Fabrication de Nanostructures magnétiques sur les Membranes de nitrure de silicium pour les études de Vortex magnétique en utilisant des Techniques de microscopie de Transmission

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans la fabrication de micro et nanostructures, pour l’observation par microscopie électronique en transmission et par microscopie à rayons X. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet la fabrication d’échantillons sur des membranes nanométriques minces en nitrure de silicium, ce qui est nécessaire à l’observation par microscopie à transmission. Meena Dhankhar et Marek Vanatka, des étudiants diplômés de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure.

Pour commencer, placez les membranes en silicium nitrade de 30 nanomètres sur une plaque chauffante à 180 degrés Celsius et faites-les cuire pendant 15 minutes pour éliminer toute humidité. Placez l’adaptateur sur l’enducteur de vissature, puis placez les membranes dans l’adaptateur. Spin coat 950k pmma résiste à 3 000 tr/min pendant une minute pour produire une épaisseur de film d’environ 200 nanomètres.

Ensuite, post-cuisson des échantillons sur la plaque chauffante à 180 degrés Celsius pendant trois minutes pour durcir la couche de pmma. Pour effectuer la lithographie par faisceau d’électrons, dessinez le motif souhaité de disques dans le système de base de données graphique, ou format GDS, et téléchargez-le sur le système de lithographie par faisceau d’électrons. Chargez les échantillons dans le système d’écriture par faisceau d’électrons.

Ensuite, préparez le terrain et faites rayonner. Exposez la surface du disque à une dose d’électrons de 260 microcoulombs par centimètre carré à une énergie de faisceau de 20 kiloélectronvolts. Après l’exposition, immergez les échantillons dans un révélateur de méthylisobutylcétone pendant deux minutes.

Transférez ensuite les échantillons dans de l’alcool isopropylique pendant 30 secondes pour arrêter le développement. Utilisez de l’eau déminéralisée pour laver chaque échantillon pendant 30 secondes. Ensuite, tout en tenant chaque échantillon avec une pince à épiler, utilisez de l’azote pour le sécher.

Ensuite, à l’aide d’un microscope optique, commencez à faible grossissement pour vérifier le développement des échantillons, puis passez à un grossissement élevé. Pour effectuer l’évaporation du faisceau d’électrons, utilisez du kapton pour coller soigneusement les membranes sur le support. Et transférez les échantillons dans la chambre de dépôt de l’évaporateur à faisceau d’électrons via le verrouillage de charge.

Utilisez le système d’évaporation par faisceau d’électrons à une tension d’accélération de huit kilovolts et un courant de faisceau d’environ 120 milliampères pour déposer une fine couche de permalloy d’une épaisseur allant de 20 à 100 nanomètres, et un taux de dépôt d’environ un angström par seconde. Pour enlever l’excès de métal, placez les membranes dans un bécher avec de l’acétone pendant une heure. Ensuite, tout en utilisant une pince à épiler pour les tenir, utilisez de l’acétone pour vaporiser les membranes jusqu’à ce que l’excès de métal soit éliminé.

S’il reste un excès de métal sur l’échantillon, remettez la membrane dans l’acétone pour un autre trempage, avant de vaporiser à nouveau de l’acétone. Pour imager un échantillon, montez-le dans le support d’échantillon TEM et insérez-le dans le microscope. En utilisant les procédures standard du microscope, corrigez la hauteur de l’échantillon et alignez le microscope en mode Lorentz à la tension d’accélération souhaitée.

Par exemple, 300 kilovolts dans ce cas. Introduisez le signal magnétique en défocalisant la lentille de Lorentz. Ensuite, inclinez l’échantillon pour introduire la composante en champ clair.

Par exemple, un angle approprié est de 30 degrés. Appliquez le champ magnétique en excitant l’objectif de l’objectif, qui est normalement éteint en mode Lorentz. Enfin, saturez l’échantillon, diminuez progressivement le champ magnétique en désexcitant l’objectif et capturez les images sur la caméra.

On voit ici les cadres et les membranes en silicium nitrade utilisés pour la microscopie MTXM et LTEM. Le cadre MTXM est un carré de cinq millimètres sur cinq avec une épaisseur de fenêtre de 200 nanomètres. Et le cadre TEM s’adapte à un cercle de trois millimètres de diamètre avec une épaisseur de fenêtre de 30 nanomètres.

Ce panneau contient une fenêtre à membrane de silicium nitrade avec les réseaux de disques dans la réserve après l’exposition au faisceau d’électrons et le développement de la réserve. Le dernier réseau des disques magnétiques imagés par le MEB est présenté ici. Cette image LTEM illustre les états de nucléation des vortex magnétiques dans un réseau de nanodisques magnétiques.

Enfin, cette image MEB représente la structure finale de disques permalloyés de 30 nanomètres d’épaisseur et de deux microns de large sur un guide d’ondes en or avec des marques d’alignement. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en une journée. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler d’utiliser les paramètres appropriés pour l’exposition du faisceau d’électrons du motif.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication et de la caractérisation des structures étape par étape, en utilisant la méthode présentée. N’oubliez pas que travailler avec des produits chimiques est dangereux et que des précautions telles que le port de gants et de lunettes de protection lors de la manipulation du matériau dans une hotte doivent toujours être prises lors de l’exécution de la procédure.