Ottimizzazione della risoluzione e della sensibilità al microscopio a forza magnetica per visualizzare domini magnetici su scala nanometrica

La microscopia a forza magnetica, o MFM, impiega una sonda di microscopia a forza atomica magnetizzata verticalmente per misurare la topografia del campione e l'intensità del campo magnetico locale con risoluzione su scala nanometrica. Bilanciando l'altezza di sollevamento decrescente con l'aumento dell'ampiezza dell'azionamento o dell'oscillazione, è possibile ottimizzare la risoluzione spaziale e la sensibilità MFM. Le applicazioni di calcolo spin-wave degli spin ice artificiali si basano sulla conoscenza delle texture di magnetizzazione dei nanoelementi mentre determinano la risposta magnonica.

L'MFM ad alta risoluzione consente l'identificazione degli stati di magnetizzazione globale ghiacciata. A dimostrare la procedura sarà Olivia Maryon, una studentessa di dottorato in scienze dei materiali e ingegneria presso la Boise State University, ex ricercatrice universitaria AFM per il mio laboratorio. Per iniziare, aprire il software di controllo AFM e selezionare l'area di lavoro MFM nella categoria e nel gruppo dell'esperimento Modalità di sollevamento magnetico elettrico.

Montare una sonda AFM con un rivestimento magnetico su un supporto per sonda appropriato posizionando con attenzione il supporto della sonda su un blocco di montaggio, quindi caricando la sonda sul supporto della sonda, allineando la sonda e fissandola in posizione con una clip caricata a molla. Assicurarsi che la sonda sia parallela a tutti i bordi e non tocchi il retro del canale del supporto ispezionandolo al microscopio ottico. Manipolare delicatamente la sonda secondo necessità con un paio di pinzette.

Magnetizzare la sonda verticalmente utilizzando un magnete forte e permanente per 2-5 secondi in modo che l'orientamento del dipolo magnetico della punta della sonda sia perpendicolare al campione. Rimuovere con cautela la testa AFM avendo cura di scaricare eventuali accumuli elettrostatici toccando la custodia AFM. Installare la sonda e il supporto della sonda allineando i fori sul supporto della sonda con i perni di contatto sulla testa.

Reinstallare la testina sull'AFM e fissarla in posizione. Allineare il laser al centro del cantilever della sonda MFM e nel rilevatore sensibile alla posizione. Per una sensibilità ottimale, allineare il laser sul retro del cantilever alla posizione corrispondente alla battuta d'arresto della punta dall'estremità distale del cantilever.

Massimizza il segnale di somma sul PSD riducendo al minimo le deflessioni sinistra-destra e su-giù per centrare il raggio laser riflesso sul rilevatore. Posizionare il campione sulla porta del vuoto del mandrino AFM. Evitare l'uso di un portacampioni magnetico in quanto ciò potrebbe influire sul campione e/o interferire con la misurazione MFM.

Accendere il vuoto del mandrino per fissare il campione allo stadio AFM. Tornare al software di controllo AFM, andare su Setup e selezionare il tipo di sonda scelto. Mettere a fuoco il cantilever e allineare il mirino all'interno della vista del microscopio ottico da posizionare sul retro del cantilever della sonda MFM dove si trova la punta utilizzando la nota battuta d'arresto della punta in base alla sonda selezionata.

Aprire la finestra Naviga e posizionare la fase AFM e il campione in modo che l'area di interesse si trovi direttamente sotto la punta AFM. Abbassare la testa AFM fino a quando la superficie del campione non viene messa a fuoco nella vista ottica. Tornare a Setup, selezionare Manual Tune ed eseguire una tune a sbalzo scegliendo le frequenze di inizio e fine che scorreranno la frequenza di azionamento piezoelettrico dithering attraverso una regione scelta per coprire la frequenza di risonanza prevista della sonda selezionata.

Scegliere un offset di frequenza dell'unità e l'ampiezza del target. Quindi sintonizzare il cantilever e impostare il set point di ampiezza desiderato. Impegnarsi sulla superficie del campione e impostare la dimensione di scansione desiderata in base al campione e alle caratteristiche di interesse.

Aumentare il setpoint di ampiezza con incrementi di uno o due nanometri fino a quando la punta perde il contatto con la superficie del campione, come visto dalle linee di traccia e ritracciamento che non riescono a seguirsi a vicenda nel canale del sensore di altezza. Quindi ridurre il setpoint di ampiezza da due a quattro nanometri in modo che la punta sia appena a contatto con la superficie del campione. Ottimizza i guadagni proporzionali e integrali regolandoli in modo che siano abbastanza alti da forzare il sistema di feedback a tracciare la topografia della superficie del campione riducendo al minimo il rumore.

Una volta ottimizzati i parametri di imaging topografico AFM, ritirarsi a breve distanza dalla superficie e tornare al menu di regolazione della sonda. Eseguire una seconda melodia a sbalzo da utilizzare per acquisire la linea MFM della modalità di sollevamento interlacciata, assicurandosi di scollegare i risultati di questa melodia dai parametri precedenti della linea principale. Nella sintonizzazione della modalità di sollevamento interlacciata, impostare l'offset di picco su 0%Scegliere le frequenze di inizio e fine che distribuiranno la frequenza di secco attraverso una regione che copre la frequenza di risonanza della sonda.

Regolate l'ampiezza del target della modalità di sollevamento interlacciata in modo che sia leggermente inferiore all'ampiezza della linea di demarcazione principale. Ciò consentirà l'imaging MFM ad alta sensibilità senza colpire la superficie quando si utilizzano altezze di sollevamento ridotte per una risoluzione laterale ottimale. Lasciare la finestra di accordatura a sbalzo per innestare nuovamente sulla superficie.

Per ottimizzare i parametri di imaging, impostare l'altezza di scansione iniziale di sollevamento su 25 nanometri, quindi diminuire gradualmente gli incrementi da due a cinque nanometri. Una volta che la sonda inizia a colpire la superficie, aumentare immediatamente l'altezza di scansione per preservare la punta della sonda e prevenire l'introduzione di artefatti topografici. Aumentare l'ampiezza dell'unità con piccoli incrementi corrispondenti a due-cinque nanometri nell'ampiezza dell'oscillazione fino a quando l'ampiezza dell'unità interleave supera l'ampiezza dell'unità della linea principale o la sonda inizia a contattare la superficie.

Quindi diminuire leggermente l'ampiezza dell'unità in modo che non vengano visualizzati picchi nel canale di fase MFM. Continuare a ottimizzare in modo iterativo l'altezza di scansione del sollevamento e l'ampiezza dell'azionamento regolando in incrementi progressivamente più piccoli fino a ottenere un'immagine MFM ad alta risoluzione priva di artefatti topografici. La microscopia a forza magnetica viene utilizzata per visualizzare i confini gemelli e tracciare il loro movimento in risposta a un campo magnetico o a una forza applicata.

Le immagini della fase magnetica del campione lucido di nichel-manganese-gallio monocristallino mostrano il caratteristico orientamento magnetico della scala attraverso i confini gemelli. L'immagine della fase magnetica sovrapposta come una pelle colorata sopra la topografia 3D del campione mostra la direzione lunga dei domini magnetici che cambiano alle caratteristiche topografiche. L'ottimizzazione della risoluzione spaziale e della sensibilità MFM trae vantaggio dall'operare in un vano portaoggetti atmosferico inerte e richiede il bilanciamento dell'altezza di sollevamento decrescente con l'aumento dell'ampiezza dell'azionamento o dell'oscillazione.

L'MFM ad alta risoluzione e ad alta sensibilità è fondamentale per studiare le configurazioni di magnetizzazione sottostanti negli stati di ghiaccio artificiale e potrebbe anche far progredire il campo in rapido sviluppo del calcolo delle onde di spin.