Optimización de la resolución y sensibilidad de la microscopía de fuerza magnética para visualizar dominios magnéticos a nanoescala

La microscopía de fuerza magnética, o MFM, emplea una sonda de microscopía de fuerza atómica magnetizada verticalmente para medir la topografía de la muestra y la intensidad del campo magnético local con resolución a nanoescala. Al equilibrar la disminución de la altura de elevación con el aumento de la amplitud de la unidad o la oscilación, se pueden optimizar la resolución espacial y la sensibilidad de las máquinas digitales multifuncionales. Las aplicaciones de computación de ondas de espín artificiales se basan en el conocimiento de las texturas de magnetización de nanoelementos a medida que determinan la respuesta magnónica.

La MFM de alta resolución permite la identificación de estados de magnetización global helados. Demostrando el procedimiento estará Olivia Maryon, una estudiante de doctorado actual en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Boise, una ex investigadora de AFM de pregrado para mi laboratorio. Para comenzar, abra el software de control AFM y seleccione el espacio de trabajo MFM en la categoría y el grupo de experimentos Modos de elevación magnética eléctrica.

Monte una sonda AFM con un recubrimiento magnético en un soporte de sonda apropiado colocando cuidadosamente el soporte de la sonda en un bloque de montaje, luego cargando la sonda en el soporte de la sonda, alineando la sonda y asegurándola en su lugar con un clip accionado por resorte. Asegúrese de que la sonda esté paralela a todos los bordes y no toque la parte posterior del canal del soporte inspeccionándola bajo un microscopio óptico. Manipule suavemente la sonda según sea necesario con un par de pinzas.

Magnetice la sonda verticalmente usando un imán fuerte y permanente durante 2 a 5 segundos para que la orientación dipolar magnética de la punta de la sonda sea perpendicular a la muestra. Retire con cuidado el cabezal AFM mientras tiene cuidado de descargar cualquier acumulación electrostática tocando el recinto AFM. Instale la sonda y el soporte de la sonda alineando los orificios del soporte de la sonda con los pasadores de contacto en la cabeza.

Vuelva a instalar el cabezal en el AFM y asegúrelo en su lugar. Alinee el láser en el centro del voladizo de la sonda MFM y en el detector sensible a la posición. Para una sensibilidad óptima, alinee el láser en la parte posterior del voladizo con la ubicación correspondiente al retroceso de la punta desde el extremo distal del voladizo.

Maximice la señal de suma en el PSD mientras minimiza las deflexiones izquierda-derecha y arriba-abajo para centrar el rayo láser reflejado en el detector. Coloque la muestra sobre el puerto de vacío del mandril AFM. Evite utilizar un portamuestras magnético, ya que esto podría afectar a la muestra y/o interferir con la medición de la máquina multifuncional.

Encienda la aspiradora del mandril para asegurar la muestra a la etapa AFM. Vuelva al software de control AFM, vaya a Configuración y seleccione el tipo de sonda elegido. Enfoque el voladizo y alinee el punto de mira dentro de la vista del microscopio óptico para colocarlo sobre la parte posterior del voladizo de la sonda MFM donde se encuentra la punta utilizando el retroceso de la punta conocido basado en la sonda seleccionada.

Abra la ventana Navegar y coloque la etapa y la muestra de AFM de modo que la región de interés esté directamente debajo de la punta de AFM. Baje el cabezal AFM hasta que la superficie de la muestra se enfoque en la vista óptica. Vuelva a Configuración, seleccione Ajuste manual y realice una melodía en voladizo eligiendo las frecuencias de inicio y finalización que barrerán la frecuencia de conducción piezoeléctrica en una región elegida para abarcar la frecuencia de resonancia esperada de la sonda seleccionada.

Elija un desplazamiento de frecuencia de la unidad y una amplitud de destino. A continuación, ajuste el voladizo y establezca el punto de ajuste de amplitud deseado. Participe en la superficie de la muestra y establezca el tamaño de escaneo deseado según la muestra y las características de interés.

Aumente el punto de ajuste de amplitud en incrementos de uno a dos nanómetros hasta que la punta simplemente pierda contacto con la superficie de la muestra como se ve por las líneas de traza y retroceso que no se rastrean entre sí en el canal del sensor de altura. Luego disminuya el punto de ajuste de amplitud de dos a cuatro nanómetros para que la punta esté justo en contacto con la superficie de la muestra. Optimice las ganancias proporcionales e integrales ajustándolas para que sean lo suficientemente altas como para forzar al sistema de retroalimentación a rastrear la topografía de la superficie de la muestra y minimizar el ruido.

Una vez que se hayan optimizado los parámetros de imagen de la topografía AFM, retírese una corta distancia de la superficie y vuelva al menú de ajuste de la sonda. Realice una segunda sintonía en voladizo que se utilizará para adquirir la línea MFM de modo de elevación intercalada, asegurándose de desvincular los resultados de esta afinación de los parámetros de la línea principal anterior. En la sintonía del modo de elevación intercalada, establezca el desplazamiento del pico en 0%Elija las frecuencias de inicio y fin que barrerán la frecuencia seca a través de una región que abarca la frecuencia de resonancia de la sonda.

Ajuste la amplitud del objetivo del modo de elevación intercalado para que sea ligeramente inferior a la amplitud del objetivo de la línea principal. Esto permitirá obtener imágenes de MFM de alta sensibilidad sin golpear la superficie cuando se utilizan alturas de elevación bajas para una resolución lateral óptima. Deje que la ventana de sintonización en voladizo vuelva a acoplarse en la superficie.

Para optimizar los parámetros de imagen, establezca la altura inicial del escaneo de elevación en 25 nanómetros, luego disminuya gradualmente en los incrementos de dos a cinco nanómetros. Una vez que la sonda comience a golpear la superficie, aumente inmediatamente la altura de escaneo para preservar la punta de la sonda y evitar la introducción de artefactos topográficos. Aumente la amplitud de la unidad en pequeños incrementos correspondientes a dos a cinco nanómetros de amplitud de oscilación hasta que la amplitud de la unidad intercalada exceda la amplitud de la unidad principal o la sonda comience a entrar en contacto con la superficie.

A continuación, disminuya ligeramente la amplitud de la unidad para que no se vean picos en el canal de fase MFM. Continúe optimizando iterativamente la altura de escaneo de elevación y la amplitud de la unidad ajustando en incrementos progresivamente más pequeños hasta que se obtenga una imagen MFM de alta resolución libre de artefactos topográficos. La microscopía de fuerza magnética se utiliza para obtener imágenes de los límites gemelos y rastrear su movimiento en respuesta a un campo magnético o fuerza aplicada.

Las imágenes de fase magnética de la muestra pulida de níquel-manganeso-galio de un solo cristal muestran la característica orientación magnética de la escalera a través de los límites gemelos. La imagen de fase magnética superpuesta como una piel coloreada en la parte superior de la topografía 3D de la muestra muestra la dirección larga de los dominios magnéticos que cambian en las características topográficas. La optimización de la resolución espacial y la sensibilidad de las máquinas digitales multifuncionales se beneficia de operar en una guantera atmosférica inerte y requiere equilibrar la disminución de la altura de elevación con el aumento de la amplitud de la unidad u oscilación.

La MFM de alta resolución y alta sensibilidad es crucial para estudiar las configuraciones de magnetización subyacentes en los estados de hielo de espín artificial y también podría avanzar en el campo de rápido desarrollo de la computación por ondas de espín.