Optimierung der Auflösung und Empfindlichkeit der Magnetkraftmikroskopie zur Visualisierung nanoskaliger magnetischer Domänen

Die Magnetkraftmikroskopie (MFM) verwendet eine vertikal magnetisierte Rasterkraftmikroskopiesonde, um die Probentopographie und die lokale Magnetfeldstärke mit nanoskaliger Auflösung zu messen. Durch die Balance zwischen abnehmender Hubhöhe und zunehmender Antriebs- oder Schwingungsamplitude kann die räumliche Auflösung und Empfindlichkeit von MFM optimiert werden. Spin-Wave-Computing-Anwendungen von künstlichen Spin-Eisen beruhen auf der Kenntnis der Nanoelement-Magnetisierungstexturen, da sie die magnonische Reaktion bestimmen.

Hochauflösendes MFM ermöglicht die Identifizierung von eisigen globalen Magnetisierungszuständen. Olivia Maryon, eine derzeitige Doktorandin in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Boise State University, eine ehemalige AFM-Forscherin für mein Labor, wird das Verfahren demonstrieren. Öffnen Sie zunächst die AFM-Steuerungssoftware und wählen Sie den MFM-Arbeitsbereich unter der Experimentkategorie und -gruppe Electrical Magnetic Lift Modes aus.

Montieren Sie eine AFM-Sonde mit einer magnetischen Beschichtung auf einem geeigneten Sondenhalter, indem Sie den Sondenhalter vorsichtig auf einen Montageblock legen, dann die Sonde auf den Sondenhalter laden, die Sonde ausrichten und mit einem federbelasteten Clip befestigen. Stellen Sie sicher, dass die Sonde parallel zu allen Kanten ist und die Rückseite des Halterkanals nicht berührt, indem Sie sie unter einem Lichtmikroskop untersuchen. Manipulieren Sie die Sonde bei Bedarf vorsichtig mit einer Pinzette.

Magnetisieren Sie die Sonde vertikal mit einem starken, permanenten Magneten für 2 bis 5 Sekunden, so dass die magnetische Dipolorientierung der Sondenspitze senkrecht zur Probe steht. Entfernen Sie vorsichtig den AFM-Kopf und achten Sie darauf, elektrostatische Ablagerungen durch Berühren des AFM-Gehäuses zu entladen. Installieren Sie die Sonde und den Sondenhalter, indem Sie die Löcher am Sondenhalter mit den Kontaktstiften am Kopf ausrichten.

Setzen Sie den Kopf wieder am AFM ein und befestigen Sie ihn an seinem Platz. Richten Sie den Laser auf die Mitte des MFM-Sonden-Cantilevers und in den positionsempfindlichen Detektor aus. Um eine optimale Empfindlichkeit zu erzielen, richten Sie den Laser auf der Rückseite des Cantilevers an der Stelle aus, die der Spitzenabsenkung vom distalen Ende des Auslegers entspricht.

Maximieren Sie das Summensignal auf dem PSD und minimieren Sie gleichzeitig die Links-Rechts- und die Auf-Ab-Ablenkungen, um den reflektierten Laserstrahl auf dem Detektor zu zentrieren. Legen Sie die Probe über den AFM-Futtervakuumanschluss. Vermeiden Sie die Verwendung eines magnetischen Probenhalters, da dies die Probe beeinträchtigen und/oder die MFM-Messung beeinträchtigen könnte.

Schalten Sie das Futtervakuum ein, um die Probe am AFM-Tisch zu befestigen. Kehren Sie zur AFM-Steuerungssoftware zurück, gehen Sie zu Setup und wählen Sie den ausgewählten Sondentyp aus. Bringen Sie den Cantilever in den Fokus und richten Sie das Fadenkreuz innerhalb der lichtmikroskopischen Ansicht so aus, dass es über der Rückseite des MFM-Sonden-Cantilevers positioniert wird, wo sich die Spitze befindet, wobei die bekannte Spitzenabsenkung basierend auf der ausgewählten Sonde verwendet wird.

Öffnen Sie das Fenster Navigieren, und positionieren Sie den AFM-Tisch und die Stichprobe so, dass sich der interessierende Bereich direkt unter der AFM-Spitze befindet. Senken Sie den AFM-Kopf, bis die Probenoberfläche in der optischen Ansicht scharf gestellt wird. Gehen Sie zurück zu Setup, wählen Sie Manuelle Abstimmung und führen Sie eine Cantilever-Abstimmung durch, indem Sie Start- und Endfrequenzen auswählen, die die Dither-Piezo-Antriebsfrequenz über einen Bereich ziehen, der ausgewählt wurde, um die erwartete Resonanzfrequenz der ausgewählten Sonde zu überspannen.

Wählen Sie einen Antriebsfrequenz-Offset und eine Zielamplitude. Stimmen Sie dann den Ausleger ab und stellen Sie den gewünschten Amplitudensollwert ein. Greifen Sie auf die Probenoberfläche ein und stellen Sie die gewünschte Scangröße abhängig von der Probe und den gewünschten Merkmalen ein.

Erhöhen Sie den Amplitudensollwert in Schritten von ein bis zwei Nanometern, bis die Spitze den Kontakt zur Probenoberfläche verliert, wie die Spur- und Retrace-Linien sehen, die sich im Höhensensorkanal nicht gegenseitig verfolgen. Verringern Sie dann den Amplitudensollwert um zwei bis vier Nanometer, sodass die Spitze gerade noch mit der Probenoberfläche in Kontakt kommt. Optimieren Sie die proportionalen und integralen Verstärkungen, indem Sie sie so anpassen, dass sie hoch genug sind, um das Feedback-System zu zwingen, die Topographie der Probenoberfläche zu verfolgen und gleichzeitig das Rauschen zu minimieren.

Sobald die AFM-Topographie-Bildgebungsparameter optimiert wurden, ziehen Sie sich einen kurzen Abstand von der Oberfläche zurück und kehren zum Sondenabstimmungsmenü zurück. Führen Sie eine zweite Cantilever-Melodie durch, die verwendet wird, um die verschachtelte MFM-Linie im Hubmodus zu erfassen, und stellen Sie sicher, dass die Ergebnisse dieser Melodie von den vorherigen Hauptlinienparametern getrennt werden. Stellen Sie im Interleaved-Lift-Modus den Spitzenoffset auf 0% einWählen Sie Start- und Endfrequenzen, die die Trockenfrequenz über einen Bereich streichen, der die Resonanzfrequenz der Sonde umfasst.

Stellen Sie die Zielamplitude des Interleaved-Lift-Modus so ein, dass sie etwas kleiner als die Zielamplitude der Hauptlinie ist. Dies ermöglicht eine hochempfindliche MFM-Bildgebung, ohne die Oberfläche zu treffen, wenn niedrige Hubhöhen für eine optimale laterale Auflösung verwendet werden. Lassen Sie das freitragende Tuning-Fenster, um wieder auf der Oberfläche einzurasten.

Um die Bildgebungsparameter zu optimieren, stellen Sie die anfängliche Lift-Scan-Höhe auf 25 Nanometer ein und verringern Sie sie dann schrittweise in Schritten von zwei bis fünf Nanometern. Sobald die Sonde gerade auf die Oberfläche trifft, erhöhen Sie sofort die Scanhöhe, um die Sondenspitze zu erhalten und das Einbringen topographischer Artefakte zu verhindern. Erhöhen Sie die Antriebsamplitude in kleinen Schritten, die der Schwingungsamplitude von zwei bis fünf Nanometern entsprechen, bis die Interleave-Antriebsamplitude die Hauptantriebsamplitude übersteigt oder die Sonde beginnt, die Oberfläche zu berühren.

Verringern Sie dann die Laufwerksamplitude leicht, sodass keine Spitzen im MFM-Phasenkanal zu sehen sind. Fahren Sie mit der iterativen Optimierung der Lift-Scan-Höhe und der Antriebsamplitude fort, indem Sie sie in immer kleineren Schritten anpassen, bis ein hochauflösendes MFM-Bild ohne topografische Artefakte erhalten wird. Die Magnetkraftmikroskopie wird verwendet, um Zwillingsgrenzen abzubilden und ihre Bewegung als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld oder eine angelegte Kraft zu verfolgen.

Die magnetischen Phasenbilder der polierten, einkristallinen Nickel-Mangan-Gallium-Probe zeigen die charakteristische magnetische Orientierung der Treppenstufe über die Zwillingsgrenzen hinweg. Das magnetische Phasenbild, das als farbige Haut über die 3D-Topographie der Probe gelegt wird, zeigt die lange Richtung der magnetischen Domänen, die an den topographischen Merkmalen wechseln. Die Optimierung der räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit von MFM profitiert vom Betrieb in einem inerten atmosphärischen Handschuhfach und erfordert ein Gleichgewicht zwischen abnehmender Hubhöhe und zunehmender Antriebs- oder Schwingungsamplitude.

Hochauflösendes, hochempfindliches MFM ist entscheidend für die Untersuchung der zugrunde liegenden Magnetisierungskonfigurationen in künstlichen Spineiszuständen und könnte auch das sich schnell entwickelnde Gebiet des Spinwellen-Computing voranbringen.