مقالة منهجية

مسح دراسة الحبار من التلاعب دوامة من الاتصال المحلي

6.7K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/54986

⸱

فبراير 1, 2017

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physics and Institute of Nanotechnology and Advanced Materials, Bar-Ilan University

في هذه المقالة

ملخص

نقدم بروتوكولا للتلاعب بالدوامات الفردية في أغشية رقيقة فائقة التوصيل ، باستخدام التلامس الميكانيكي المحلي. لا تتضمن الطريقة تطبيق التيار أو المجال المغناطيسي أو خطوات التصنيع الإضافية.

الملخص

يعد التلاعب المحلي والحتمي بالدوامات الفردية في الموصلات الفائقة من النوع 2 أمرا صعبا. تعد القدرة على التحكم في موضع الدوامات الفردية ضرورية لدراسة كيفية تفاعل الدوامات مع بعضها البعض ، ومع الشبكة ، ومع الأجسام المغناطيسية الأخرى. هنا ، نقدم بروتوكولا لمعالجة الدوامة في الأغشية الرقيقة فائقة التوصيل عن طريق الاتصال المحلي ، دون تطبيق المجال الحالي أو المغناطيسي. يتم تصوير الدوامات باستخدام جهاز تداخل كمي فائق التوصيل (SQUID) ، ويتم تطبيق الضغط الرأسي على العينة عن طريق دفع طرف شريحة السيليكون إلى العينة ، باستخدام عنصر كهرضغطية. يتم تحريك الدوامات عن طريق النقر على العينة أو مسحها بطرف السيليكون. تسمح طريقتنا بالتلاعب الفعال بالدوامات الفردية ، دون الإضرار بالفيلم أو التأثير على تضاريسه. نوضح كيف تم نقل الدوامات إلى مسافات تصل إلى 0.8 مم. ظلت الدوامات مستقرة في موقعها الجديد لمدة تصل إلى خمسة أيام. بهذه الطريقة ، يمكننا التحكم في الدوامات وتحريكها لتشكيل تكوينات معقدة. يمكن أيضا تنفيذ هذه التقنية لمعالجة الدوامة في تطبيقات مثل الأجهزة المنطقية القائمة على الدوامة.

المقدمة

الدوامات هي كائنات المغناطيسية على مقياس النانو، التي شكلت في نوع 2 الموصلات الفائقة في وجود مجال مغناطيسي خارجي. في عينة عيب مجانا، ويمكن الدوامات التحرك بحرية. ومع ذلك، عيوب مختلفة في نتيجة مادية في مناطق انخفاض الموصلية الفائقة التي مواتية بقوة لالدوامات. الدوامات تميل لتزيين هذه المناطق، والمعروف أيضا باسم مواقع تعلق. في هذه الحالة، يجب أن تكون القوة اللازمة لتحريك دوامة أكبر من القوى المثبتة. خصائص الدوامات، مثل كثافة دوامة، قوة التفاعل وطائفة، ويمكن تحديدها بسهولة عن طريق الحقل الخارجي، ودرجة الحرارة، أو الهندسة من العينة. القدرة على التحكم في هذه الخصائص تجعلها نظام نموذجا جيدا للسلوك المادة المكثفة التي يمكن ضبطها بسهولة، فضلا عن المرشحين المناسبين للتطبيقات الالكترونية 1، 2. السيطرة على موقع الدوامات الفردية أمر ضروري لتصميم مثل هذا لوعناصر gical.

قد تحققت المكافحة الميكانيكية النانوية المغناطيسية قبل. Kalisky وآخرون. المستخدمة مؤخرا مسح فائقة التوصيل تدخل الجهاز الكم (الحبار) لدراسة تأثير الإجهاد الميكانيكي المحلي على بقع المغناطيسية في واجهات أكسيد معقدة 3. انهم كانوا قادرين على تغيير اتجاه التصحيح عن طريق المسح الضوئي في الاتصال، والضغط على غيض من الحبار في العينة، تطبيق قوة تصل إلى 1 μN في هذه العملية. وقد استخدمنا طريقة مماثلة في بروتوكول لدينا من أجل المضي الدوامات.

في الدراسات الموجودة التلاعب دوامة، وقد تحقق الحركة من خلال تطبيق الحالية للعينة، وبالتالي خلق لورنتز القوة 4، 5، 6. بينما هذه الطريقة فعالة، فإنه ليس المحلي، وسعيا للسيطرة على دوامة واحدة، مطلوب تلفيق إضافية. الدوامات ويمكن أيضا أن يكون manipulated من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، على سبيل المثال مع مجهر القوة المغناطيسية (MFM) أو مع لفائف المجال الحبار 7 و 8. هذه الطريقة فعالة والمحلي، ولكن القوة التي تطبقها هذه الأدوات الصغيرة، ويمكن التغلب على القوى المثبتة فقط في درجات حرارة عالية، على مقربة من درجة الحرارة الحرجة للموصل جيد للكهرباء. يسمح بروتوكول لدينا فعالية التلاعب المحلي، في درجات حرارة منخفضة (4 K) دون تلفيق إضافية من العينة.

نحن الدوامات الصورة باستخدام المسح المجهري الحبار. ملفقة الاستشعار عن رقاقة السيليكون الذي مصقول في الزاوية، ولصقها على ناتئ مرونة. يتم استخدام تعزية للاستشعار بالسعة من السطح. يتم وضع رقاقة في زاوية لعينة، بحيث نقطة الاتصال هي على طرف الرقاقة. نحن نطبق قوى تصل إلى 2 μN عن طريق دفع الشريحة في العينة. ننتقل العينة بالنسبة إلى الحبار من قبل عناصر بيزو. ننتقلدوامة من خلال الاستفادة من طرف السيليكون بجانب الدوامة، أو عن طريق تجتاح ذلك، ولمس دوامة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. الوصول إلى نظام المسح الضوئي الحبار

  1. استخدام نظام الحبار المسح التي تضم جهاز استشعار الحبار ملفقة على شريحة 9، 10، عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، والماسح الضوئي على أساس بيزو لحركة غرامة. انظر الشكل 1.
  2. تلميع رقاقة الحبار في الزاوية حول حلقة صغيرة. المواد من الشريحة تحتاج إلى إزالة كل وسيلة لحلقة صغيرة.
    1. تلميع بلطف الحبار، وذلك باستخدام ورقة تلميع غير مغنطيسية 5-0،5 ميكرومتر.
      ملاحظة: بعد مرحلة تلميع لا يمكن أن تتحقق في حلقة صغيرة الى مقربة، أو الاتصال، مع العينة.

2. ترسب النيوبيوم (ملحوظة) رقيقة مع التيار المباشر (DC) الاخرق

  1. الحصول على الركيزة. في هذا العمل، واستخدام الركيزة السيليكون مخدر البورون مع 500 نيوتن متر من أكسيد السيليكون. ركائز أخرى مثل SrTiO وأهداب الشوق ممكنة.
  2. التوصل إلى لض قاعدةإعادة 10 -7 عربة في الغرفة. قبل تفل غرفة التبخر في درجة حرارة الغرفة مع ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S لمدة 10 دقيقة. لاحظ أن عملية ترسب يمكن أن تبدأ إلا عندما يكون ضغط قاعدة في الغرفة أقل من 10 -7 عربة. إذا كان الضغط أعلى تكرار في مرحلة ما قبل الاخرق.
  3. وضع الركيزة في الغرفة.
  4. إيداع ملحوظة طبقة رقيقة من قبل الاخرق في درجة حرارة الغرفة من ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S.

3. عينة من طرف محاذاة

  1. في هذه المرحلة، محاذاة رقاقة الاستشعار مع العينة بحيث غيض من الشريحة يجعل الاتصال مع عينة عندما تتحرك الدوامات. ولتحقيق ذلك، استخدم زاوية المواءمة بين 4 على الأقل درجة.
  2. الغراء ناتئ مرونة على لوحة إجراء بطبقة عازلة. ثم، الغراء تشي الحبارع على تعزية. السعة بين ناتئ ولوحة ثابتة تحدد اتصال مع العينة ومدى الإجهاد المطبق.
  3. عينة الحمل على المجهر. الغراء العينة على عينة المعينة جبل استخدام الورنيش أو الفضة عجينة. الغراء جبل لعنصر Z بيزو (الشكل 1A).
  4. ربط نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق إلى وحدة تحكم.
  5. إعداد التصوير الضوئي من زاويتين - الجبهة والجانب من الشريحة. استخدام اثنين من التلسكوبات وضعت على مراحل الترجمة، وتوجه إلى الجزء الأمامي من رقاقة واحدة من جانبيها.
  6. باستخدام Z عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، ونقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار، بحيث انعكاس استشعار مرئيا على العينة.
    ملاحظة: اتصل بين العينة وأجهزة الاستشعار في هذه المرحلة قد تضر الحبار.
  7. نقل عينة 0،5-1 ملم بعيدا من أجهزة الاستشعار على استخدام المرحلة Z عصا الانزلاق الخشنة الحركة لمنع الأضرار التي لحقت Sمضغة.
  8. تدوير مسامير محاذاة (الشكل 1A) للحصول على زوايا الجبهة متساوية (أي الزوايا الجانبين من طرف شريحة تجعل مع انعكاسه، كما رأينا في الشكل 1C).
  9. نقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار. تحقق من الزوايا وكرر الخطوة 3.7 و 3.8 إذا لزم الأمر.
  10. تدوير مسامير محاذاة للحصول على زاوية من 4 درجات بين أجهزة الاستشعار والعينة (1D الشكل). تأكد من غيض من رقاقة هو الجزء الذي يجعل الاتصال مع العينة.

4. القياسات

  1. تحميل رئيس المسح الضوئي (الشكل 1A) إلى نظام 4 K التبريد.
    يجب أن تكون متصلا رأس المسح الضوئي إلى لوحة الباردة، وتحيط بها علبة فراغ: ملاحظة. سلك لفائف حول العلبة لتطبيق مجال مغناطيسي خارجي (حقول منخفضة من عدة غاوس كافية لهذه الدراسة). تغطية هذا الإعداد مع درع مو المعادن.
  2. بارد في وجود ماغنيالحقل عرة، من خلال تطبيق الحالية من خلال لفائف المحيطة المجهر. اختيار قوة المجال بعناية لتحقيق كثافة دوامة المطلوب. استخدام 1Φ 0 = 20.7 G / ميكرون 2 لحساب الحقل التباطؤ. على سبيل المثال، لمدة 10 الدوامات في 10 ميكرون 10 ميكرون المنطقة، وتطبيق 2.07 G.
  3. لتغيير لكثافة دوامة عينة الحرارة جديدة فوق درجة حرارة فائقة التوصيل الانتقال (لملحوظة، والحرارة فوق 10 K). تطبيق الحقل الجديد.
  4. عينة باردة إلى 4.2 ك.
  5. تحويل المجال المغناطيسي خارج. تحويل الحبار جرا.
  6. نقل عينة قريبة من الحبار باستخدام نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق.
    1. تطبيق الفولتية المتزايد على المكعب Z-عصا زلة لنقل عينة أقرب إلى شرائح الحبار.
    2. تطبيق الجهد بين ناتئ ولوحة لقراءة السعة باستخدام جسر السعة (0،1-1 الخامس عادة).
    3. اكتساح التيار الكهربائي عن العنصر Z بيزو. قياس السعة بين ناتئ وبلاته. إذا حدث تغيير كبير في السعة، وكانت العينة في اتصال مع رقاقة الحبار.
    4. إذا لم العينة اجراء اتصالات مع رقاقة، كرر الخطوات 4.6.1-4.6.3 حتى لوحظ الاتصال.
    5. اختياري: استخدام الحركة بالطبع لضبط التباعد بين طرف والعينة بحيث يحدث الاتصال في الفولتية المنخفضة (0-10 V تطبيقها على Z بيزو).
    6. ذات مرة كان هناك اتصال، كرر الخطوات من 4.6.2-4.6.3 في عدة مواقع من أجل تحديد زوايا الميل للسطح وتحديد الطائرة من العينة، نسبة إلى أجهزة الاستشعار.
  7. اكتساح التيار الكهربائي عن العناصر X و Y بيزو من أجل تحريك العينة بالنسبة إلى أجهزة الاستشعار. مسح على ارتفاع ثابت فوق عينة، من دون اتصال بين طرف والعينة، وذلك لرسم خريطة توزيع دوامة. تحقيق ارتفاع المسح المستمر عن طريق تغيير الجهد على بيزو Z وفقا لمواقع X و Y، والطائرة المحددة في 4.6.
  8. اختيار دوامة ومسح أروالثانية أن تحدد بدقة موقع وسطها. لاحظ أن الموقع دوامة نسبة إلى حلقة صغيرة الحبار، وليس لجهة الاتصال.
  9. تحويل الحبار قبالة.
  10. تطبيق الجهد أكبر من هبوط الجهد لض بيزو وإما الصنبور بجوار مركز الدوامة أو كنس دوامة عن طريق سحب أجهزة الاستشعار (في اتصال مع عينة) ببطء على العينة إلى الموقع المطلوب. فإن دوامة التحرك نحو الصنبور أو في الاتجاه الكاسح. القيم النموذجية لإضافتها إلى تطبيق ض بيزو الجهد هي 2-5 V.
  11. تحويل الحبار جرا.
  12. الصورة مرة أخرى على ارتفاع مستمر من دون اتصال لتحديد الموقع الجديد من دوامة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

تم اختبار بروتوكول لدينا بنجاح على الآلاف من الأفراد الدوامات، وفصلها بشكل جيد في عينتين من ملحوظة، وتسعة عينات من NBN. نحن توليد الدوامات الجديدة على نفس العينة عن طريق تسخين العينة فوق ح، والتبريد مرة أخرى إلى 4.2 K في وجود مجال مغناطيسي. لقد اخترنا مجال مغناطيسي خارجي لتحقيق كثافة دوامة المطلوب. نعرض هنا البيانات من هذه التجارب. وقد وصفت هذه النتائج بالتفصيل Kremen وآخرون. 11.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

التلاعب الناجح من الدوامات يعتمد على عدة خطوات حاسمة. ومن المهم لتحقيق المواءمة بين أجهزة الاستشعار في زاوية، بحيث غيض من رقاقة سيكون أول لاجراء اتصالات مع العينة. ثانيا، من المهم أن نلاحظ أن القوة المبذولة على عينة يتم تحديدها من قبل الخواص الميكانيكية للناتئ أن يتم تركيب شريحة جرا. في نظام مرن، والقوة المطبقة يتناسب مع انحراف، والعاشر، وفقا للقانون هوك:
F = -kx

حيث k هو ثابت في الربيع، والتي تحددها معامل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

نشكر A. شاروني من جامعة بار ايلان لتقديم الأفلام فائقة التوصيل. وأيد هذا البحث من قبل المجلس الأوروبي للبحوث غرانت ERC-2014-STG- 639792 والتكامل ماري كوري الوظيفي غرانت FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799، والعلوم إسرائيل منحة مؤسسة قوى الأمن الداخلي، 1102-1113.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
عصا نظام الحركة الخشنة للانزلاقattocubeANPx-101x ، y نظام الحركة
الخشنة للانزلاقATTOCUBEANPz-101z عصا الحركة
الانزلاق وحدة التحكم في نظام الحركة الخشنةAttocubeANC 300
مضخم الجهد العاليAttocubeANC 250
بطاقة الحصول على البياناتالوطنيةNI  PCIe-6363
عناصر بيزوPiezo Systems IncT2Cغير مغناطيسي
منخفض الضوضاء الجهد المضخمستانفورد أنظمة الأبحاثSR 560
جسر السعةراديو العام1615A
تلسكوبNAVITAR1-504516
كاميراMOTICAMMP2
dewarCryofabN / A
إدراجICE أكسفوردN / A
درع معدنيMu غطاء فراغ
أكسفوردN / A
نظام الاخرقAJA international IncN / A
فيلم اللف3M261Xغير المغناطيسي
Nb الهدفKurt J. LeskerEJTNBXX351A2
GE VarnishCMR-Direct02-33-001لغرفة التبريد
معجون الفضةهيكل التحقيق Inc05063-AB
ICE المبردة

المراجع

  1. Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. Do Vortices Entangle? Phys. Rev. Lett. 92, 157002(2004).
  2. Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. Fluxonic cellular automata. Appl. Phys. Lett. 91, 212501(2007).
  3. Kalisky, B., et al. Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface. Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).
  4. Silva, C. C. D. S., Van de Vondel, J., Morelle, M., Moshchalkov, V. V. Controlled multiple reversals of a ratchet effect. Nature. 440, 651-654 (2006).
  5. Kalisky, B., et al. Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale. Appl. Phys. Lett. 94, 202504(2009).
  6. Embon, L., et al. Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales. Sci. Rep. 5, 7598(2015).
  7. Auslaender, O. M., et al. Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor. Nature Phys. 5, 35-39 (2008).
  8. Kalisky, B., et al. Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2. Phys. Rev. B. 83, 064511(2011).
  9. Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704(2008).
  10. Koshnick, N. C., et al. A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops. Appl. Phys. Lett. 93, 243101(2008).
  11. Kremen, A., et al. Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices. Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة