Optymalizacja rozdzielczości i czułości mikroskopii sił magnetycznych w celu wizualizacji domen magnetycznych w nanoskali

Summary

Mikroskopia siły magnetycznej (MFM) wykorzystuje pionowo namagnesowaną sondę mikroskopową sił atomowych do pomiaru topografii próbki i lokalnego natężenia pola magnetycznego z rozdzielczością nanoskali. Optymalizacja rozdzielczości przestrzennej i czułości MFM wymaga zrównoważenia zmniejszającej się wysokości podnoszenia ze zwiększającą się amplitudą napędu (oscylacji) i korzyści płynących z pracy w komorze rękawicowej w atmosferze obojętnej.

Abstract

Mikroskopia siły magnetycznej (MFM) umożliwia mapowanie lokalnych pól magnetycznych na powierzchni próbki z rozdzielczością nanoskali. Aby wykonać MFM, sonda mikroskopii sił atomowych (AFM), której końcówka została namagnesowana pionowo (tj. prostopadle do wspornika sondy) jest oscylowana na ustalonej wysokości nad powierzchnią próbki. Wynikowe przesunięcia w fazie lub częstotliwości oscylacji, które są proporcjonalne do wielkości i znaku pionowego gradientu siły magnetycznej w każdym miejscu piksela, są następnie śledzone i mapowane. Chociaż rozdzielczość przestrzenna i czułość tej techniki wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wysokości podnoszenia nad powierzchnią, ta pozornie prosta droga do ulepszonych obrazów MFM jest skomplikowana przez takie względy, jak minimalizacja artefaktów topograficznych ze względu na siły van der Waalsa o krótszym zasięgu, zwiększenie amplitudy oscylacji w celu dalszej poprawy czułości oraz obecność zanieczyszczeń powierzchniowych (w szczególności wody spowodowanej wilgocią w warunkach otoczenia). Ponadto, ze względu na orientację magnetycznego momentu dipolowego sondy, MFM jest z natury bardziej wrażliwy na próbki z wektorem namagnesowania poza płaszczyzną. W tym artykule przedstawiono wysokorozdzielcze obrazy topograficzne i fazowe pojedynczych i dwuskładnikowych nanomagnesów ze sztucznego lodu spinowego (ASI) uzyskanych w komorze rękawicowej z obojętną (argonem) o stężeniach <0,1 ppm_O2 i_H2O. Omówiono optymalizację wysokości podnoszenia i amplitudy napędu w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości i czułości przy jednoczesnym uniknięciu wprowadzania artefaktów topograficznych, a także pokazano wykrywanie błądzących pól magnetycznych emanujących z obu końców nanoskalowych magnesów sztabkowych (~250 nm długości i <100 nm szerokości) ustawionych w płaszczyźnie powierzchni próbki ASI. Podobnie, na przykładzie stopu Ni-Mn-Ga z magnetyczną pamięcią kształtu (MSMA), MFM demonstruje się w obojętnej atmosferze z magnetyczną czułością fazową zdolną do rozdzielenia szeregu sąsiednich domen magnetycznych o szerokości ~200 nm każda.

Introduction

Mikroskopia sił magnetycznych (MFM), mikroskopia z sondą skanującą (SPM), pochodna mikroskopii sił atomowych (AFM), umożliwia obrazowanie stosunkowo słabych, ale dalekiego zasięgu sił magnetycznych doświadczanych przez namagnesowaną końcówkę sondy, gdy przemieszcza się nad powierzchnią próbki1^,2,3,4,5. AFM to nieniszcząca technika charakteryzacji, która wykorzystuje końcówkę w skali nanometrowej na końcu giętkiego wspornika do mapowania topografii powierzchni⁶, a także pomiaru właści....

Protocol

UWAGA: Oprócz poniższego protokołu, szczegółowa standardowa procedura operacyjna MFM (SOP) krok po kroku, specyficzna dla używanego tutaj instrumentu i ukierunkowana na ogólne obrazowanie MFM, jest dołączona jako Plik Uzupełniający 1. Aby uzupełnić część wideo tego manuskryptu, SOP zawiera zdjęcia uchwytu sondy, magnetyzera końcówki i procedury magnesowania, ustawień oprogramowania itp.

1. Przygotowanie i instalacja sondy MFM

1. Otwórz oprogramowanie sterujące AFM i wybierz obszar roboczy MFM (patrz Tabela materiałów).
2. Zamontuj sondę AFM z powłoką magnetyczną (np. Co-Cr, ....

Results

Sztuczne kraty z lodu spinowego (ASI)
Sztuczne lody spinowe to litograficznie zdefiniowane dwuwymiarowe sieci oddziałujących ze sobą nanomagnesów. Wykazują frustrację z założenia (tj. istnienie wielu lokalnych minimów w krajobrazie energetycznym)^21,42,43. Obrazowanie MFM o wysokiej rozdzielczości w celu wyjaśnienia konfiguracji magnetycznych i interakcji między komponentami matrycy daje unikalną okazję do le.......

Discussion

Obrazowanie MFM o wysokiej rozdzielczości wymaga uprzedniego uzyskania odpowiedniego skanu topografii o wysokiej rozdzielczości i wysokiej wierności dla każdej linii. Ten skan topograficzny jest zwykle uzyskiwany za pomocą przerywanego kontaktu lub trybu stukania AFM, który wykorzystuje system sprzężenia zwrotnego modulacji amplitudy do obrazowania topografii próbki⁴⁷. Wierność skanowania topografii można zoptymalizować, dostosowując nastawę amplitudy wspornika i wzmocnienia sprzężenia zwrotnego, .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Mikroskop sił atomowych	Bruker	Dimension Icon	Wykorzystuje oprogramowanie sterujące Nanoscope
Komora rękawicowa, atmosfera obojętna	MBraun	LabMaster Pro MB200B + jednostka oczyszczania gazu MB20G	Niestandardowa konstrukcja (szczelne przepusty elektryczne, izolacja drgań, minimalizacja hałasu akustycznego i prądu powietrza itp.) i głębokość do użytku z Bruker Dimension Icon AFM, 3 rękawice,
sonda MFM	Bruker	MESP	k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 Oe koercja, 1 x 10-13 moment EMU. Ulepszona wersja o bardziej rygorystycznych specyfikacjach, MESP-V2, jest już dostępna. Zastosowaliśmy również MESP-RC firmy Bruker (2x wyższa częstotliwość rezonansowa niż standardowy MESP, f0 = 150 kHz, z nieznacznie sztywniejszą nominalną stałą sprężystości 5 N/m) oraz inne warianty MESP przeznaczone do niskiego (0,3 x 10-13 EMU) lub wysokiego (3 x 10-13 EMU) momentu ( tj. odpowiednio MESP-LM lub MESP-HM) lub przymusu. Różnorodny pakiet 10 sond zawierających 4 warianty zwykłe MESP, 3 warianty MESP-LM i 3 warianty MESP-HM jest dostępny w firmie Bruker jako MESPSP. Inni dostawcy również produkują sondy MFM o specyfikacjach podobnych do MESP (np. PPP-MFMR firmy Nanosensors, dostępne również w różnych wariantach, w tym -LC dla niskiej koercji, -LM dla niskiego momentu i SSS dla "super ostrego" zmniejszonego promienia końcówki; MAGT firmy AppNano, dostępny w wariantach o niskim momencie [-LM] i wysokim momencie [-HM]) Podobnie, Team Nanotec oferuje linię sond MFM o wysokiej rozdzielczości (HR-MFM) z kilkoma opcjami pod względem stałej sprężyny wspornikowej i grubości powłoki magnetycznej.
Próbka testowa MFM	Bruker	MFMSAMPLE	Sekcja magnetycznej taśmy rejestrującej zamontowana na stalowym krążku o średnicy 12 mm; przydatna do rozwiązywania problemów i upewnienia się, że sonda MFM jest namagnesowana i działa prawidłowo
Nanscope Analysis	Bruker	Version 2.0	Darmowy pakiet oprogramowania do przetwarzania i analizy obrazu AFM, ale zastrzeżony, zaprojektowany i ograniczony do AFM Bruker; podobna funkcjonalność jest dostępna za darmo, niezależne od platformy pakiety oprogramowania do przetwarzania i analizy obrazu AFM, takie jak Gwyddion, WSxM i inne
Uchwyt sondy	Bruker	DAFMCH lub DCHNM	Specyficzny dla konkretnego zastosowanego AFM; DAFMCH to standardowy uchwyt sondy stykowej i stukającej, odpowiedni do większości zastosowań MFM, podczas gdy DCHNM to specjalna wersja bez magnesu do szczególnie czułego obrazowania MFM
Magnetyzator sondy	Bruker	DMFM-START	MFM "zestaw startowy" zaprojektowany specjalnie dla Dimension Icon AFM; zawiera 1 pudełko z 10 sondami MESP (patrz wyżej), magnesator sondy (ustawiony pionowo, ~2,000 Oe magnes w uchwycie zaprojektowanym tak, aby pomieścić uchwyt sondy DAFMCH lub DCHNM, powyżej) oraz próbkę taśmy magnetycznej (MFMSAMPLE, powyżej)
Sample Puck	Ted Pella	16218	Numer produktu dotyczy krążka na próbkę ze stali nierdzewnej o średnicy 15 mm. Dostępne również w średnicach 6 mm, 10 mm, 12 mm i 20 mm w https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)	Zeiss Merlin	Gemini II	: napięcie przyspieszenia 5 keV, prąd elektronowy 30 pA, odległość robocza 5 mm. Ze względu na cechy siatki ASI w skali nm, wyrównanie apertury i stygmatyzacji zostało dostosowane przed akwizycją, aby uzyskać obrazy o wysokiej jakości.