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

Mikroskopia sił magnetycznych (MFM) wykorzystuje pionowo namagnesowaną sondę mikroskopową sił atomowych do pomiaru topografii próbki i natężenia lokalnego pola magnetycznego z rozdzielczością w nanoskali. Równoważąc zmniejszającą się wysokość podnoszenia ze wzrostem amplitudy napędu lub oscylacji, można zoptymalizować rozdzielczość przestrzenną i czułość MFM. Zastosowania obliczeń fal spinowych sztucznych lodów spinowych opierają się na wiedzy o teksturach namagnesowania nanoelementów, które determinują odpowiedź magnoniczną.

MFM o wysokiej rozdzielczości umożliwia identyfikację lodowych globalnych stanów namagnesowania. Procedurę zademonstruje Olivia Maryon, obecna doktorantka w dziedzinie materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Stanowym w Boise, była badaczka AFM w moim laboratorium. Aby rozpocząć, otwórz oprogramowanie sterujące AFM i wybierz obszar roboczy MFM w kategorii i grupie eksperymentów Tryby elektrycznego podnoszenia magnetycznego.

Zamontuj sondę AFM z powłoką magnetyczną na odpowiednim uchwycie sondy, ostrożnie umieszczając uchwyt sondy na bloku montażowym, a następnie załaduj sondę na uchwyt sondy, wyrównując sondę i zabezpieczając ją na miejscu za pomocą zacisku sprężynowego. Upewnij się, że sonda jest równoległa do wszystkich krawędzi i nie dotyka tylnej części kanału uchwytu, sprawdzając ją pod mikroskopem optycznym. W razie potrzeby delikatnie manipuluj sondą za pomocą pęsety.

Namagnesuj sondę pionowo za pomocą silnego, trwałego magnesu przez 2 do 5 sekund, tak aby orientacja dipola magnetycznego końcówki sondy była prostopadła do próbki. Ostrożnie zdejmij głowicę AFM, uważając, aby rozładować wszelkie nagromadzone ładunki elektrostatyczne, dotykając obudowy AFM. Zamontuj sondę i uchwyt sondy, wyrównując otwory w uchwycie sondy ze stykami na głowicy.

Zamontuj ponownie głowicę na AFM i zabezpiecz ją na miejscu. Ustaw laser na środku wspornika sondy MFM i na detektorze czułym na położenie. Aby uzyskać optymalną czułość, ustaw laser z tyłu wspornika w miejscu odpowiadającym cofnięciu końcówki od dystalnego końca wspornika.

Zmaksymalizuj sumę sygnału na PSD, minimalizując odchylenia lewo-prawo i góra-dół, aby wyśrodkować odbitą wiązkę laserową na detektorze. Umieść próbkę nad portem próżniowym uchwytu AFM. Unikaj używania magnetycznego uchwytu na próbkę, ponieważ może to wpłynąć na próbkę i/lub zakłócić pomiar MFM.

Włącz podciśnienie w uchwycie wiertarskim, aby przymocować próbkę do stolika AFM. Wróć do oprogramowania sterującego AFM, przejdź do Setup (Konfiguracja) i wybierz wybrany typ sondy. Ustaw ostrość wspornika i wyrównaj krzyż nitkowy w widoku mikroskopu optycznego, aby umieścić go z tyłu wspornika sondy MFM, gdzie znajduje się końcówka, korzystając ze znanego cofnięcia końcówki na podstawie wybranej sondy.

Otwórz okno Nawigacja i ustaw stolik AFM i próbkę tak, aby obszar zainteresowania znajdował się bezpośrednio pod końcówką AFM. Opuść głowicę AFM, aż powierzchnia próbki stanie się ostra w widoku optycznym. Wróć do Setup, wybierz Manual Tune (Strojenie ręczne) i wykonaj strojenie wspornikowe, wybierając częstotliwości początkowe i końcowe, które przeciągną częstotliwość ditherowca piezoelektrycznego w obszarze wybranym tak, aby obejmowało oczekiwaną częstotliwość rezonansową wybranej sondy.

Wybierz przesunięcie częstotliwości sterowania i amplitudę docelową. Następnie dostrój wspornik i ustaw żądaną nastawę amplitudy. Włącz się w powierzchnię próbki i ustaw żądany rozmiar skanowania w zależności od próbki i interesujących Cię cech.

Zwiększaj nastawę amplitudy w krokach co jeden do dwóch nanometrów, aż końcówka po prostu straci kontakt z powierzchnią próbki, co widać na linii śladu i śladu, które nie śledzą się nawzajem w kanale czujnika wysokości. Następnie zmniejsz nastawę amplitudy o dwa do czterech nanometrów, tak aby końcówka stykała się z powierzchnią próbki. Zoptymalizuj wzmocnienia proporcjonalne i całkowe, dostosowując je tak, aby były wystarczająco wysokie, aby zmusić system sprzężenia zwrotnego do śledzenia topografii powierzchni próbki przy jednoczesnej minimalizacji szumów.

Po zoptymalizowaniu parametrów obrazowania topografii AFM wycofaj się na niewielką odległość od powierzchni i wróć do menu strojenia sondy. Wykonaj drugą regulację wspornika, która ma być użyta do uzyskania linii MFM w trybie podnoszenia z przeplotem, upewniając się, że wyniki tej regulacji są odłączone od poprzednich parametrów linii głównej. W strojeniu w trybie podnoszenia z przeplotem ustaw przesunięcie szczytu na 0%Wybierz częstotliwości początkowe i końcowe, które będą przeciągnąć suchą częstotliwość przez obszar obejmujący częstotliwość rezonansową sondy.

Dostosuj amplitudę docelową w trybie podnoszenia z przeplotem tak, aby była nieco mniejsza niż amplituda celu linii głównej. Umożliwi to obrazowanie MFM o wysokiej czułości bez uderzania w powierzchnię przy wykorzystaniu niskich wysokości podnoszenia w celu uzyskania optymalnej rozdzielczości bocznej. Pozostaw okno strojenia wspornika, aby ponownie zatrzasnąć się na powierzchni.

Aby zoptymalizować parametry obrazowania, ustaw początkową wysokość skanowania podnoszenia na 25 nanometrów, a następnie stopniowo zmniejszaj w krokach od dwóch do pięciu nanometrów. Gdy sonda zacznie po prostu uderzać w powierzchnię, natychmiast zwiększ wysokość skanowania, aby zachować końcówkę sondy i zapobiec wprowadzeniu artefaktów topograficznych. Zwiększaj amplitudę napędu małymi krokami odpowiadającymi dwóm do pięciu nanometrom amplitudy oscylacji, aż amplituda napędu z przeplotem przekroczy amplitudę napędu głównego lub sonda zacznie stykać się z powierzchnią.

Następnie nieznacznie zmniejsz amplitudę napędu, aby nie było widać skoków w kanale fazowym MFM. Kontynuuj iteracyjną optymalizację wysokości skanowania podnoszenia i amplitudy napędu, dostosowując się w coraz mniejszych krokach, aż do uzyskania obrazu MFM o wysokiej rozdzielczości wolnego od artefaktów topograficznych. Mikroskopia sił magnetycznych służy do obrazowania granic bliźniąt i śledzenia ich ruchu w odpowiedzi na przyłożone pole magnetyczne lub siłę.

Obrazy fazy magnetycznej wypolerowanej, monokrystalicznej próbki niklowo-manganowo-galowej pokazują charakterystyczną orientację magnetyczną schodków wzdłuż bliźniaczych granic. Obraz fazy magnetycznej nałożony jako kolorowa powłoka na topografię 3D próbki pokazuje długi kierunek przełączania domen magnetycznych na cechy topograficzne. Optymalizacja rozdzielczości przestrzennej i czułości MFM przynosi korzyści podczas pracy w obojętnej komorze rękawicowej i wymaga zrównoważenia malejącej wysokości podnoszenia ze wzrostem amplitudy napędu lub oscylacji.

MFM o wysokiej rozdzielczości i czułości ma kluczowe znaczenie dla badania podstawowych konfiguracji namagnesowania w stanach sztucznego lodu spinowego, a także może przyczynić się do rozwoju szybko rozwijającej się dziedziny obliczeń fal spinowych.