磁力显微镜(MFM)采用垂直磁化原子力显微镜探头以纳米级分辨率测量样品形貌和局部磁场强度。优化MFM空间分辨率和灵敏度需要在降低提升高度与增加驱动(振荡)振幅之间取得平衡,并且受益于在惰性气氛手套箱中操作。
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磁力显微镜(MFM)采用垂直磁化原子力显微镜探头以纳米级分辨率测量样品形貌和局部磁场强度。优化MFM空间分辨率和灵敏度需要在降低提升高度与增加驱动(振荡)振幅之间取得平衡,并且受益于在惰性气氛手套箱中操作。
磁力显微镜(MFM)能够以纳米级分辨率绘制样品表面的局部磁场。为了执行MFM,将尖端垂直磁化(即垂直于探针悬臂)的原子力显微镜(AFM)探针在样品表面上方的固定高度振荡。然后跟踪和绘制振荡相位或频率的由此产生的偏移,这些偏移与每个像素位置的垂直磁力梯度的大小和符号成正比。尽管该技术的空间分辨率和灵敏度随着表面以上提升高度的降低而增加,但这种看似简单的改进MFM图像的途径因诸如由于较短范围的范德华力而最小化地形伪影,增加振荡幅度以进一步提高灵敏度以及表面污染物的存在(特别是由于环境条件下的湿度引起的水)而变得复杂。此外,由于探头磁偶极矩的方向,MFM本质上对具有面外磁化矢量的样品更敏感。本文报道了在惰性(氩气)气氛手套箱中获得的单组分和双组分纳米磁人工自旋冰(ASI)阵列的高分辨率形貌和磁性相位图像,其含量为<0.1 ppm O 2和H2 O。讨论了提升高度和驱动幅度的优化,以实现高分辨率和灵敏度,同时避免引入地形伪影,并显示了从在ASI样品表面平面上对齐的纳米级条形磁铁(~250 nm长和<100 nm宽)两端发出的杂散磁场的检测。同样,以Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金(MSMA)为例,MFM在惰性气氛中得到证明,具有磁相位灵敏度,能够分辨一系列~200nm宽的相邻磁畴。
磁力显微镜 (MFM) 是原子力显微镜 (AFM) 的扫描探针显微镜 (SPM) 衍生物,能够对磁化探针尖端在样品表面上方行进时所经历的相对较弱但长程的磁力进行成像1,2,3,4,5。AFM是一种无损表征技术,它在柔韧的悬臂末端使用纳米级尖端来绘制表面形貌6,并以纳米级分辨率测量材料(例如,机械,电气和磁性)特性7,8,9。由于感兴趣的尖端 - 样品相互作用引起的悬臂偏转是通过激光从悬臂背面反射到位置敏感光电二极管10中来测量的。通过MFM对材料的局部磁性进行高分辨率成像,为表征纳米级新型材料、结构和器件中的磁场强度和取向提供了独特的机会4,5,11,12,13,14,15,16,17.为了执行MFM,其尖端已垂直磁化(即垂直于探头悬臂和样品表面)的AFM探头在其自然共振频率下在样品表面上方的固定高度进行机械振荡。然后监测振荡幅度(不太敏感,因此不太常见)、频率或相位(此处描述)的结果变化,以定性测量磁场强度。更具体地说,调频MFM产生振荡频率或相位偏移图,与探头经历的磁力梯度的大小和符号成正比。为了在MFM测量期间保持样品上方的恒定高度,通常采用双通道操作模式。首先通过标准AFM技术绘制样品形貌,然后在用户确定的离样品表面的提升高度(数十至数百nm)处对每条连续扫描线进行交错MFM成像。采用这种交错双通道采集模式可以将用于绘制地形的短程尖端-样品范德华相互作用与交错提升模式通过期间经历的相对较长范围的磁力分开。然而,MFM空间分辨率随着提升高度18的降低而增加,因此在提高MFM分辨率和避免范德华力引起的地形伪影之间存在着内在的张力。同样,MFM灵敏度与提升模式通过期间的振荡幅度成正比,但最大允许振荡幅度受提升高度和样品形貌的快速变化(即高纵横比特征)的限制。
最近的研究强调了与纳米磁性和纳米磁力学应用相关的大量机会,通过人工自旋冰(ASI)结构和磁振子晶体开发,作为逻辑,计算,加密和数据存储的功能设备19,20,21,22.人造自旋冰由以不同的扩展晶格形式排列的纳米磁体组成,表现出可以通过外部刺激控制的新兴磁偶极子或单极子19,20,23,24,25。一般来说,ASI倾向于最小化能量的矩配置(例如,在二维(2D)正方形ASI中,每个顶点有两个力矩,两个点),低能量微状态遵循类似于晶体自旋冰材料的规则21,26,27,28.同样,最近一项支持 MFM 的研究表明,一个三维 (3D) ASI 晶格系统由位于角共享四面体上的稀土自旋构建,其中两个自旋指向四面体的中心,两个自旋指向四面体的中心,导致两个相等且相反的磁偶极子,因此在四面体中心产生净零磁电荷23.根据外加磁场相对于样品表面的排列,观察到磁性顺序和相关长度的显着差异。因此,ASI偶极子的对准和控制值得进一步研究。测量ASI磁场分布的方法包括使用磁光噪声光谱仪29或X射线磁圆二色性光发射电子显微镜(XMCD-PEEM)25;然而,为了达到等于或大于XMCD-PEEM的MFM的空间分辨率,需要极短的波长(即高能X射线)。MFM提供了一种更简单的表征技术,不需要将样品暴露在可能具有破坏性的高能X射线下。此外,MFM不仅用于表征ASI微状态21,23,27,还用于使用高磁矩尖端30的拓扑缺陷驱动的磁性写入。因此,MFM可以在进一步推进ASI研究和开发中发挥重要作用,特别是通过其将样品形貌与磁场强度和方向相关联的能力,从而揭示与特定地形特征(即ASI晶格元件)相关的磁偶极子。
高分辨率MFM同样提供了对铁磁形状记忆合金结构与其纳米级磁力学性能之间关系的重要见解14,17,31,32,33。铁磁形状记忆合金,通常称为磁性形状记忆合金(MSMAs),表现出大的(高达12%)磁场诱导应变,通过双边界运动29,33,34,35进行。MFM技术已被用于研究MSMAs15,16,17,36的变形过程中孪晶与马氏体转变,压痕,微柱变形和纳米级磁响应之间的复杂关系。特别值得注意的是,MFM已与纳米压痕相结合,以创建和读取四态纳米级磁机械存储器17。同样,正在通过热辅助磁记录(HAMR)寻求下一代磁记录技术,实现1975 kBPI的线性密度和510 kTPI37的跟踪密度。实现更大、更紧凑的数据存储所需的面密度增加,导致 HAMR 技术定义的轨道间距显著降低,突出了对高分辨率 MFM 成像的需求。
除ASI和MSMA外,MFM还已成功用于表征各种磁性纳米颗粒,纳米阵列和其他类型的磁性样品3,38,39。然而,最终的MFM分辨率和灵敏度受到用户无法控制的因素(例如,AFM检测电子设备,MFM探针技术,基础物理等)以及成像参数和环境选择的限制。同时,磁性器件中的特征尺寸继续减小40,41,产生更小的磁畴,从而使MFM成像越来越具有挑战性。此外,目标磁偶极子并不总是定向在平面外,平行于探头的磁化矢量。从面内或近面内定向偶极子末端发出的杂散场的高分辨率成像,如此处所示的ASI结构,需要更高的灵敏度。因此,获得高分辨率MFM图像,特别是这种由纳米级磁畴组成的面内磁化样品的图像,取决于MFM探针的适当选择(例如,厚度,矫顽力和磁性涂层的力矩,这有时可能与提高灵敏度或横向分辨率18或保持样品的磁性对准相矛盾30)、成像参数(例如,如上所述的提升高度和振荡幅度,以及最大限度地减少形貌线成像过程中的尖端涂层磨损)和样品质量(例如,表面粗糙度和污染,包括抛光碎片或由于环境湿度引起的地表水)。特别是,由于环境湿度而吸附在样品表面上的水的存在会引入强大的尖端样品范德华力,这会显着干扰测量磁力并限制MFM测量的最小可实现提升高度。惰性气氛手套箱内的MFM操作几乎消除了所有表面污染物,从而实现更低的提升高度和更高的分辨率以及更高的灵敏度。因此,在这里显示的样品示例中,采用装有氩气(Ar)的定制惰性气氛手套箱中的AFM系统,该手套箱含有<0.1 ppm氧气(O 2)和水(H2O),以实现极低的提升高度(低至10 nm)。随后,这使得精确的高分辨率MFM成像能够在更大的晶体孪晶和磁偶极子(纳米级条形磁铁)<100 nm宽和~250 nm长)中分辨交替磁畴<200 nm宽。
本文介绍如何通过将惰性气氛手套箱的使用与仔细的样品制备和成像参数的最佳选择相结合来获取高分辨率、高灵敏度的MFM图像。所描述的方法对于传统上难以观察的面内定向偶极子成像特别有价值,因此呈现了典型的高分辨率MFM图像,这些晶体在晶体孪晶和跨越孪生边界内表现出不同的纳米级磁畴,以及用面内磁偶极子取向制造的纳米磁性ASI阵列。希望高分辨率MFM成像的各个领域的研究人员都可以从采用此处概述的协议以及讨论地形伪影等潜在挑战中受益匪浅。
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注意:除了下面的协议外,补充 文件1还包括特定于此处使用的仪器并针对一般MFM成像的详细分步MFM标准操作程序(SOP)。为了补充本手稿的视频部分,SOP 包括探头支架、尖端磁化器和磁化程序、软件设置等的图像。
1. MFM探头的准备和安装
2. 样品制备和安装
3. 初始设置和示例方法
4. 地形成像(主线)
注意:下面描述的协议假设使用间歇接触(敲击)模式进行地形成像。
5. MFM 成像(交错提升模式通过)
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人造自旋冰(ASI)晶格
人造自旋冰是光刻定义的相互作用纳米磁体的二维网络。它们在设计上表现出挫败感(即,在能源景观中存在许多局部最小值)21,42,43。高分辨率MFM成像阐明了阵列组件之间的磁性构型和相互作用,为更好地了解晶格21的自旋冰状态提供了独特的机会。用于MFM成像的自旋冰晶格是通过电子束光刻在共面波导(CPW)上制备的,该共面波导由沉积在硅晶片上的10nm厚的钛(Ti)和150nm厚的金(Au)组成(图1A)。ASI由20 nm厚的CoFe(Co90Fe10)和/或Py(Ni80Fe 20)组成,形成~260 nm x ~80 nm纳米级条形磁铁,排列在单个(即仅CoFe或Py)和双组分(...
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高分辨率MFM成像要求首先为每条线采集相应的高分辨率、高保真形貌扫描。这种形貌扫描通常通过间歇接触或敲击模式AFM获得,AFM采用幅度调制反馈系统对样品形貌47进行成像。形貌扫描的保真度可以通过调整协议中所述的悬臂的振幅设定点和反馈增益来优化。振幅设定值至关重要,因为它控制探头尖端和样品表面之间的相互作用程度。设定值过低通常会导致样品表面和/或探头尖端损坏,如果去除磁性涂层,则可能对交错MFM线产生有害影响;幅度设定值过高会导致相位图像对比度差48.同样,比例增益和积分增益也是最小化稳态误差和有效改善系统响应的重要考虑因素49。
在采集每条形貌线后的交错提升模式MFM通过期间,MFM探头将经历不同程度的不需要的短程范德华相互作用,这些相互作用负责生成样品形貌图像,而理想的长程磁力相互作用(生成MFM图像)取决于尖端 - 样品分离距离1.根据经验确定范德华主导状态的边界可能是获得高分辨率、无伪影...
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作者没有什么可透露的。
所有AFM / MFM成像均在博伊西州立大学表面科学实验室(SSL)进行。这项工作中使用的手套箱AFM系统是根据美国国家科学基金会主要研究仪器(NSF MRI)批准号1727026购买的,该系统还为PHD,ACP和OOM提供了部分支持。对OOM的部分支持由NSF CAREER资助号1945650进一步提供。特拉华大学的研究,包括人造自旋冰结构的制造和电子显微镜表征,得到了美国能源部基础能源科学办公室材料科学与工程部的支持,奖励为DE-SC0020308。作者感谢Medha Veligatla博士和Peter Müllner博士对此处所示的Ni-Mn-Ga样品的有益讨论和制备,以及Corey Efaw博士和Lance Patten博士对MFM标准操作程序的贡献,包括在 补充文件1中。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 原子力显微镜 | Bruker | Dimension Icon | 使用纳米显微镜控制软件 |
| 手套箱、惰性气氛 | MBraun | LabMaster Pro MB200B + MB20G 气体净化装置 | 定制设计(防漏电气馈通、振动隔离、声学噪声和气流最小化等)和深度,与布鲁克一起使用 Dimension Icon AFM,3 只手套,氩气气氛 |
| MFM 探头 | 布鲁克 | MESP | k = 3 N/m,f0 = 75 kHz,r = 35 nm,400 Oe 矫顽力,1 x 10-13 EMU 矩。具有更严格规格的改进版本 MESP-V2 现已上市。我们还使用了布鲁克的 MESP-RC(谐振频率比标准 MESP 高 2 倍,f0 = 150 kHz,标称弹簧常数略硬,为 5 N/m)和其他 MESP 变体,设计用于低 (0.3 x 10-13 EMU) 或高 (3 x 10-13 EMU) 力矩 (即分别为 MESP-LM 或 MESP-HM)或矫顽力。布鲁克提供 10 个探针的品种包,其中包含 4 个常规 MESP、3 个 MESP-LM 和 3 个 MESP-HM 变体,作为 MESPSP。其他供应商也生产规格与 MESP 相似的 MFM 探针(例如,Nanosensors 的 PPP-MFMR,也有多种型号可供选择,包括用于低矫顽力的 -LC、用于低力矩的 -LM 和用于"超锐利"减小尖端半径的 SSS;来自 AppNano 的 MAGT,提供低矩 [-LM] 和高矩 [-HM] 变体)。同样,Nanotec 团队提供一系列高分辨率 MFM 探头 (HR-MFM),在悬臂弹簧常数和磁性涂层厚度方面有多种选择。 |
| MFM 测试样品 | Bruker | MFMSAMPLE | 磁记录磁带部分安装在直径为 12 mm 的钢圆盘上;有助于故障排除和确保 MFM 探头被磁化并正常工作 |
| Nanscope 分析 | Bruker | 2.0 版 | 免费 AFM 图像处理和分析软件包,但专有,专为 Bruker AFM 设计,仅限于 Bruker AFM;类似的功能可从免费获得, 独立于平台的 AFM 图像处理和分析软件包,例如 Gwyddion、WSxM 等 |
| 探针支架 | Bruker | DAFMCH 或 DCHNM | 特定于所使用的特定 AFM;DAFMCH 是标准的接触式和攻丝模式探头支架,适用于大多数 MFM 应用,而 DCHNM 是用于特别敏感的 MFM 成像的特殊非磁体版本 |
| 。探头磁化器 | 布鲁克 | DMFM-START | MFM"入门套件"专为 Dimension Icon AFM 设计;包括 1 盒 10 个 MESP 探头(见上文)、一个探头磁化器(垂直对齐、 ~2,000 Oe 磁体,安装在设计用于容纳 DAFMCH 或 DCHNM 探头支架(上图)和磁带样品(MFMSAMPLE,上图) |
| 样品盘 | Ted Pella | 16218 | 产品编号适用于 15 mm 直径的不锈钢样品盘。https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 扫描电子显微镜 (SEM) 还提供 6 mm、10 mm、12 mm 和 20 mm 直径 |
| 司 Merlin | Gemini II | SEM 参数:5 keV 加速电压、30 pA 电子电流、5 mm 工作距离。由于纳米级 ASI 晶格特征,在采集前调整孔径和柱头对准以产生高质量的图像。 |
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