Magnetische krachtmicroscopieresolutie en -gevoeligheid optimaliseren om magnetische domeinen op nanoschaal te visualiseren

Magnetic Force Microscopy, of MFM, maakt gebruik van een verticaal gemagnetiseerde atomaire krachtmicroscopiesonde om monstertopografie en lokale magnetische veldsterkte met nanoschaalresolutie te meten. Door de afnemende hefhoogte in evenwicht te brengen met de toenemende amplitude van de aandrijving of oscillatie, kunnen de ruimtelijke resolutie en gevoeligheid van MFM worden geoptimaliseerd. Spin-wave computing-toepassingen van kunstmatig spinijs vertrouwen op kennis van de magnetisatietexturen van nano-elementen terwijl ze de magnonische respons bepalen.

Hoge resolutie MFM maakt identificatie van ijzige wereldwijde magnetisatietoestanden mogelijk. De procedure wordt gedemonstreerd door Olivia Maryon, een huidige promovendus in materiaalkunde en engineering aan de Boise State University, een voormalige niet-gegradueerde AFM-onderzoeker voor mijn laboratorium. Open om te beginnen de AFM-besturingssoftware en selecteer de MFM-werkruimte onder de experimentcategorie en -groep Elektrische magnetische liftmodi.

Monteer een AFM-sonde met een magnetische coating op een geschikte sondehouder door de sondehouder voorzichtig op een montageblok te plaatsen, de sonde vervolgens op de sondehouder te laden, de sonde uit te lijnen en op zijn plaats te bevestigen met een veerbelaste clip. Zorg ervoor dat de sonde evenwijdig is aan alle randen en de achterkant van het kanaal van de houder niet raakt door deze onder een optische microscoop te inspecteren. Manipuleer de sonde voorzichtig als dat nodig is met een pincet.

Magnetiseer de sonde verticaal met behulp van een sterke, permanente magneet gedurende 2 tot 5 seconden, zodat de magnetische dipooloriëntatie van de sondepunt loodrecht op het monster staat. Verwijder de AFM-kop voorzichtig terwijl u ervoor zorgt dat eventuele elektrostatische opbouw wordt afgevoerd door de AFM-behuizing aan te raken. Installeer de sonde en sondehouder door de gaten op de sondehouder uit te lijnen met de contactpennen op de kop.

Installeer de kop opnieuw op de AFM en zet hem vast. Lijn de laser uit op het midden van de MFM-sonde cantilever en in de positiegevoelige detector. Voor een optimale gevoeligheid lijnt u de laser op de achterkant van de cantilever uit op de locatie die overeenkomt met de tipafvang van het distale uiteinde van de cantilever.

Maximaliseer het somsignaal op de PSD terwijl u de links-rechts en de up-down afbuigingen minimaliseert om de gereflecteerde laserstraal op de detector te centreren. Plaats het monster op de AFM-klauwplaatvacuümpoort. Vermijd het gebruik van een magnetische monsterhouder, omdat dit het monster kan beïnvloeden en/of de MFM-meting kan verstoren.

Schakel de klauwplaatvacuüm in om het monster aan de AFM-fase te bevestigen. Ga terug naar de AFM-besturingssoftware, ga naar Setup en selecteer het gekozen testtype. Breng de cantilever in focus en lijn het vizier uit binnen het optische microscoopbeeld om over de achterkant van de MFM-sonde cantilever te worden geplaatst waar de tip zich bevindt met behulp van de bekende tip-tegenslag op basis van de geselecteerde sonde.

Open het venster Navigeren en plaats de AFM-fase en -steekproef zo dat het interessegebied zich direct onder de AFM-tip bevindt. Laat de AFM-kop zakken totdat het monsteroppervlak in de optische weergave in beeld komt. Ga terug naar Setup, selecteer Manual Tune en voer een cantilever-tune uit door begin- en eindfrequenties te kiezen die de dither piëzo-aandrijffrequentie over een gebied vegen dat is gekozen om de verwachte resonantiefrequentie van de geselecteerde sonde te overspannen.

Kies een verschuiving van de frequentie van de aandrijving en de doelamplitude. Stem vervolgens de cantilever af en stel het gewenste amplitude-instelpunt in. Schakel in op het monsteroppervlak en stel de gewenste scangrootte in, afhankelijk van het monster en de interessante functies.

Verhoog het amplitude-setpoint in stappen van één tot twee nanometer totdat de tip gewoon het contact met het monsteroppervlak verliest, zoals te zien is aan de sporen en retrace-lijnen die elkaar niet volgen in het hoogtesensorkanaal. Verlaag vervolgens het Amplitude Setpoint met twee tot vier nanometer, zodat de punt net in contact komt met het monsteroppervlak. Optimaliseer de proportionele en integrale winsten door ze zo aan te passen dat ze hoog genoeg zijn om het feedbacksysteem te dwingen de topografie van het monsteroppervlak te volgen en tegelijkertijd ruis te minimaliseren.

Zodra de afm-topografiebeeldvormingsparameters zijn geoptimaliseerd, trekt u zich een korte afstand van het oppervlak terug en keert u terug naar het testafstemmingsmenu. Voer een tweede cantilever-tune uit die moet worden gebruikt om de interleaved liftmodus MFM-lijn te verkrijgen, waarbij u ervoor zorgt dat de resultaten van deze tune worden losgekoppeld van de vorige mainline-parameters. Stel in de interleaved liftmodus de piekverschuiving in op 0% Kies begin- en eindfrequenties die de droge frequentie over een gebied over de resonantiefrequentie van de sonde vegen.

Pas de interleaved lift mode doelamplitude aan om iets minder te zijn dan de mainline doelamplitude. Dit maakt MFM-beeldvorming met een hoge gevoeligheid mogelijk zonder het oppervlak te raken bij gebruik van lage hefhoogten voor een optimale laterale resolutie. Laat het uitkragingsvenster staan om opnieuw op het oppervlak te worden geactiveerd.

Om de beeldparameters te optimaliseren, stelt u de initiële Lift Scan Height in op 25 nanometer en neemt u vervolgens geleidelijk af in stappen van twee tot vijf nanometer. Zodra de sonde net het oppervlak begint te raken, verhoogt u onmiddellijk de scanhoogte om de sondepunt te behouden en de introductie van topografische artefacten te voorkomen. Verhoog de aandrijfamplitude in kleine stappen die overeenkomen met twee tot vijf nanometer in oscillatieamplitude totdat de interleave drive amplitude de amplitude van de hoofdlijnaandrijving overschrijdt of de sonde contact begint te maken met het oppervlak.

Verlaag vervolgens de amplitude van de aandrijving iets, zodat er geen pieken in het MFM-fasekanaal te zien zijn. Ga door met het iteratief optimaliseren van de liftscanhoogte en de amplitude van de aandrijving door deze in steeds kleinere stappen aan te passen totdat een MFM-afbeelding met hoge resolutie is verkregen die vrij is van topografische artefacten. Magnetische krachtmicroscopie wordt gebruikt om dubbele grenzen in beeld te brengen en hun beweging te volgen als reactie op een toegepast magnetisch veld of kracht.

De magnetische fasebeelden van het gepolijste, enkelkristal nikkel-mangaan-galliummonster tonen de karakteristieke trapvormige magnetische oriëntatie over de tweelinggrenzen. Het magnetische fasebeeld bedekt als een gekleurde huid bovenop de 3D-topografie van het monster toont de lange richting van de magnetische domeinen die schakelen bij de topografische kenmerken. Het optimaliseren van de ruimtelijke resolutie en gevoeligheid van MFM profiteert van het werken in een inert atmosferisch handschoenenkastje en vereist het balanceren van de afnemende hefhoogte tegen toenemende aandrijf- of oscillatieamplitude.

Hoge resolutie, hoge gevoeligheid MFM is cruciaal voor het bestuderen van de onderliggende magnetisatieconfiguraties in kunstmatige spinijsstatussen en kan ook het zich snel ontwikkelende veld van spin-wave computing bevorderen.