstiderna varierar från några minuter till 30 minuter.
• Återställningskraftkonstanter på konsolen sträcker sig från 0,01 till 100 N/m beroende på konsolens material.
• Magnetiserad spets i ena änden av en flexibel spak (cantilever); vanligtvis en AFM-sond med en magnetisk beläggning.
• Förr var spetsar gjorda av etsade magnetiska metaller som nickel .
• Nuförtiden är spetsar satstillverkade (tip-cantilever) med en kombination av mikrobearbetning och fotolitografi. Som ett resultat är mindre spetsar möjliga och bättre mekanisk kontroll av spetskonsolen erhålls.
• Cantilever: kan vara gjord av enkristallint kisel , kiseldioxid (SiO ₂ ) eller kiselnitrid (Si ₃ N ₄ ). Si ₃ N ₄ fribärande spetsmoduler är vanligtvis mer hållbara och har mindre återställande kraftkonstanter ( k ).
• Spetsar är belagda med en tunn (< 50 nm) magnetisk film (såsom Ni eller Co), vanligtvis med hög koercitivitet , så att spetsens magnetiska tillstånd (eller magnetisering M ) inte förändras under avbildningen.
• Tipp-cantilever-modulen drivs nära resonansfrekvensen av en piezoelektrisk kristall med typiska frekvenser från 10 kHz till 1 MHz.

Skanningsprocedur

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

• Först mäts den topografiska profilen för varje avsökningslinje. 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 den andra passagen extraheras den magnetiska signalen.

Driftsätt

Statiskt (DC) läge

Ströfältet från provet utövar en kraft på magnetspetsen. Kraften detekteras genom att mäta konsolens förskjutning genom att reflektera en laserstråle från den. Den fribärande änden böjs antingen bort eller mot provytan med ett avstånd Δ z = F _z / k (vinkelrätt mot ytan).

Statiskt läge motsvarar mätningar av fribärande avböjning. Krafter i intervallet tiotals piconewtons mäts normalt.

Dynamiskt (AC) läge

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

Om en extern oscillerande kraft Fz _belopp appliceras på konsolen, kommer spetsen att förskjutas med ett z . Dessutom kommer förskjutningen också att svänga harmoniskt, men med en fasförskjutning mellan applicerad kraft och förskjutning som ges av:

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

där amplituden och fasförskjutningarna ges av:

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

Här är kvalitetsfaktorn för resonans, resonansvinkelfrekvens och dämpningsfaktor:

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

Dynamiskt driftläge avser mätningar av skiftningarna i resonansfrekvensen. Fribäraren drivs till sin resonansfrekvens och frekvensskiftningar detekteras. Om man antar små vibrationsamplituder (vilket i allmänhet är sant i MFM-mätningar), till en första ordningens approximation, kan resonansfrekvensen relateras till egenfrekvensen och kraftgradienten. Det vill säga att förskjutningen i resonansfrekvensen är ett resultat av förändringar i fjäderkonstanten på grund av de (avstötande och attraktions-) krafterna som verkar på spetsen.

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

Förändringen i den naturliga resonansfrekvensen ges av

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

Till exempel är koordinatsystemet sådant att positiv z är borta från eller vinkelrät mot provytan, så att en attraktionskraft skulle vara i negativ riktning ( F <0), och således är gradienten positiv. Följaktligen, för attraktionskrafter, minskar resonansfrekvensen för fribäraren (som beskrivs av ekvationen). Bilden är kodad på ett sådant sätt att attraktionskrafter i allmänhet avbildas i svart färg, medan avstötande krafter kodas vita.

Bildbildning

Beräknar krafter som verkar på magnetiska spetsar

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

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

och beräkna gradienten för energin över avstånd för att erhålla kraften F . Om vi ​​antar att konsolen böjer sig längs z -axeln, och spetsen magnetiseras i en viss riktning (t.ex. z -axeln), så kan ekvationerna förenklas till

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

Eftersom spetsen är magnetiserad längs en specifik riktning kommer den att vara känslig för komponenten i provets magnetiska ströfält som är inriktad i samma riktning.

Imaging prover

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

Fördelar

Populariteten för MFM kommer från flera skäl, som inkluderar:

• Provet behöver inte vara elektriskt ledande.
• Mätning kan utföras vid omgivningstemperatur, i ultrahögt vakuum (UHV), i vätskemiljö, vid olika temperaturer och i närvaro av variabla externa magnetfält.
• Mätning är oförstörande för kristallgittret eller strukturen.
• Långdistansmagnetiska interaktioner är inte känsliga för ytkontamination.
• Ingen speciell ytbehandling eller beläggning krävs.
• Avsättning av tunna icke-magnetiska skikt på provet förändrar inte resultaten.
• Detekterbar magnetfältsintensitet, H , ligger inom intervallet 10 A/m
• Detekterbart magnetfält , B , ligger inom intervallet 0,1 gauss (10 mikroteslas ).
• Typiska uppmätta krafter är så låga som 10 ⁻¹⁴ N, med rumsliga upplösningar så låga som 20 nm.
• MFM kan kombineras med andra skanningsmetoder som STM.

Begränsningar

Det finns vissa brister eller svårigheter när man arbetar med en MFM, såsom: den inspelade bilden beror på typen av spets och magnetisk beläggning, på grund av interaktioner mellan spets och prov. Magnetfältet hos spetsen och provet kan förändra varandras magnetisering, M , vilket kan resultera i olinjära interaktioner. Detta hindrar bildtolkningen. Relativt kort lateral skanningsområde (storlek av hundratals mikrometer). Skannings (lyft) höjd påverkar bilden. MFM-systemets hölje är viktigt för att skydda elektromagnetiskt brus ( Faraday-bur ), akustiskt brus (antivibrationstabeller), luftflöde (luftisolering) och statisk laddning på provet.

Framsteg

Det har gjorts flera försök att övervinna de ovan nämnda begränsningarna och att förbättra upplösningsgränserna för MFM. Till exempel har begränsningarna från luftflödet övervunnits av MFM som arbetar i vakuum. Tipsprovseffekterna har förståtts och lösts med flera tillvägagångssätt. Wu et al., har använt en spets med antiferromagnetiskt kopplade magnetiska skikt i ett försök att producera en dipol endast vid spetsen.

externa länkar

• Anteckningar om magnetiska mått
• Ultra MFM-projekt