Optimisation de la résolution et de la sensibilité de la microscopie à force magnétique pour visualiser les domaines magnétiques à l’échelle nanométrique

La microscopie à force magnétique, ou MFM, utilise une sonde de microscopie à force atomique magnétisée verticalement pour mesurer la topographie de l’échantillon et l’intensité du champ magnétique local avec une résolution à l’échelle nanométrique. En équilibrant la diminution de la hauteur de levage avec l’augmentation de l’amplitude d’entraînement ou d’oscillation, la résolution spatiale et la sensibilité MFM peuvent être optimisées. Les applications informatiques des spin-wave des glaces de spin artificielles reposent sur la connaissance des textures d’aimantation des nanoéléments lorsqu’elles déterminent la réponse magnonique.

La MFM haute résolution permet d’identifier les états d’aimantation globale glaciale. Olivia Maryon, actuellement doctorante en science et ingénierie des matériaux à la Boise State University, ancienne chercheuse de premier cycle de l’AFM pour mon laboratoire, fera la démonstration de la procédure. Pour commencer, ouvrez le logiciel de contrôle AFM et sélectionnez l’espace de travail MFM dans la catégorie et le groupe d’expériences Modes de levage magnétique électrique.

Montez une sonde AFM avec un revêtement magnétique sur un support de sonde approprié en plaçant soigneusement le support de sonde sur un bloc de montage, puis en chargeant la sonde sur le support de sonde, en alignant la sonde et en la fixant en place avec un clip à ressort. Assurez-vous que la sonde est parallèle à tous les bords et qu’elle ne touche pas l’arrière du canal du support en l’inspectant au microscope optique. Manipulez délicatement la sonde si nécessaire avec une pince à épiler.

Magnétiser la sonde verticalement à l’aide d’un aimant puissant et permanent pendant 2 à 5 secondes afin que l’orientation dipolaire magnétique de la pointe de la sonde soit perpendiculaire à l’échantillon. Retirez délicatement la tête AFM tout en prenant soin de décharger toute accumulation électrostatique en touchant le boîtier AFM. Installez la sonde et le support de sonde en alignant les trous du porte-sonde avec les broches de contact sur la tête.

Réinstallez la tête sur l’AFM et fixez-la en place. Alignez le laser sur le centre du porte-à-faux de la sonde MFM et sur le détecteur sensible à la position. Pour une sensibilité optimale, alignez le laser à l’arrière du porte-à-faux à l’emplacement correspondant au recul de la pointe par rapport à l’extrémité distale du porte-à-faux.

Maximisez le signal de somme sur le PSD tout en minimisant les déviations gauche-droite et haut-bas pour centrer le faisceau laser réfléchi sur le détecteur. Placez l’échantillon sur l’orifice d’aspiration du mandrin AFM. Évitez d’utiliser un porte-échantillon magnétique, car cela pourrait affecter l’échantillon et/ou interférer avec la mesure MFM.

Allumez l’aspirateur de mandrin pour fixer l’échantillon à l’étape AFM. Revenez au logiciel de contrôle AFM, allez dans Configuration et sélectionnez le type de sonde choisi. Mettez le porte-à-faux au point et alignez le réticule dans la vue du microscope optique à positionner à l’arrière du porte-à-faux de la sonde MFM où se trouve la pointe en utilisant le recul connu de la pointe en fonction de la sonde sélectionnée.

Ouvrez la fenêtre Naviguer et positionnez l’étage AFM et l’échantillon de sorte que la région d’intérêt se trouve directement sous la pointe AFM. Abaissez la tête AFM jusqu’à ce que la surface de l’échantillon soit mise au point dans la vue optique. Revenez à Configuration, sélectionnez Réglage manuel et effectuez un réglage en porte-à-faux en choisissant les fréquences de début et de fin qui balayeront la fréquence piézoélectrique du tramage sur une région choisie pour couvrir la fréquence de résonance attendue de la sonde sélectionnée.

Choisissez un décalage de fréquence d’entraînement et une amplitude cible. Réglez ensuite le porte-à-faux et définissez le point de consigne d’amplitude souhaité. Engagez-vous sur la surface de l’échantillon et définissez la taille de numérisation souhaitée en fonction de l’échantillon et des caractéristiques d’intérêt.

Augmentez le point de consigne d’amplitude par incréments d’un à deux nanomètres jusqu’à ce que la pointe perde tout contact avec la surface de l’échantillon, comme le montrent les lignes de traçage et de retraçage qui ne se suivent pas dans le canal du capteur de hauteur. Ensuite, diminuez le point de consigne d’amplitude de deux à quatre nanomètres afin que la pointe soit juste en contact avec la surface de l’échantillon. Optimisez les gains proportionnels et intégraux en les ajustant de manière à ce qu’ils soient suffisamment élevés pour forcer le système de rétroaction à suivre la topographie de la surface de l’échantillon tout en minimisant le bruit.

Une fois que les paramètres d’imagerie topographique AFM ont été optimisés, retirez-vous à une courte distance de la surface et revenez au menu de réglage de la sonde. Effectuez un deuxième réglage en porte-à-faux à utiliser pour acquérir la ligne MFM en mode de levage entrelacé, en veillant à dissocier les résultats de cette mélodie des paramètres de la ligne principale précédente. Dans la règle du mode de levage entrelacé, réglez le décalage de crête sur 0 %Choisissez les fréquences de début et de fin qui balayeront la fréquence sèche sur une région couvrant la fréquence de résonance de la sonde.

Ajustez l’amplitude cible du mode de levage entrelacé pour qu’elle soit légèrement inférieure à l’amplitude cible de la ligne principale. Cela permettra une imagerie MFM haute sensibilité sans heurter la surface lors de l’utilisation de faibles hauteurs de levage pour une résolution latérale optimale. Laissez la fenêtre de réglage en porte-à-faux se réengager sur la surface.

Pour optimiser les paramètres d’imagerie, réglez la hauteur initiale du balayage de levage sur 25 nanomètres, puis diminuez progressivement par incréments de deux à cinq nanomètres. Une fois que la sonde commence à frapper la surface, augmentez immédiatement la hauteur de balayage pour préserver la pointe de la sonde et empêcher l’introduction d’artefacts topographiques. Augmentez l’amplitude de l’entraînement par petits incréments correspondant à deux à cinq nanomètres d’amplitude d’oscillation jusqu’à ce que l’amplitude de l’entraînement entrelacé dépasse l’amplitude de l’entraînement de la ligne principale ou que la sonde commence à entrer en contact avec la surface.

Réduisez ensuite légèrement l’amplitude de l’entraînement afin qu’aucun pic ne soit observé dans le canal de phase MFM. Continuez à optimiser de manière itérative la hauteur de balayage de levage et l’amplitude du lecteur en ajustant par incréments progressivement plus petits jusqu’à ce qu’une image MFM haute résolution exempte d’artefacts topographiques soit obtenue. La microscopie à force magnétique est utilisée pour imager les limites jumelles et suivre leur mouvement en réponse à un champ ou à une force magnétique appliqué.

Les images en phase magnétique de l’échantillon monocristallin poli de nickel-manganèse-gallium montrent l’orientation magnétique caractéristique du marchepied d’escalier à travers les limites jumelles. L’image de phase magnétique superposée sous la forme d’une peau colorée au-dessus de la topographie 3D de l’échantillon montre la longue direction des domaines magnétiques commutant au niveau des caractéristiques topographiques. L’optimisation de la résolution spatiale et de la sensibilité MFM tire profit du fonctionnement dans une boîte à gants atmosphérique inerte et nécessite un équilibre entre la diminution de la hauteur de levage et l’augmentation de l’amplitude d’entraînement ou d’oscillation.

La MFM haute résolution et haute sensibilité est cruciale pour étudier les configurations d’aimantation sous-jacentes dans les états de glace de spin artificiel et pourrait également faire progresser le domaine en développement rapide de l’informatique à ondes de spin.