Otimizando a resolução e a sensibilidade da microscopia de força magnética para visualizar domínios magnéticos em nanoescala

Summary

A microscopia de força magnética (MFM) emprega uma sonda de microscopia de força atômica magnetizada verticalmente para medir a topografia da amostra e a força do campo magnético local com resolução em nanoescala. A otimização da resolução espacial e da sensibilidade do MFM requer o equilíbrio entre a diminuição da altura de elevação e o aumento da amplitude de acionamento (oscilação) e se beneficia da operação em um porta-luvas de atmosfera inerte.

Abstract

A microscopia de força magnética (MFM) permite mapear campos magnéticos locais em uma superfície de amostra com resolução em nanoescala. Para realizar o MFM, uma sonda de microscopia de força atômica (AFM) cuja ponta foi magnetizada verticalmente (ou seja, perpendicular ao balanço da sonda) é oscilada a uma altura fixa acima da superfície da amostra. As mudanças resultantes na fase ou frequência de oscilação, que são proporcionais à magnitude e ao sinal do gradiente de força magnética vertical em cada local de pixel, são então rastreadas e mapeadas. Embora a resolução espacial e a sensibilidade da técnica aumentem com a diminuição da altura de elevação acima da superfície, esse caminho aparentemente simples para melhorar as imagens MFM é complicado por considerações como minimizar artefatos topográficos devido às forças de van der Waals de menor alcance, aumentar a amplitude de oscilação para melhorar ainda mais a sensibilidade e a presença de contaminantes superficiais (em particular água devido à umidade sob condições ambientais). Além disso, devido à orientação do momento de dipolo magnético da sonda, o MFM é intrinsecamente mais sensível a amostras com um vetor de magnetização fora do plano. Aqui, são relatadas imagens topográficas e de fase magnética de alta resolução de matrizes de spin-ice artificial de nanoímã único e bicomponente (ASI) obtidas em um porta-luvas de atmosfera inerte (argônio) com <0,1ppm O 2 e H₂ O. A otimização da altura de elevação e da amplitude de acionamento para alta resolução e sensibilidade, evitando simultaneamente a introdução de artefatos topográficos, e a detecção dos campos magnéticos perdidos que emanam de ambas as extremidades dos ímãs de barra em nanoescala (~ 250 nm de comprimento e <100 nm de largura) alinhados no plano da superfície da amostra ASI é mostrada. Da mesma forma, usando o exemplo de uma liga de memória de forma magnética Ni-Mn-Ga (MSMA), o MFM é demonstrado em uma atmosfera inerte com sensibilidade à fase magnética capaz de resolver uma série de domínios magnéticos adjacentes a cada ~ 200 nm de largura.

Introduction

A microscopia de força magnética (MFM), uma microscopia de sonda de varredura (SPM) derivada da microscopia de força atômica (AFM), permite a obtenção de imagens das forças magnéticas relativamente fracas, mas de longo alcance, experimentadas por uma ponta de sonda magnetizada à medida que viaja acima de uma superfície de amostra ^1,2,3,4,5. AFM é uma técnica de caracterização não destrutiva que emprega uma ponta em escala nanométrica no final de um cantilever maleável para mapear a topografia da superfície<....

Protocol

NOTA: Além do protocolo abaixo, um procedimento operacional padrão (SOP) detalhado e passo a passo do MFM, específico para o instrumento usado aqui e voltado para imagens gerais do MFM, está incluído como Arquivo Suplementar 1. Para complementar a parte de vídeo deste manuscrito, o SOP inclui imagens do suporte da sonda, magnetizador de ponta e procedimento de magnetização, configurações de software, etc.

1. Preparação e instalação da sonda MFM

1. Abra o software de controle AFM e selecione o espaço de trabalho MFM (consulte Tabela de materiais).
2. Monte uma sonda AFM com um ....

Results

Redes artificiais de gelo de spin (ASI)
Ices de spin artificiais são redes bidimensionais litograficamente definidas de nanoímãs interagindo. Eles exibem frustração pelo design (ou seja, a existência de muitos mínimos locais na paisagem energética)21,42,43. A imagem MFM de alta resolução para elucidar as configurações magnéticas e as interações entre os componentes da matriz oferece a oportunidade única de en.......

Discussion

A imagem MFM de alta resolução requer que uma varredura de topografia de alta resolução e alta fidelidade correspondente seja adquirida primeiro para cada linha. Essa topografia é tipicamente obtida por meio de contato intermitente ou modo de toque AFM, que emprega um sistema de feedback de modulação de amplitude para a topografia de amostra de imagem⁴⁷. A fidelidade da topografia pode ser otimizada ajustando o ponto de ajuste de amplitude do cantilever e os ganhos de feedback conforme descrito no.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Microscópio atômico	Bruker	Dimension Icon	Usa software de controle Nanoscope
Porta-luvas, atmosfera inerte	MBraun	LabMaster Pro MB200B + MB20G unidade de purificação de gás	Design personalizado (passagens elétricas estanques, isolamento de vibração, ruído acústico e minimização da corrente de ar, etc.) e profundidade para uso com Bruker Dimension Icon AFM, 3 luvas, atmosfera de argônio
Sonda MFM Bruker		MESP	k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 coercividade de Oe, 1 x 10-13 momento EMU. Uma versão aprimorada com especificações mais rígidas, o MESP-V2, já está disponível. Também usamos o MESP-RC da Bruker (frequência de ressonância 2x maior do que o MESP padrão, f0 = 150 kHz, com uma constante de mola nominal marginalmente mais rígida de 5 N/m) e outras variantes de MESP projetadas para momento baixo (0,3 x 10-13 EMU) ou alto (3 x 10-13 EMU) ( ou seja, MESP-LM ou MESP-HM, respectivamente) ou coercividade. Um pacote variado de 10 sondas contendo 4x variantes regulares de MESP, 3x MESP-LM e 3x MESP-HM está disponível na Bruker como MESPSP. Outros fornecedores também fabricam sondas MFM com especificações semelhantes ao MESP (por exemplo, PPP-MFMR da Nanosensors, também disponível em uma variedade de variantes, incluindo -LC para baixa coercividade, -LM para baixo momento e SSS para raio de ponta diminuído "super afiado"; MAGT da AppNano, disponível nas variantes de baixo momento [-LM] e alto momento [-HM]). Da mesma forma, a Team Nanotec oferece uma linha de sondas MFM de alta resolução (HR-MFM) com várias opções em termos de constante de mola cantilever e espessura de revestimento magnético.
Amostra de teste de MFM	Bruker	MFMSAMPLE	Seção de fita de gravação magnética montada em um disco de aço de 12 mm de diâmetro; útil para solucionar problemas e garantir que a sonda MFM seja magnetizada e funcione corretamente
Análise de Nanscope	Bruker	Versão 2.0	Pacote de software gratuito de processamento e análise de imagens AFM, mas proprietário, projetado para e limitado a Bruker AFMs; funcionalidade semelhante está disponível gratuitamente, pacotes de software de processamento e análise de imagem AFM independentes de plataforma, como Gwyddion, WSxM e outros
Suporte de sonda	Bruker	DAFMCH ou DCHNM	Específico para o AFM específico usado; DAFMCH é o suporte padrão da ponta de prova do modo do contato e da batida, apropriado para a maioria de aplicações de MFM, quando DCHNM for uma versão especial do não-ímã para a imagem latente particularmente sensível Bruker
	DMFM-START	da ponta de	"jogo do acionador de partida" projetado especificamente para o ícone AFM da dimensão; inclui 1 caixa de 10 pontas de prova de MESP (veja acima), um magnetizador da ponta de prova (alinhado verticalmente, ~2.000 Ímã Oe em um suporte projetado para acomodar o suporte da sonda DAFMCH ou DCHNM, acima) e uma amostra de fita magnética (MFMSAMPLE, acima)
Disco de amostra	Ted Pella	16218	número do produto é para disco de amostra de aço inoxidável de 15 mm de diâmetro. Também disponível em diâmetros de 6 mm, 10 mm, 12 mm e 20 mm a https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Microscópio eletrônico de varredura (SEM)	Parâmetros de SEM Zeiss Merlin	Gemini II	: tensão de aceleração de 5 keV, corrente de elétrons de 30 pA, distância de trabalho de 5 mm. Devido às características da rede ASI em escala nm, a abertura e o alinhamento da estigmatização foram ajustados antes da aquisição para produzir imagens de alta qualidade.