تحسين دقة الفحص المجهري للقوة المغناطيسية والحساسية لتصور المجالات المغناطيسية النانوية

Audrey C. Parker; Olivia O. Maryon; Mojtaba T. Kaffash; M. Benjamin Jungfleisch; Paul  H. Davis

doi:10.3791/64180

Method Article

تحسين دقة الفحص المجهري للقوة المغناطيسية والحساسية لتصور المجالات المغناطيسية النانوية

DOI:

10.3791/64180

⸱

July 20th, 2022

Audrey C. Parker*¹ , Olivia O. Maryon*¹ , Mojtaba T. Kaffash² , M. Benjamin Jungfleisch² , Paul H. Davis¹^,³

¹Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University, ²Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, ³Center for Advanced Energy Studies

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يستخدم مجهر القوة المغناطيسية (MFM) مسبار مجهر القوة الذرية الممغنط رأسيا لقياس تضاريس العينة وشدة المجال المغناطيسي المحلي بدقة نانوية. يتطلب تحسين الدقة المكانية والحساسية ل MFM موازنة ارتفاع الرفع المتناقص مع زيادة سعة القيادة (التذبذب) ، والاستفادة من التشغيل في صندوق قفازات في جو خامل.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتيح مجهر القوة المغناطيسية (MFM) رسم خرائط للمجالات المغناطيسية المحلية عبر سطح العينة بدقة نانوية. لأداء MFM ، يتذبذب مسبار مجهر القوة الذرية (AFM) الذي تم مغنطة طرفه عموديا (أي عموديا على ناتئ المسبار) على ارتفاع ثابت فوق سطح العينة. ثم يتم تتبع التحولات الناتجة في مرحلة التذبذب أو التردد ، والتي تتناسب مع حجم وعلامة تدرج القوة المغناطيسية الرأسية في كل موقع بكسل ، ورسم خرائطها. على الرغم من أن الدقة المكانية وحساسية التقنية تزداد مع انخفاض ارتفاع الرفع فوق السطح ، فإن هذا المسار الذي يبدو مباشرا لتحسين صور MFM معقد بسبب اعتبارات مثل تقليل القطع الأثرية الطبوغرافية بسبب قوى فان دير فال قصيرة المدى ، وزيادة سعة التذبذب لزيادة تحسين الحساسية ، ووجود الملوثات السطحية (خاصة المياه بسبب الرطوبة في ظل الظروف المحيطة). بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لاتجاه عزم ثنائي القطب المغناطيسي للمسبار ، فإن MFM أكثر حساسية جوهريا للعينات ذات ناقل مغنطة خارج الطائرة. هنا ، تم الإبلاغ عن صور طبوغرافية ومغناطيسية عالية الدقة لمصفوفات الجليد المغزلي الاصطناعي ذات المغناطيس النانوي الفردي وثنائي المكون (ASI) التي تم الحصول عليها في صندوق قفازات جو خامل (الأرجون) مع <0.1 جزء في المليون O 2 و H₂ O. تمت مناقشة تحسين ارتفاع الرفع وسعة المحرك للحصول على دقة وحساسية عالية مع تجنب إدخال القطع الأثرية الطبوغرافية في نفس الوقت ، والكشف عن المجالات المغناطيسية الشاردة المنبثقة من أي من طرفي مغناطيس الشريط النانوي (~ 250 نانومتر طويل وعرض <100 نانومتر) محاذاة في مستوى سطح عينة ASI. وبالمثل ، باستخدام مثال سبيكة ذاكرة الشكل المغناطيسي Ni-Mn-Ga (MSMA) ، يتم عرض MFM في جو خامل مع حساسية الطور المغناطيسي القادرة على حل سلسلة من المجالات المغناطيسية المجاورة كل ~ 200 نانومتر عرض.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتيح مجهر القوة المغناطيسية (MFM) ، وهو فحص مجهري مسبار المسح (SPM) مشتق من مجهر القوة الذرية (AFM) ، تصوير القوى المغناطيسية الضعيفة نسبيا ولكن طويلة المدى التي يتعرض لها طرف المسبار الممغنط أثناء انتقاله فوق سطح العينة¹،²،³،⁴^،5. AFM هي تقنية توصيف غير مدمرة تستخدم طرفا بمقياس نانومتر في نهاية ناتئ مرن لرسم خريطة لتضاريس السطح⁶ بالإضافة إلى قياس خصائص المواد (على سبيل المثال ، الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية)⁷،⁸^،

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: بالإضافة إلى البروتوكول أدناه، يتم تضمين إجراء تشغيل قياسي مفصل خطوة بخطوة (SOP) خاص بالأداة المستخدمة هنا وموجه نحو التصوير العام MFM كملف تكميلي 1. ولاستكمال جزء الفيديو من هذه المخطوطة، يتضمن الإجراء التشغيلي الموحد صورا لحامل المسبار، والممغنطة ذات الطرف الممغنط، وإجراءات المغنطة، وإعدادات البرامج، وما إلى ذلك.

1. إعداد وتركيب مسبار MFM

افتح برنامج التحكم AFM وحدد مساحة عمل MFM (انظر جدول المواد).
قم بتركيب مسبار AFM بطبقة مغناطيسية (على سبيل المثال ، Co-Cr ، انظر جدول المواد) على حامل مسبار مناسب (انظر جدول المواد) ، وقم بمغ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

شبكات الجليد المغزلي الاصطناعي (ASI)
الجليد المغزلي الاصطناعي عبارة عن شبكات ثنائية الأبعاد محددة حجريا من المغناطيسات النانوية المتفاعلة. إنهم يظهرون الإحباط حسب التصميم (أي وجود العديد من الحدود الدنيا المحلية في مشهد الطاقة)²¹،⁴²^،⁴³. يوفر تصوير MFM عالي الدقة لتوضيح التكوينات والتفاعلات المغناطيسية بين مكونات الصفيف فرصة فريدة لفهم حالة الجليد المغزلي للشبكة²¹ بشكل أفضل. تم تحضير شب.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتطلب التصوير عالي الدقة MFM الحصول أولا على مسح طبوغرافي عالي الدقة وعالي الدقة لكل سطر. عادة ما يتم الحصول على هذا المسح الطبوغرافي من خلال الاتصال المتقطع أو وضع النقر AFM ، والذي يستخدم نظام تغذية مرتدة لتعديل السعة لتصوير طبوغرافيا^{عينة 47}. يمكن تحسين دقة المسح الطبوغرافي عن طريق ضبط نقطة ضبط السعة للناتئ ومكاسب التغذية المرتدة كما هو موضح في البروتوكول. تعد نقطة ضبط السعة أمرا بالغ الأهمية ، لأنها تتحكم في درجة التفاعل بين طرف المسبار وسطح العينة. غالبا ما تؤدي نقطة الضبط المنخفضة جدا إلى تلف.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم إجراء جميع صور AFM / MFM في مختبر علوم السطح بجامعة ولاية بويز (SSL). تم شراء نظام glovebox AFM المستخدم في هذا العمل بموجب رقم 1727026 منحة أجهزة البحث الرئيسية لمؤسسة العلوم الوطنية (NSF MRI) ، والتي قدمت أيضا دعما جزئيا ل PHD و ACP و OOM. تم توفير الدعم الجزئي ل OOM بشكل أكبر من خلال منحة NSF CAREER رقم 1945650. تم دعم الأبحاث في جامعة ديلاوير ، بما في ذلك التصنيع والتوصيف المجهري الإلكتروني لهياكل الجليد المغزلي الاصطناعي ، من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، مكتب علوم الطاقة الأساسية ، قسم علوم وهندسة المواد بموجب جائزة DE-SC0020308. يشكر المؤلفون الدكتور Medha Veligatla و Peter Müllner على المناقشات المفيدة وإعداد عينات Ni-Mn-Ga الموضحة هنا ، وكذلك الدكتور Corey ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

يستخدم

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
ميكروسكوب القوة الذرية	Bruker	Dimension	Icon برنامج التحكم في Nanoscope
Glovebox ، والغلاف الجوي الخامل	MBraun	LabMaster Pro MB200B + MB20G وحدة تنقية الغاز MBraun LabMaster Pro MB200B + MB20G	تصميم مخصص (التغذية الكهربائية المانعة للتسرب ، وعزل الاهتزاز ، والضوضاء الصوتية وتقليل تيار الهواء ، وما إلى ذلك) والعمق للاستخدام مع Bruker Dimension Icon AFM ، 3 قفازات ، مسبار MFM للجو الأرجون
	Bruker	MESP	< م > ك < / م > = 3 نيوتن / م ، < م > و < > 0 < / فرعي >< / م > = 75 كيلو هرتز ، < م > ص < م > = 35 نانومتر ، 400 إكراه Oe ، 1 × 10 < سوب > -13 < / سوب > لحظة الاتحاد الاقتصادي والنقدي. يتوفر الآن إصدار محسن بمواصفات أكثر صرامة ، وهو MESP-V2. لقد استخدمنا أيضا MESP-RC من Bruker (تردد رنين أعلى بمرتين من MESP القياسي ، f_{0< / sub>< / em> = 150 كيلو هرتز ، مع ثابت زنبركي اسمي أكثر صلابة بشكل هامشي يبلغ 5 نيوتن / م) ومتغيرات MESP الأخرى المصممة للحظة منخفضة (0.3 × 10 ^{-13< / sup> EMU) أو عالية (3 × 10^{-13< / sup> EMU) ( أي MESP-LM أو MESP-HM ، على التوالي) أو الإكراه. تتوفر حزمة متنوعة من 10 مجسات تحتوي على 4x MESP العادي و 3x MESP-LM و 3x MESP-HM من Bruker باسم MESPSP. يقوم البائعون الآخرون أيضا بتصنيع مجسات MFM بمواصفات مشابهة ل MESP (على سبيل المثال ، PPP-MFMR من أجهزة الاستشعار النانوية ، وهي متوفرة أيضا في مجموعة متنوعة من المتغيرات ، بما في ذلك -LC للإكراه المنخفض ، و -LM لللحظة المنخفضة ، و SSS لنصف قطر الطرف المخفض "فائق الحدة" ؛ MAGT من AppNano ، متوفر في متغيرات العزم المنخفض [-LM] والعزم العالي [-HM]). وبالمثل ، يقدم فريق Nanotec مجموعة من مجسات MFM عالية الدقة (HR-MFM) مع العديد من الخيارات من حيث ثابت زنبرك الكابولي وسمك الطلاء المغناطيسي.}}}
عينة اختبار MFM	قسم Bruker	MFMSAMPLE	من شريط التسجيل المغناطيسي المثبت على قرص فولاذي بقطر 12 مم ؛ مفيد لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها وضمان أن مسبار MFM ممغنط ويعمل بشكل صحيح
Nanscope Analysis	Bruker	الإصدار 2.0	حزمة برامج معالجة وتحليل الصور AFM المجانية ، ولكنها مملوكة ومصممة وتقتصر على Bruker AFMs ؛ وظائف مماثلة متاحة مجانا ، حزم برامج معالجة وتحليل صور AFM المستقلة عن النظام الأساسي مثل Gwyddion و WSxM وغيرها
من حامل المسبار	Bruker	DAFMCH أو DCHNM	خاص ب AFM المعين المستخدم ؛ DAFMCH هو حامل مسبار وضع الاتصال والتنصت القياسي ، وهو مناسب لمعظم تطبيقات MFM ، في حين أن DCHNM هو إصدار خاص غير مغناطيسي لتصوير MFM الحساس بشكل خاص
مسبار المغناطة	Bruker	DMFM-START	MFM "مجموعة المبتدئين" المصممة خصيصا ل Dimension Icon AFM ؛ يتضمن 1 صندوق من 10 مجسات MESP (انظر أعلاه) ، مغنط مسبار (محاذاة رأسيا ، ~ 2,000 مغناطيس Oe في حامل مصمم لاستيعاب حامل مسبار DAFMCH أو DCHNM ، أعلاه) ، وعينة شريط مغناطيسي (MFMSAMPLE ، أعلاه)
عينة Puck	Ted Pella	16218	رقم المنتج هو عفريت عينة من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 15 مم. متوفر أيضا بأقطار 6 مم و 10 مم و 12 مم و 20 مم في https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)	معلمات Zeiss Merlin	Gemini II	SEM: جهد تسارع 5 كيلو فولت ، تيار إلكترون 30 كيلو باسكال ، مسافة عمل 5 مم. نظرا لميزات شبكة ASI بمقياس نانومتر ، تم تعديل محاذاة الفتحة والوصمة قبل الاستحواذ لإنتاج صور عالية الجودة.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Martin, Y., Wickramasinghe, H. K. Magnetic imaging by ''force microscopy'' with 1000 Å resolution. Applied Physics Letters. 50 (20), 1455-1457 (1987).
Grütter, P., Mamin, H. J., Rugar, D. Scanning Tunneling Microscopy II: Further Applications an....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

تحسين دقة الفحص المجهري للقوة المغناطيسية والحساسية لتصور المجالات المغناطيسية النانوية

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles