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

A Microscopia de Força Magnética, ou 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. Ao equilibrar a diminuição da altura de elevação com o aumento da amplitude de acionamento ou oscilação, a resolução espacial e a sensibilidade do MFM podem ser otimizadas. As aplicações de computação de ondas de spin de gelos de spin artificiais dependem do conhecimento das texturas de magnetização de nanoelementos à medida que determinam a resposta magnônica.

O MFM de alta resolução permite a identificação de estados de magnetização global gelados. Demonstrando o procedimento estará Olivia Maryon, uma atual estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais na Boise State University, ex-pesquisadora de graduação da AFM para o meu laboratório. Para começar, abra o software de controle AFM e selecione a área de trabalho MFM na categoria e grupo de experimentos Modos de elevação magnética elétrica.

Monte uma sonda AFM com um revestimento magnético em um suporte de sonda apropriado, colocando cuidadosamente o suporte da sonda em um bloco de montagem, carregando a sonda no suporte da sonda, alinhando a sonda e fixando-a no lugar com um clipe carregado por mola. Certifique-se de que a sonda esteja paralela a todas as bordas e não toque na parte de trás do canal do suporte, inspecionando-a sob um microscópio óptico. Manipule suavemente a sonda conforme necessário com um par de pinças.

Magnetize a sonda verticalmente usando um ímã forte e permanente por 2 a 5 segundos para que a orientação do dipolo magnético da ponta da sonda seja perpendicular à amostra. Remova cuidadosamente a cabeça AFM enquanto toma cuidado para descarregar qualquer acúmulo eletrostático tocando no gabinete AFM. Instale a sonda e o suporte da sonda alinhando os orifícios no suporte da sonda com os pinos de contato na cabeça.

Reinstale a cabeça no AFM e fixe-a no lugar. Alinhe o laser no centro do cantilever da sonda MFM e no detector sensível à posição. Para uma sensibilidade ideal, alinhe o laser na parte de trás do cantilever ao local correspondente ao recuo da ponta da extremidade distal do balanço.

Maximize o sinal de soma no PSD enquanto minimiza as deflexões esquerda-direita e cima-baixo para centralizar o feixe de laser refletido no detector. Coloque a amostra sobre a porta de vácuo do mandril AFM. Evite usar um suporte de amostra magnético, pois isso pode afetar a amostra e/ou interferir na medição do MFM.

Ligue o vácuo do mandril para fixar a amostra ao estágio AFM. Retorne ao software de controle AFM, vá para Configuração e selecione o tipo de sonda escolhido. Coloque o cantilever em foco e alinhe a mira dentro da visão do microscópio óptico para ser posicionada sobre a parte de trás do cantilever da sonda MFM, onde a ponta está localizada, usando o recuo da ponta conhecido com base na sonda selecionada.

Abra a janela Navegar e posicione o estágio e a amostra do AFM de modo que a região de interesse fique diretamente abaixo da ponta do AFM. Abaixe a cabeça do AFM até que a superfície da amostra entre em foco na visualização óptica. Volte para Configuração, selecione Sintonia manual e execute uma sintonia em balanço escolhendo as frequências de início e término que varrerão a frequência da unidade piezo de ponteira em uma região escolhida para abranger a frequência de ressonância esperada da sonda selecionada.

Escolha um deslocamento de frequência de acionamento e amplitude de destino. Em seguida, ajuste o cantilever e defina o ponto de ajuste de amplitude desejado. Envolva-se na superfície da amostra e defina o tamanho de digitalização desejado, dependendo da amostra e das características de interesse.

Aumente o Setpoint de Amplitude em incrementos de um a dois nanômetros até que a ponta apenas perca o contato com a superfície da amostra, como visto pelo traço e linhas de retraço que não conseguem rastrear umas às outras no canal do sensor de altura. Em seguida, diminua o Setpoint de Amplitude em dois a quatro nanômetros para que a ponta esteja apenas em contato com a superfície da amostra. Otimize os ganhos proporcionais e integrais ajustando-os para que sejam altos o suficiente para forçar o sistema de feedback a rastrear a topografia da superfície da amostra, minimizando o ruído.

Uma vez que os parâmetros de imagem de topografia AFM tenham sido otimizados, retire-se a uma curta distância da superfície e retorne ao menu de ajuste da sonda. Execute uma segunda sintonia em balanço a ser usada para adquirir a linha MFM do modo de elevação intercalada, certificando-se de desvincular os resultados dessa sintonia dos parâmetros anteriores da linha principal. Na sintonia do modo de elevação intercalada, defina o deslocamento de pico como 0%Escolha as frequências de início e término que varrerão a frequência seca em uma região que abrange a frequência de ressonância da sonda.

Ajuste a amplitude do alvo do modo de elevação intercalado para ser ligeiramente menor do que a amplitude do alvo da linha principal. Isso permitirá imagens MFM de alta sensibilidade sem atingir a superfície ao utilizar baixas alturas de elevação para uma resolução lateral ideal. Deixe a janela de sintonia do cantilever para voltar a engatar na superfície.

Para otimizar os parâmetros de imagem, defina a altura inicial da varredura de elevação para 25 nanômetros e, em seguida, diminua gradualmente os incrementos de dois a cinco nanômetros. Uma vez que a sonda começa a apenas atingir a superfície, aumente imediatamente a altura de varredura para preservar a ponta da sonda e evitar a introdução de artefatos topográficos. Aumente a amplitude da unidade em pequenos incrementos correspondentes a dois a cinco nanômetros em amplitude de oscilação até que a amplitude da unidade de intercalação exceda a amplitude da unidade da linha principal ou a sonda comece a entrar em contato com a superfície.

Em seguida, diminua ligeiramente a amplitude da unidade para que nenhum pico seja visto no canal de fase MFM. Continue otimizando iterativamente a altura de varredura de elevação e a amplitude da unidade, ajustando em incrementos progressivamente menores até que uma imagem MFM de alta resolução livre de artefatos topográficos seja obtida. A microscopia de força magnética é usada para visualizar limites gêmeos e rastrear seu movimento em resposta a um campo magnético ou força aplicada.

As imagens de fase magnética da amostra de níquel-manganês-gálio polido de cristal único mostram a orientação magnética característica da escada através dos limites gêmeos. A imagem de fase magnética sobreposta como uma pele colorida no topo da topografia 3D da amostra mostra a longa direção dos domínios magnéticos que alternam nas características topográficas. A otimização da resolução espacial e da sensibilidade do MFM se beneficia da operação em um porta-luvas atmosféricas inertes e requer o equilíbrio entre a diminuição da altura de elevação e o aumento da amplitude de acionamento ou oscilação.

O MFM de alta resolução e alta sensibilidade é crucial para estudar as configurações de magnetização subjacentes em status de gelo de spin artificial e também pode avançar o campo em rápido desenvolvimento da computação de ondas de spin.