Оптимизация разрешения и чувствительности магнитно-силовой микроскопии для визуализации наноразмерных магнитных доменов

Магнитно-силовая микроскопия, или MFM, использует вертикально намагниченный атомно-силовой микроскопический зонд для измерения топографии образца и напряженности локального магнитного поля с наноразмерным разрешением. Балансируя уменьшающуюся высоту подъема с увеличением амплитуды привода или колебаний, можно оптимизировать пространственное разрешение и чувствительность MFM. Спин-волновые вычислительные приложения искусственных спиновых льдов основаны на знании текстур намагниченности наноэлементов, поскольку они определяют магнонический отклик.

MFM высокого разрешения позволяет идентифицировать ледяные состояния глобальной намагниченности. Продемонстрировать эту процедуру будет Оливия Мэрион, нынешний докторант в области материаловедения и инженерии в Государственном университете Бойсе, бывший исследователь AFM для моей лаборатории. Для начала откройте программное обеспечение управления AFM и выберите рабочую область MFM в категории и группе эксперимента «Режимы электрического магнитного подъема».

Установите зонд AFM с магнитным покрытием на соответствующий держатель зонда, осторожно поместив держатель зонда на монтажный блок, затем загрузив зонд на держатель зонда, выровняв зонд и закрепив его на месте подпружиненным зажимом. Убедитесь, что зонд расположен параллельно всем краям и не касается задней части канала держателя, осмотрев его под оптическим микроскопом. Осторожно манипулируйте зондом по мере необходимости с помощью пинцета.

Намагничьте зонд вертикально с помощью сильного постоянного магнита в течение 2-5 секунд, чтобы магнитная дипольная ориентация наконечника зонда была перпендикулярна образцу. Осторожно снимите головку AFM, заботясь о том, чтобы разрядить любое электростатическое накопление, коснувшись корпуса AFM. Установите зонд и держатель зонда, выровняв отверстия на держателе зонда с контактными штифтами на головке.

Переустановите головку на AFM и закрепите ее на месте. Выровняйте лазер по центру консольного зонда MFM и к позиционно-чувствительному детектору. Для оптимальной чувствительности выровняйте лазер на задней части консольного аппарата в месте, соответствующем откату наконечника от дистального конца консольного сустава.

Максимизируйте суммарный сигнал на PSD, минимизируя отклонения влево-вправо и вверх-вниз, чтобы центрировать отраженный лазерный луч на детекторе. Поместите образец на вакуумный порт патрона AFM. Избегайте использования магнитного держателя образца, так как это может повлиять на образец и/или помешать измерению MFM.

Включите вакуум патрона, чтобы закрепить образец на ступени AFM. Вернитесь к программному обеспечению управления AFM, перейдите в раздел Настройка и выберите выбранный тип зонда. Поместите консоль в фокус и выровняйте перекрестие в поле зрения оптического микроскопа, чтобы расположить его над задней частью консольного наконечника MFM, где расположен наконечник, используя известную ошибку наконечника на основе выбранного зонда.

Откройте окно Навигация и расположите этап AFM и образец так, чтобы интересующая область находилась непосредственно под наконечником AFM. Опустите головку AFM до тех пор, пока поверхность образца не попадет в фокус в оптическом виде. Вернитесь в раздел Настройка, выберите Ручная настройка и выполните консольную настройку, выбрав начальную и конечную частоты, которые будут охватывать частоту дизерного пьезопривода в области, выбранной для охвата ожидаемой резонансной частоты выбранного зонда.

Выберите смещение частоты привода и амплитуду цели. Затем настройте консоль и установите нужное заданное значение амплитуды. Воздействуйте на поверхность образца и установите желаемый размер сканирования в зависимости от образца и интересующих его особенностей.

Увеличивайте заданное значение амплитуды с шагом от одного до двух нанометров до тех пор, пока наконечник просто не потеряет контакт с поверхностью образца, как видно по линиям трассировки и прослеживания, не отслеживающим друг друга в канале датчика высоты. Затем уменьшите заданное значение амплитуды на два-четыре нанометра, чтобы наконечник просто соприкасался с поверхностью образца. Оптимизируйте пропорциональные и интегральные усиления, регулируя их так, чтобы они были достаточно высокими, чтобы заставить систему обратной связи отслеживать топографию поверхности образца при минимизации шума.

После того, как параметры топографии AFM будут оптимизированы, отойдите на небольшое расстояние от поверхности и вернитесь в меню настройки зонда. Выполните вторую консольную настройку, которая будет использоваться для получения чередующейся линии MFM режима подъема, убедившись, что результаты этой мелодии отсоединяются от предыдущих параметров основной линии. В параметре режима чередования подъема установите смещение пика равным 0%Выберите начальную и конечную частоты, которые будут охватывать сухую частоту по области, охватывающей резонансную частоту зонда.

Отрегулируйте амплитуду цели в режиме чередования подъема, чтобы она была немного меньше амплитуды основной цели. Это обеспечит высокую чувствительность MFM-визуализации без удара о поверхность при использовании низкой высоты подъема для оптимального бокового разрешения. Оставьте консольное окно настройки, чтобы снова включиться на поверхность.

Чтобы оптимизировать параметры изображения, установите начальную высоту сканирования подъема на 25 нанометров, а затем постепенно уменьшайте с шагом от двух до пяти нанометров. Как только зонд начнет просто ударяться о поверхность, немедленно увеличьте высоту сканирования, чтобы сохранить наконечник зонда и предотвратить введение топографических артефактов. Увеличивайте амплитуду привода небольшими шагами, соответствующими от двух до пяти нанометров в амплитуде колебаний, пока амплитуда межщелевого привода не превысит амплитуду магистрального привода или зонд не начнет контактировать с поверхностью.

Затем немного уменьшите амплитуду привода, чтобы в фазовом канале MFM не было видно всплесков. Продолжайте итеративно оптимизировать высоту сканирования лифта и амплитуду привода, регулируя постепенно уменьшающиеся приращения, пока не будет получено изображение MFM с высоким разрешением, свободное от топографических артефактов. Магнитно-силовая микроскопия используется для изображения двойных границ и отслеживания их движения в ответ на приложенное магнитное поле или силу.

Магнитно-фазовые изображения полированного монокристаллического никель-марганцево-галлиевого образца показывают характерную магнитную ориентацию лестницы через двойные границы. Магнитно-фазовое изображение, наложенное в виде цветной кожи поверх 3D-топографии образца, показывает длинное направление переключения магнитных доменов на топографических объектах. Оптимизация пространственного разрешения и чувствительности MFM выигрывает от работы в инертном атмосферном бардачке и требует балансировки уменьшающейся высоты подъема с увеличением привода или амплитуды колебаний.

Высокое разрешение, высокая чувствительность MFM имеет решающее значение для изучения базовых конфигураций намагниченности в состояниях искусственного спинового льда, а также может продвинуть быстро развивающуюся область спин-волновых вычислений.