ナノスケールの磁区を可視化するための磁気力顕微鏡の分解能と感度の最適化

磁気力顕微鏡(MFM)は、垂直磁化された原子間力顕微鏡プローブを使用して、ナノスケールの分解能でサンプルのトポグラフィーと局所磁場強度を測定します。リフト高さの減少と駆動または振動振幅の増加のバランスをとることで、MFMの空間分解能と感度を最適化できます。人工スピンアイスのスピン波コンピューティングアプリケーションは、マグノニック応答を決定するナノ元素磁化テクスチャの知識に依存しています。

高分解能MFMにより、氷のような全球磁化状態を識別できます。手順を実演するのは、ボイシ州立大学の材料科学と工学の現在の博士課程の学生であり、私の研究室の元学部AFM研究者であるオリビア・マリオンです。まず、AFM制御ソフトウェアを開き、電磁リフトモード実験カテゴリとグループの下にあるMFMワークスペースを選択します。

プローブホルダーを取り付けブロックに注意深く置き、プローブをプローブホルダーにロードし、プローブの位置を合わせてバネ仕掛けのクリップで所定の位置に固定することにより、適切なプローブホルダーに磁気コーティングを施したAFMプローブを取り付けます。プローブがすべての端と平行であり、光学顕微鏡でプローブを検査して、ホルダーのチャネルの背面に触れていないことを確認します。必要に応じてピンセットでプローブを静かに操作します。

プローブ先端の磁気双極子の向きがサンプルに対して垂直になるように、強力な永久磁石を使用してプローブを垂直に2〜5秒間磁化します。AFMエンクロージャーに触れて静電気の蓄積を放電するように注意しながら、AFMヘッドを慎重に取り外します。プローブホルダーの穴をヘッドのコンタクトピンに合わせ、プローブとプローブホルダーを取り付けます。

ヘッドをAFMに再度取り付け、所定の位置に固定します。レーザーをMFMプローブカンチレバーの中心と位置感度検出器に合わせます。最適な感度を得るには、カンチレバーの背面にあるレーザーを、カンチレバーの遠位端からの先端セットバックに対応する位置に合わせます。

PSDの合計信号を最大化し、左右および上下のたわみを最小限に抑えて、反射レーザービームを検出器の中央に配置します。サンプルをAFMチャック真空ポートの上に置きます。磁気サンプルホルダーは、サンプルに影響を与えたり、MFM測定に干渉したりする可能性があるため、使用しないでください。

チャックバキュームをオンにして、サンプルをAFMステージに固定します。AFM制御ソフトウェアに戻り、セットアップに移動して、選択したプローブタイプを選択します。カンチレバーに焦点を合わせ、光学顕微鏡ビュー内の十字線を合わせ、選択したプローブに基づく既知のチップセットバックを使用して、チップが配置されているMFMプローブカンチレバーの背面に配置されます。

「ナビゲート」(Naviv) ウィンドウを開き、対象領域が AFM 先端の真下になるように AFM ステージとサンプルを配置します。サンプル表面が光学ビューで焦点が合うまでAFMヘッドを下げます。セットアップに戻り、[手動チューニング]を選択し、選択したプローブの予想される共振周波数にまたがるように選択した領域全体でディザピエゾ駆動周波数をスイープする開始周波数と終了周波数を選択して、カンチレバーチューンを実行します。

駆動周波数オフセットとターゲット振幅を選択します。次に、カンチレバーを調整し、目的の振幅設定値を設定します。サンプル表面にかみ合い、サンプルと目的の機能に応じて目的のスキャンサイズを設定します。

高さセンサーチャネルで互いに追跡できないトレースラインとリトレースラインによって見られるように、チップがサンプル表面との接触を失うまで、振幅設定値を1〜2ナノメートル刻みで増やします。次に、振幅設定値を2〜4ナノメートル減らして、チップがサンプル表面にちょうど接触するようにします。比例ゲインと積分ゲインを調整して最適化し、フィードバックシステムがノイズを最小限に抑えながらサンプル表面のトポグラフィーを追跡するのに十分な高さになるようにします。

AFMトポグラフィイメージングパラメータが最適化されたら、表面から少し離れて、プローブチューニングメニューに戻ります。インターリーブリフトモードMFMラインの集録に使用する2番目のカンチレバーチューンを実行し、このチューンの結果を前のメインラインパラメータからリンク解除します。インターリーブリフトモードチューンで、ピークオフセットを0%に設定し、プローブの共振周波数にまたがる領域全体でドライ周波数を掃引する開始周波数と終了周波数を選択します。

インターリーブされたリフトモードのターゲット振幅を、メインラインのターゲット振幅よりわずかに小さく調整します。これにより、最適な横方向の解像度のために低いリフト高さを利用するときに、表面にぶつかることなく高感度のMFMイメージングが可能になります。カンチレバーチューンウィンドウを離れて、サーフェス上で再びかみ合います。

イメージングパラメータを最適化するには、最初のリフトスキャンの高さを25ナノメートルに設定してから、2〜5ナノメートルの増分で徐々に減らします。プローブが表面にぶつかり始めたら、すぐにスキャンの高さを上げてプローブの先端を保護し、地形的なアーチファクトの導入を防ぎます。インターリーブ駆動振幅がメインライン駆動振幅を超えるか、プローブが表面に接触し始めるまで、振動振幅の2〜5ナノメートルに対応する小さな増分で駆動振幅を増やします。

次に、駆動振幅をわずかに小さくして、MFM位相チャネルにスパイクが見られないようにします。地形アーチファクトのない高解像度のMFM画像が得られるまで、徐々に小さな増分で調整することにより、リフトスキャンの高さとドライブ振幅を繰り返し最適化し続けます。磁気力顕微鏡は、双子の境界を画像化し、加えられた磁場または力に応答してそれらの動きを追跡するために使用されます。

研磨された単結晶ニッケル-マンガン-ガリウムサンプルの磁気位相画像は、双子境界を横切る特徴的な階段磁気配向を示しています。サンプルの3Dトポグラフィの上に色付きのスキンとしてオーバーレイされた磁気位相画像は、トポグラフィーの特徴でスイッチングする磁区の長い方向を示しています。MFMの空間分解能と感度を最適化するには、不活性大気グローブボックス内で操作することでメリットが得られ、リフト高さの減少と駆動または振動振幅の増加のバランスをとる必要があります。

高分解能、高感度のMFMは、人工スピンアイス状態の基礎となる磁化配置を研究するために不可欠であり、急速に発展しているスピン波コンピューティングの分野を前進させる可能性もあります。