אופטימיזציה של רזולוציה ורגישות מיקרוסקופית כוח מגנטי כדי להמחיש תחומים מגנטיים בקנה מידה ננומטרי

מיקרוסקופיית כוח מגנטי, או MFM, משתמשת בגשושית מיקרוסקופיית כוח אטומי ממוגנטת אנכית כדי למדוד טופוגרפיה של דגימות ועוצמת שדה מגנטי מקומי ברזולוציה ננומטרית. על-ידי איזון בין הקטנת גובה ההרמה לבין הגדלת משרעת ההנעה או התנודה, ניתן למטב את הרזולוציה והרגישות המרחבית של MFM. יישומי חישוב גלי ספין של קרחוני ספין מלאכותיים מסתמכים על הידע של מרקמי המגנטיזציה של הננו-אלמנטים כשהם קובעים את התגובה המגנטית.

MFM ברזולוציה גבוהה מאפשר זיהוי של מצבי מגנטיזציה גלובליים קפואים. מי שתדגים את ההליך תהיה אוליביה מריון, דוקטורנטית בהווה במדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת בויס סטייט, לשעבר חוקרת AFM לתואר ראשון במעבדה שלי. כדי להתחיל, פתח את תוכנת הבקרה AFM ובחר את סביבת העבודה של MFM תחת קטגוריית הניסויים מצבי הרמה מגנטית חשמלית וקבוצה.

הרכיבו בדיקת AFM עם ציפוי מגנטי על מחזיק בדיקה מתאים על ידי הנחת מחזיק הבדיקה בזהירות על בלוק הרכבה, ולאחר מכן העמסת הבדיקה על מחזיק הבדיקה, יישור הגשושית ואבטחתה למקומה באמצעות תפס טעון קפיץ. ודא שהבדיקה מקבילה לכל הקצוות ואינה נוגעת בגב הערוץ של המחזיק על ידי בדיקתו תחת מיקרוסקופ אופטי. תמרן בעדינות את הבדיקה לפי הצורך עם זוג פינצטות.

מגנט את הגשושית אנכית באמצעות מגנט חזק וקבוע למשך 2 עד 5 שניות, כך שכיוון הדיפול המגנטי של קצה הגשושית יהיה בניצב לדגימה. הסר בזהירות את ראש ה-AFM תוך הקפדה לפרוק כל הצטברות אלקטרוסטטית על-ידי נגיעה במארז ה-AFM. התקן את מחזיק הבדיקה והבדיקה על ידי יישור החורים במחזיק הבדיקה עם פיני המגע על הראש.

התקן מחדש את הראש ב- AFM ואבטח אותו במקומו. יישר את הלייזר אל מרכז שקע הבדיקה MFM ואל תוך הגלאי הרגיש למיקום. לרגישות מיטבית, יישר את הלייזר בגב הקנטילבר למיקום המתאים לקצה הנסיגה מהקצה הדיסטלי של הקנטילבר.

מקסם את אות הסכום ב- PSD תוך מזעור הסטיות שמאלה-ימינה והמעלה למטה למרכז קרן הלייזר המוחזרת בגלאי. הנח את הדגימה מעל יציאת הוואקום של AFM chuck. הימנע משימוש במחזיק דגימה מגנטי מכיוון שהדבר עלול להשפיע על הדגימה ו/או להפריע למדידת MFM.

הפעל את ואקום הצ'אק כדי לאבטח את הדגימה לשלב ה- AFM. חזור לתוכנת הבקרה AFM, עבור אל הגדרה ובחר את סוג הבדיקה שנבחר. רכז את הקנטילבר ויישר את הכוונת בתוך תצוגת המיקרוסקופ האופטי כדי למקם אותה מעל גב גשושית MFM שבה נמצא הקצה באמצעות נסיגת הקצה הידועה המבוססת על הבדיקה שנבחרה.

פתח את חלון הניווט ומקם את שלב ה- AFM ואת הדגימה כך שאזור העניין יהיה ישירות מתחת לקצה ה- AFM. הנמיכו את ראש ה-AFM עד שמשטח הדגימה נכנס למיקוד בתצוגה האופטית. חזור אל 'הגדרה', בחר 'כוונון ידני' ובצע כוונון על-ידי בחירת תדרי התחלה וסיום שיסחפו את תדר כונן ה-dither piezo על פני אזור שנבחר כדי להתפרש על פני תדר התהודה הצפוי של הבדיקה שנבחרה.

בחר הסטת תדירות כונן ומשרעת יעד. לאחר מכן כוונו את הקנטילבר וקבעו את נקודת המשרעת הרצויה. הפעל על משטח המדגם והגדר את גודל הסריקה הרצוי בהתאם למדגם ולתכונות המעניינות אותו.

הגדל את המשרעת Setpoint במרווחים של ננומטר עד שני ננומטרים עד שהקצה פשוט מאבד מגע עם משטח הדגימה כפי שניתן לראות על ידי קווי העקיבה וההשבה שאינם מצליחים לעקוב זה אחר זה בערוץ חיישן הגובה. לאחר מכן הפחיתו את משרעת ה-Setpoint בשניים עד ארבעה ננומטרים, כך שהקצה יהיה רק במגע עם משטח הדגימה. מטב את הרווחים הפרופורציונליים והאינטגרליים על ידי התאמתם כך שיהיו גבוהים מספיק כדי לאלץ את מערכת המשוב לעקוב אחר טופוגרפיית פני השטח של הדגימה תוך מזעור הרעש.

לאחר אופטימיזציה של פרמטרי ההדמיה הטופוגרפיים של AFM, התרחקו מרחק קצר מפני השטח וחזרו לתפריט כוונון הבדיקה. בצע כוונון קנטילי שני שישמש לרכישת קו MFM במצב הרמה משולב, תוך הקפדה על ניתוק התוצאות של מנגינה זו מהפרמטרים הקודמים של הקו הראשי. בכוונון מצב ההרמה המשולב, הגדר את היסט השיא ל- 0%בחר תדרי התחלה וסיום שיסחפו את התדר היבש על פני אזור המשתרע על פני תדר התהודה של הגשושית.

התאם את משרעת היעד של מצב ההרמה המשולבת כך שתהיה מעט פחותה ממשרעת היעד הראשית. הדבר יאפשר הדמיית MFM ברגישות גבוהה מבלי לפגוע במשטח בעת שימוש בגבהי הרמה נמוכים לרזולוציה רוחבית אופטימלית. השאירו את חלון הכוונון כדי להתחבר מחדש על פני השטח.

כדי למטב את פרמטרי ההדמיה, הגדר את גובה סריקת ההרמה הראשוני ל-25 ננומטר, ולאחר מכן הקטן בהדרגה במרווחים של שניים עד חמישה ננומטרים. ברגע שהגשושית מתחילה פשוט לפגוע בפני השטח, הגדילו מיד את גובה הסריקה כדי לשמר את קצה הבדיקה ולמנוע הכנסת ממצאים טופוגרפיים. הגדל את משרעת הכונן במרווחים קטנים המתאימים לשניים עד חמישה ננומטרים באמפליטודת תנודות עד שמשרעת הכונן הבין-קולית עולה על משרעת הכונן הראשית או שהבדיקה מתחילה ליצור קשר עם המשטח.

לאחר מכן להקטין את משרעת הכונן מעט, כך שלא נראים קוצים בערוץ פאזה MFM. המשך למטב באופן איטרטיבי את גובה סריקת ההרמה ואת משרעת הכונן על-ידי כוונון במרווחים קטנים יותר ויותר עד לקבלת תמונת MFM ברזולוציה גבוהה ללא ממצאים טופוגרפיים. מיקרוסקופיית כוח מגנטי משמשת לצילום גבולות תאומים ולמעקב אחר תנועתם בתגובה לשדה מגנטי או לכוח המופעל.

תמונות הפאזה המגנטית של דגימת ניקל-מנגן-גליום גבישית בודדת מלוטשת מראות את הכיוון המגנטי האופייני של מדרגות מעבר לגבולות התאומים. תמונת הפאזה המגנטית המכוסה כעור צבעוני על גבי הטופוגרפיה התלת-ממדית של הדגימה מראה את הכיוון הארוך של התחומים המגנטיים המתחלפים במאפיינים הטופוגרפיים. מיטוב הרזולוציה והרגישות המרחבית של MFM נהנה מפעולה בתא כפפות אטמוספרי אינרטי ודורש איזון בין הקטנת גובה ההרמה לבין הגדלת משרעת ההנעה או התנודה.

MFM ברזולוציה גבוהה ורגישות גבוהה הוא חיוני לחקר תצורות המגנטיזציה הבסיסיות בסטטוסים של קרח ספין מלאכותי ויכול גם לקדם את התחום המתפתח במהירות של מחשוב גלי ספין.