Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ייצור של Nanostructures מגנטית על ממברנות הסיליקון ניטריד ללימודי מערבולת מגנטי באמצעות טכניקות במיקרוסקופ שידור

Published: July 2, 2018 doi: 10.3791/57817
Automatic Translation
1, 1, 1
1CEITEC BUT, Brno University of Technology

Summary

פרוטוקול להרכבת מיקרו מגנטי - ו nanostructures עם תצורות ספין ויוצרים מתאים במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) ולימודי מיקרוסקופ (MTXM) רנטגן תמסורת מגנטית מגנטי מערבולות מוצג.

Abstract

Microscopies מגנטי אלקטרונים ורנטגן לאפשר הדמיה מגנטית ברזולוציה גבוהה עד עשרות ננומטר. עם זאת, הדגימות צריכים להיות מוכנים על קרום שקוף אשר הם שבירים מאוד קשה לתמרן. אנו מציגים תהליכים על הזיוף של דגימות עם מיקרו מגנטי, nanostructures עם תצורות ספין ויוצרים מתאים במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים לורנץ, תמסורת מגנטית רנטגן מיקרוסקופ מחקרים מגנטי מערבולות. הדגימות הינן מוכנות על ממברנות הסיליקון ניטריד ואת הזיוף מורכב ספין ציפוי, UV, קרינה לליטוגרפיה, פיתוח כימי להתנגד, אידוי חומר מגנטי ואחריו תהליך ההמראה ויוצרים מבנים מגנטי הסופי. הדגימות במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים לורנץ מורכב מגנטי nanodiscs מוכן בשלב ליתוגרפיה יחיד. הדגימות עבור מיקרוסקופ שידור רנטגן מגנטיים משמשים לניסויים דינאמיים זמן לפתור מגנוט, nanodiscs מגנטי מוצבים גלבו המשמש הדור של השדה המגנטי הדיר פולסים על-ידי העברת חשמלי זרם דרך גלבו. גלבו נוצר בשלב הדפס אבן נוספת.

Introduction

המגנטיות של nanostructures נחקרה באופן אינטנסיבי בשני העשורים האחרונים בעקבות מגמות טכנולוגיות לקראת המזעור. כל הממדים לרוחב של המבנים הופכות לקטנות יותר, קטן יותר, תכונות מגנטיות של מבנים פרומגנטי ולהתחיל להיות נשלטת על ידי הצורה הגיאומטרית מבנה בנוסף לתכונות של חומר מגנטי. ההתנהגות של רכיבים מגנטיים שונים של חומרי תפזורת כדי מזערים נצפה פרטים (למשל, על ידי הובר בישיבתו)1. אחת הדוגמאות הידועה ביותר של מצב הקרקע מגנוט לא טריוויאלי הוא מגנטי מבנים מגנוט של מערבולות-קרלינג, המתרחשים מיקרון, כחיוניים-בגודל דיסקים מגנטי דק ומצולעים. מגנוט כאן כרוך סביב בתוך המטוס סביב out-של-plane מערבולת core2,3. היפוך מגנוט של מערבולות מגנטיות נחקרה בהרחבה סטטי4,5,6 והן דינמי7,-8,-9,-10 משטרים. היישומים האפשריים של מערבולות מגנטיות הם, למשל, זיכרון רב יותר תאים11, מעגלים לוגיים12, מכשירי תדר רדיו13או פולטים גלי ספין-14.

כדי בתמונה מערבולת מגנטי במיוחד ליבת מערבולת, הרזולוציה המרחבית של הטכניקה מיקרוסקופ צריך להיות קרוב ככל האפשר כדי היסוד פיסיקליות מגנטי (להלן 10 ננומטר). לורנץ הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים15 (ז) ו תמסורת מגנטית רנטגן מיקרוסקופ16 (MTXM) הם מועמדים אידיאליים עבור ההדמיה של מערבולות מגנטיות כפי שהם מציעים רזולוציה מרחבית גבוהה וגם MTXM מציע גבוה טמפורלית רזולוציה ללימודי dynamics מגנוט. החיסרון של טכניקות אלה הוא הכנת הדוגמא מסובך, וזה הנושא של העיתון שהוצגו.

התהליכים שהוצגו כאן להסביר את הזיוף של דגימות המשמש הדמיה מגנטית מערבולות TEM17 ו- MTXM10,11. בשתי הטכניקות הם אופי השידור, בגלל זה, זה הכרחי כדי לפברק את המבנים על קרום דק. הקרומים עשויים בדרך כלל מ סיליקון ניטריד וטווחים שלהם עובי עשרות ננומטר כמה מאות ננומטר. כל השיטות האלה שני דורשת של הגיאומטריה מסגרת תמיכה שונים. במקרה של MTXM, המסגרת נמצאת 5 x 5 מ מ2 , החלון גדול, 2 x 2 מ מ2. במקרה של TEM, הגיאומטריה מסגרת הוא מעגל של 3 מ מ קוטר עם גודל החלון תלוי הניסוי, בדרך כלל 250 x 250 מיקרומטר2. הממברנות להביא אתגרים נוספים של טיפול מדגם קשה יותר עם הסיכון של שבירת החלונות במהלך כל התהליכים ליתוגרפיה.

הזיוף של דגימות יכול להיעשות על ידי חיוביות ושליליות להתנגד טכניקות הדפס אבן18. התהליך ליתוגרפיה להתנגד חיובי משתמש להתנגד חיובי; המבנה הכימי של השינויים להתנגד על הקרנה, החלק החשוף יהפוך מסיס היזם כימי. באזור החשוף ישטוף בעוד אזור שלא נחשפו יישאר על המצע. במקרה של תהליך ליתוגרפיה להתנגד שלילי, ההקרנות מתקשה להתנגד את, באזור החשוף יישאר על המצע בעוד אזור שלא נחשפו ישטוף במפתח כימי. ניתן להשתמש בשתי הטכניקות הזיוף של הדגימות, אבל אנחנו מעדיפים ליתוגרפיה להתנגד חיובי כי זה דורש פחות שלבים פבריקציה נוספת בהשוואה השלילי להתנגד טכניקת הדפס אבן. זה גם הרבה יותר קל לטפל, מהירה, לעיתים קרובות מספק תוצאות טובות יותר.

Protocol

נדגים שיטה הזיוף של דגימות עבור TEM ו- MTXM. Nanodiscs permalloy עם קטרים החל 250-4000 nm ו עוביים בין 20-100 ננומטר מיוצרים על 30 ננומטר בעובי החטא ממברנות עבור TEM וממברנות 200 ננומטר בעובי החטא עבור MTXM. תמונות של הממברנות חטא מוצגים באיור1.

Figure 1
איור 1 : צילום של ממברנות חטא משמש מצע MTXM (משמאל) ודוגמאות (מימין) TEM. התמונה מציגה השוואה גודל לשליט. המסגרת MTXM זה הוא מלבן 5 x 5 מ מ עובי חלון של 200 ננומטר, המסגרת TEM מתאים עיגול 3 מ מ קוטר עם עובי חלון של 30 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

1. ייצור של הדגימות עבור TEM

הערה: בחלק זה, אנו מתארים הזיוף של הדגימות עבור TEM המשמש התצפית של התהליך התגרענות של מערבולות מגנטיות17. הממברנות נבחרים בשם דיאלקטריים בגלל שהם מציעים משענת איתנה הזיוף lithographical של מבנים מגנטי. פרמטר חשוב הוא עובי חלון ממברנה. האצת מתח גבוה מאפשר חדירה דגימות עבה יותר, אך בכל עובי מיותרים תגרום לאובדן של האות19. מסיבה זו, אנו משתמשים בקרום דק ביותר הזמינים של הספק שלנו (30 ננומטר).

  1. הכנת הרקע וציפוי ספין
    הערה: ציפוי ספין הוא תהליך נפוץ להשיג את הרצוי להתנגד הסרט על המצע. כמות קטנה של להתנגד מתבטלת על המצע אשר ואז מסובבים במהירות גבוהה מאוד כדי לקבל את עובי ציפוי הרצוי. הציפוי ספין של ממברנות TEM מוזר למדי עקב הסיבות הבאות: (i) אם הקרום טווים בציר של coater ספין, להתנגד לא יהיו אחידים עקב קוטר קטן של הקרום, אין אפשרות להשתמש מחזיקי ואקום (ii) מכיוון שהם יכולים, לשבור הקרום. למטרה זו, תיכננו מתאמי מודפס 3D (ראה איור 2) להחזיק את קרום מהציר, אינם דורשים ואקום כדי להחזיק את הדגימה.
    1. Prebake את הקרומים חטא על פלטה חמה ב- 180 מעלות למשך 15 דקות להסרת לחות.
    2. מוסיף מתאם על גבי ספין coater וממקם ואז ממברנות מתאם.
    3. ספין המעיל 950 K PMMA (פולי-יי-חומצתי) להתנגד ב-3000 סל ד עבור 1 דקות לייצר עובי הסרט של 200 ננומטר.
    4. פוסט-אופים את הדוגמאות על הכיריים ב 180 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות להקשיח את השכבה PMMA.

Figure 2
איור 2 : תצלום של תלת-ממד מודפס מתאם, נהגנו להחזיק את TEM ממברנה מהציר במהלך הציפוי ספין- יכול להיות מצופה ממברנות מרובים בו זמנית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. ליתוגרפיה קרינה (EBL)
    1. לצייר את התבנית הרצויה של דיסקים בתבנית מערכת מסד נתונים גרפיים (GDS) ולהעלות את זה למערכת ליתוגרפיה קרינה (e-קרן).
    2. לטעון את הדגימות לתוך מערכת סופר e-קרן, את הבמה, קרן.
    3. לחשוף את האזור בדיסק מנה אלקטרונים של µC/ס מ 2602 -קרן האנרגיה של 20 קוו.
      הערה: הפרמטרים המתאימים של תהליך תערוכות הם זרם קרן של הרשות הפלסטינית 250 וגודל שלב 10 ננומטר. מינון זה הוא כ-30% גבוה יותר בהשוואה לרשימת תפוצה סובסטרטים כמו backscattering מצטמצם מאוד על הממברנות.
  2. פיתוח כימי
    1. לאחר החשיפה, לפתח את דוגמאות מתיל איזובוטיל קטון (MIBK)-מפתח מבוסס על 2 דק להפסיק את הפיתוח באמצעות אלכוהול איזופרופיל (IPA) עבור 30 s.
    2. לשטוף כל מדגם במים יונים למשך 30 s, מייבשת אותו באמצעות חנקן תוך החזקת עם פינצטה.
    3. בדוק התפתחות הדגימות נעזרת במיקרוסקופ אופטי בהגדלה נמוכה קודם (באמצעות מטרה X 5) ולאחר מכן בהגדלה גדולה (באמצעות מטרה X 100); התמונה במיקרוסקופ אופטי של מדגם מפותחת מוצג באיור3.
  3. קרינה אידוי
    הערה: קרינה אידוי20 היא צורה של תצהיר אדים הפיזי שבו אנודת היעד הוא מופגז עם אנרגיה גבוהה אלקטרון-קרן המיוצר על ידי נימה טונגסטן טעון תחת ואקום גבוה. קרינה גורמת לאטומים מן המטרה להפוך את שלב גז. אטומים אלו לזרז לצורה מוצקה, מעיל הכל בבית הבליעה ואקום עם שכבה דקה של החומר היעד. עדיף להשתמש מערכת אידוי e-קרן למטרה ההמראה כפי שהוא נותן יתרון יפה בדיסק ללא הפקדת חומר נוסף על גבול דיסק.
    1. להקליט את הקרומים בזהירות בעזרת פולי-oxydiphenylene-pyromellitimide (למשל, קפטון) על גבי המחזיק ולהעביר אותו לתוך התא התצהיר של המאייד e-קרן באמצעות מנעול עומס.
    2. להשתמש במערכת אידוי קרינה להפקיד שכבה דקה של permalloy (Ni80Fe20) עם עוביים הנעים בין 20 ל- 100 ננומטר בקצב התצהיר של 1 Aͦ/s. להשתמש את מתח ההאצה של 8 kV ושגרו זרם של כ-120 mA.
  4. ההמראה
    1. מכניסים את ממברנות 1 h גביע עם אצטון (לפחות 99.5% טוהר).
    2. עכשיו לרסס את הקרומים עם אצטון תוך החזקת כל אחד עם פינצטה עד המתכת עודף יוסר.
    3. אם המתכת עודף נשאר על הדגימה, למקם את הקרומים בחזרה. הספל וחזור על התהליך.
      הערה: לחלופין, אמבט megasonic יכול לשמש כדי לסייע בהליך ההמראה. שימו לב כי לא ניתן להשתמש באמבט אולטראסוני הקלאסית כפי נשבר בקרום.
    4. תמונה המערך הסופי של הדיסקים מגנטי עם מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM)-המתח מאיץ של 5 kV, זרם קרן של 100 הרשות לביקורת סופית. תמונה של ההגדלה של 100,000 X מוצג באיור 3b.
  5. ז הדמיה
    1. בעיא המדגם בעל מדגם TEM והוספתו לתוך המיקרוסקופ.
    2. לתקן את גובה מדגם וליישר המיקרוסקופ במצב לורנץ על המתח מאיץ הרצוי (במקרה שלנו 300 kV) באמצעות ההליכים סטנדרטי של המיקרוסקופ.
    3. הצג את האות מגנטי על-ידי defocusing העדשה לורנץ.
    4. להמשיך את הניסוי. להטות את הדגימה כדי להציג את הרכיב שדה בתוך המטוס (למשל, בזווית מתאימה הוא 30 °, לבדוק את המפרט למחזיק לזווית הטיה המרבי).
    5. החל השדה המגנטי על ידי מרגש את העדשה אובייקטיבי (המבוטלת בדרך כלל במצב לורנץ).
      הערה: עקומת כיול שדה צריך להינתן על ידי היצרן TEM.
    6. להרוות את הדגימה, בהדרגה ירידה השדה המגנטי של deexciting העדשה אובייקטיבי, ללכוד את התמונות במצלמה. דוגמה התוצאות מוצגים באיור 3 ג.

Figure 3
איור 3 : מדגם הסופי עם תמונה מאת אופטי ואלקטרון microscopies. () לוח זה מציג את החלון ממברנה ניטריד סיליקון עם מערכי דיסקים להתנגד לאחר ההתפתחות והחשיפה להתנגד קרינה. (b) לוח זה מציג את המערך הסופי של הדיסקים מגנטי עם תמונה על ידי ב- SEM (c) לוח זה מראה את התמונה ז של המדינות התגרענות מערבולות מגנטיות מערך nanodiscs מגנטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

2. ייצור של הדגימות עבור MTXM

הערה: במדידות MTXM, אנחנו יכולים לנצל הטכניקה של הזמן לפתרון. הפרוגרמה של עירור בתדירות גבוהה של מערבולות מגנטיות, להמציא גלבו זהב בשלב הראשון ולאחר מכן מקם דיסקים מגנטי על גבי גלבו בשלב ליתוגרפיה השני. המבנה כולו מפוברק על 200 ננומטר בעובי החטא קרום וזה מספיק שקופה עבור צילומי רנטגן רך21. השלבים המפורטים מתוארים בטקסט הבא, התרשים של התהליך מוצג באיור4. התהליך של הזיוף מדגם MTXM עובר דרך כל השלבים שתוארו לעיל עבור TEM דגימות הזיוף אך צעד נוסף ליתוגרפיה נדרשת כדי לפברק את גלבו.

Figure 4
איור 4 : שרטוט של צעדים הכנה של מדגם עם דיסקים ו גלבו על קרום ניטריד סיליקון לניסויים זמן לפתור MTXM. היא כרוכה ליתוגרפיה שני שלבים כדי לקבל את המבנה הסופי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. הכנת הדוגמא וציפוי ספין
    הערה: הקרום עבור MTXM היא מסגרת2 5 x 5 מ מ עם 3 x 3 מ מ2 רחב ו- 200 ננומטר בעובי חלון ראווה מרכזי. לא ניתן לתלות את הקרום על ספין coater הצ'אק ואקום כמו זה ישבור את הקרום. במקרה זה, אנו הדביק את הממברנה כדי 10 x 10 מ מ2 סיליקון רקיק כדי שיהיה קל לעבוד איתו.
    1. Prebake הדגימות חטא על פלטה חמה ב- 180 מעלות למשך 15 דקות להסרת לחות מן הדגימות.
    2. ספין המעיל להתנגד חיובי CSAR ב-3000 סל ד עבור 1 דקות; עובי הסרט המתקבל הוא כ 500 ננומטר.
      הערה: סוג זה של להתנגד נבחר שלה רגישות גבוהה יותר וכתוצאה מכך כותב מהר יותר פעמים. התלות של מהירות עובי-ספין ניתן למצוא בגיליון נתונים להתנגד.
    3. פוסט-אופים את הדוגמאות על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 1 דקה להקשיח את השכבה להתנגד.
  2. ליתוגרפיה קרן אלקטרונים של גלבו
    1. ליצור את התבנית הרצויה של הסימנים גלבו ויישור (עבור הצעדים ליתוגרפיה השני) בתבנית GDS ולהעלות את זה למערכת ליתוגרפיה e-קרן.
    2. לטעון את הדגימות לתוך מערכת סופר e-קרן, את הבמה, קרן.
    3. לחשוף את האזור בדיסק מנה אלקטרונים של µC/ס מ 652 -קרן האנרגיה של 20 קוו זרם קרן של נה 10, גודל צעד של 200 ננומטר.
      הערה: השתמשנו CSAR להתנגד חיובית על שחשף את סימני גלבו ויישור. להתנגד זה יש רגישות גבוהה יותר מאשר PMMA עם המינון אלקטרונים של μC/ס מ 652 קרן האנרגיה של 20 קוו ו, לכן, היא חיובית כדי להאיץ אקספוזיציה.
  3. פיתוח כימי
    1. לאחר החשיפה, לפתח את הדגימות ב המפתח עבור 1 דקות ובצע את זה עם פקק (IPA) ב-30 s.
    2. לשטוף את הדגימות במים יונים למשך 30 s, מייבשת אותם עם חנקן תוך החזקת אותם עם הפינצטה.
  4. קרינה אידוי
    1. השתמש המאייד e-קרן להפקיד את bilayer Ti(3nm)/Au(100nm) עבור הסימנים גלבו ויישור.
    2. לסובב את הדוגמאות באופן רציף בקצב של 10 סל ד להגדלת ההומוגניות שכבה.
      הערה: השכבה טיטניום של 3-5 nm הופך איש קשר דבק בין המדגם חטא השכבה Au. עובי השכבה Au הוא בדרך כלל בין 80-120 ננומטר. זה טווח של עובי מתאים לקשר תיל לדוגמה כדי מחוייט מעגלים מודפסים, והוא השתמש בהם כדי להזריק פולסים הנוכחי לתוך גלבו.
    3. השתמש בקצב התצהיר עבור Ti של 0.5 - 0.7 Aͦ/s עבור Au של ~2.5 Aͦ/ס לשמור על הלחץ הבסיסי של מערכת e-קרן-mbar-7 כ 10 או יותר טוב.
    4. לחלופין, השתמש Cu במקום Au להרכבת גלבו על שקיפות טובה יותר עבור צילומי הרנטגן רך.
  5. ההמראה
    1. אחרי העדות של הסרט דק Ti/Au, הכניסו את הדגימות אצטון עבור 1 h.
    2. עכשיו, לרסס את הקרומים עם אצטון תוך החזקת אותם עם פינצטה עד המתכת עודף יוסר.
    3. אם המתכת עודף נשאר על הדגימות, למקם אותם בחזרה אל. הספל עם אצטון וחזור על ההליך.
      הערה: לחלופין, אמבט megasonic יכול לשמש לתמיכה ההליך ההמראה. הדגימות עם המבנה גלבו Ti/Au ועם סימני יישור לעבור את השלבים ליתוגרפיה אותו שוב על הזיוף דיסקים מגנטי-גלבו.
  6. התצהיר2 TiO
    1. הוסף את הדגימות עם סימני גלבו ויישור לתוך מערכת התצהיר שכבות אטומיות בודדות, הפקדה 20 ננומטר של השכבה2 TiO כדי להפוך את שכבת בידוד בין גלבו את הדיסקים.
    2. השתמש Ti קודמן Tetrakis (dimethylamido) טיטניום (TDMAT) ו- H2O לתצהיר של TiO2 על ידי חמצן פלזמה, לגדל את זה בקצב של 0.51 Aͦ/מחזור.
  7. ספין ציפוי של דגימות
    הערה: השתמשנו שכבה כפולה להתנגד כדי להגדיל את האיכות קצה של הדיסקים. במהלך החשיפה e-קרן, נטלה מנת יתר. להתנגד התחתון, לאחר הפיתוח, ומספקת שיפול מעודן.
    1. Prebake את הדגימות בצלחת חם על 180 מעלות למשך 15 דקות להסיר את הלחות.
    2. ספין המעיל קופולימר להתנגד ב- 4,000 סל ד עבור 1 דקות.
      הערה: עובי הסרט המתקבל הוא כ 30 ננומטר.
    3. פוסט-אופים את הדוגמאות על הכיריים ב 180 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות להקשיח את להתנגד.
    4. ספין המעיל PMMA 950K להתנגד ב- 4,000 סל ד עבור 1 דקות. עובי הסרט המתקבל הוא כ 270 ננומטר.
    5. פוסט-אופים את הדגימות ב 180 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות להקשיח את להתנגד.
  8. קרינה ליתוגרפיה של דיסקים
    1. ליצור תבנית lithographical השני של דיסקים בפורמט GDS ולהעלות את זה למערכת ליתוגרפיה e-קרן.
    2. להשתמש את סימני הכללית כדי ליישר למערכת תיאום UV המדגם.
    3. להשתמש הסימנים מקומיים כדי ליישר את שדה הכתיבה על מנת לכייל בגודל של הכתיבה-השדה, סיבוב, shift כדי להבטיח עמדה נכונה של הדיסקים-גלבו.
    4. לחשוף את האזור בדיסק מנה אלקטרונים של µC/ס מ 2202 קרן האנרגיה של 20 קוו. להשתמש זרם קרן של 200-300 הרשות הפלסטינית ואת גודל צעד של 10 ננומטר על שחשף את התבנית.
  9. פיתוח כימי
    1. לפתח את הדגימות ב מפתח המבוסס על MIBK עבור 1 דקות ובצע את זה עם פקק (IPA) ב-30 s.
    2. ואז לשטוף את הדגימות במים יונים למשך 30 s, מייבשת אותם עם חנקן תוך החזקת אותם עם פינצטה.
  10. יון-קרן להתיז התצהיר
    1. הכנס את הדגימות לתוך מערכת המלהגים יון-קרן.
    2. להטות את בעל מדגם על ידי 30° ביחס לכיוון של החומר sputtered על מנת להתחדד הדיסקים על ידי ההשפעה צל.
      הערה: מתחדדת משמש לשליטה של מערבולת מחזור11.
    3. הפקדה 20-50 ננומטר permalloy (Ni80Fe20) בשכבה עבה באמצעות תצהיר בשיעור של 0.5 - 0.7 Aͦ/s, בלחץ עבודה כ 10-5 mbar.
      הערה: הלחץ הבסיסי צריך להיות 10-7 mbar או יותר.
  11. ההמראה
    1. הכניסו את הדגימות אצטון עבור 1 h.
    2. עכשיו, לרסס את הקרומים עם אצטון תוך כדי להחזיק בהם פינצטה עד המתכת עודף יוסר.
    3. אם המתכת עודף נשאר על הדגימה, מקום המדגם בחזרה. הספל עם אצטון וחזור על התהליך.
      הערה: לחלופין, אמבט megasonic יכול לשמש לתמיכה ההליך ההמראה. יש לנו את המבנה הסופי של הדיסקים permalloy מעל גלבו Ti/Au על קרום חטא כמוצג באיור5.

Figure 5
איור 5 : תמונת SEM של המבנה הסופי של 30 ננומטר בעובי של 2 מיקרומטר רחב permalloy דיסקים על גלבו זהב עם יישור סימני. הדגימות משמשים נוספים לניסויים MTXM זמן לפתור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Representative Results

איור 1 מציג את הצילומים של חטא מסגרות, ממברנות המשמש את microscopies MTXM, ז. איור 2 מציג את העיצוב של המתאמים מודפס 3D כדי להחזיק את TEM ממברנה מהציר במהלך תהליך ציפוי ספין. איור 3 מראה את השלבים השונים של הכנת הדוגמא ז (לאחר פיתוח להתנגד ואחרי ההליך ההמראה) ואת התמונה הסופית (פירושונים) ז. איור 4 מציג את התרשימים? של השלבים הכנה הזיוף של הדיסקים, גלבו את קרום חטא לניסויים זמן לפתור MTXM. איור 5 מראה את הדגימה MTXM הסופי המכיל את הדיסקים מונחת גלבו.

Discussion

הראו הזיוף של דגימות עבור microscopies מגנטי ז ו- MTXM. דגימות אלה צריך להיות מפוברק על ממברנות חטא דק כך האלקטרונים, במקרה של פריט, צילומי הרנטגן רך, במקרה MTXM, יכול לחדור דרך הדגימות. יכול להיות מפוברק דגימות אלה על-ידי ליתוגרפיה להתנגד חיובי 1) או 2) ליתוגרפיה שלילי להתנגד.

השתמשנו בטכניקה ליתוגרפיה להתנגד חיובי כי היא דורשת הכנת המדגם פחות, פחות צעדים פבריקציה נוספת, מאפשר עיבוד קל יותר. זה גם מאפשר החוקר להשתמש באפקט צל, שאותו היינו עבור הפקד צורה מדויקת דיסק (הצרה של צד אחד של הדיסק). צורה זו נעשה שימוש כדי לשלוט מחזור מערבולות מגנטיות במהלך התגרענות10,11.

החיסרון של שיטה זו הוא ההליך ההמראה מסובך כי החומר סרט דק לפעמים הופקד על הקצה להתנגד, ואז לא ניתן להסיר על ידי ההמראה. פתרנו בעיה זו על-ידי שימוש שכבה כפולה להתנגד. זה קצת מגביל את הרזולוציה (כ-20 ננומטר) של תהליך lithographical אך נותר מספיק לצורך הדמיה מגנטית.

טכניקת הדפס אבן שלילי להתנגד מציעה רזולוציה גבוהה יותר מבנים עם רזולוציה עד 7 nm יכול להיכתב לתוך להתנגד. החומר ואז חרוטה משם על-ידי איכול רטוב או על ידי יון לשגר תחריט. הבעיה עם שיטה זו היא להתנגד קשה להסיר לאחר החריטה. בנוכחות חמצן נפוץ פלזמה להתנגד אחר אינה אפשרית במקרה של מבנים permalloy דק, כפי מתחמצנים בקלות רבה. עובדה זו, יחד עם הצורך להשתמש בטכניקה צל, מיטיבה את תהליך חיובי ליתוגרפיה אשר שימשה במהלך עבודה זו.

השתמשנו בדגימות שהוכנו על ידי בשיטות המתוארות במאמר זה עבור הצפיה הדינמיקה של מערבולות מגנטיות במהלך סירקולציה המעבר על-ידי10,MTXM11 , התצפית של המדינות השונות התגרענות17 . זה ניתן להרחיב סוגים נוספים של ניסויים הדורשים מבנים lithographically מוכן על הממברנות.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה ייצורם נתמך כלכלית על ידי הסוכנות מענק של צ'כיה (פרוייקט מס 15-34632L) ועל ידי ננו CEITEC + הפרויקט, מזהה CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. הזיוף דגימה ומדידה ז בוצעו בהתשתית למחקר ננו CEITEC (מזהה LM2015041, MEYS CR, 2016-2019). מינה Dhankhar נתמכה על ידי מלגה כישרון ברנו Ph.d....

Materials

Name Company Catalog Number Comments
SiN Membrane - TEM Silson SiRN-TEM-200-0.25-500 TEM membrane
SiN Membrane - MTXM Silson SiRN-5.0-200-3.0-200 MTXM membrane
3D adapter for spin coating The model of the adapter for 3D printing can be downloaded at: https://www.thingiverse.com/thing:2808368
PMMA 950k electron beam resist Allresist AR-P 679.04 used for TEM sample
Electron beam resist developer Allresist AR 600-56 used for TEM sample
High-contrast electron beam resist Allresist AR-P 6200.13 used for the waveguide on the MTXM sample
High-contrast electron beam resist developer Allresist AR-600-546 used for the waveguide on the MTXM sample
Tetrakis(dimethylamido)titanium(IV) Sigma Aldrich 669008 Aldrich  used for TiO2 thin film deposition by ALD 
Electron beam resist for nanometer lithography Allresist AR-P 617.02 used as the bottom layer of bilayer resist for easier lift-off procedure
PMMA 950k electron beam resist Allresist AR-P 679.04 used as the top layer of bilayer resist for easier lift-off procedure
Electron beam resist developer Allresist AR 600-56 used for development of the disks on waveguide
Permalloy pellets Kurt J Lesker EVMPERMQXQ-D used for the deposition of the magnetic layers
Titanium pellets Kurt J Lesker EVMTI45QXQD used as adhesive layer for the gold waveguide
Gold pellets Kurt J Lesker EVMAUXX40G used for the deposition of the waveguide

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hubert, A., Schäfer, R. Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. , Springer. Berlin, Heidelberg, New York. (1998).
  2. Cowburn, R. P., Koltsov, D. K., Adeyeye, A., O, M. E., Welland, M. E., Tricker, D. M. Single-domain circular nanomagnets. Physical Review Letters. 83 (5), 1042-1045 (1999).
  3. Shinjo, T., Okuno, T., Hassdorf, R., Shigeto, K., Ono, T. Magnetic vortex core observation in circular dots of Permalloy. Science. 289 (5481), 930-932 (2000).
  4. Guslienko, K. Y., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. Magnetization reversal due to vortex nucleation, displacement, and annihilation in submicron ferromagnetic dot arrays. Physical Review B. 65, 024414 (2001).
  5. Guslienko, K. Y., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. Field evolution of magnetic vortex state in ferromagnetic disks. Applied Physics Letters. 78 (24), 3848 (2001).
  6. Schneider, M., Hoffmann, H., Otto, S., Haug, T., Zweck, J. Stability of magnetic vortices in flat submicron Permalloy cylinders. Journal of Applied Physics. 92 (3), 1466-1472 (2002).
  7. Van Waeyenberge, B., et al. Magnetic vortex core reversal by excitation with short bursts of an alternating field. Nature. 444, 461-464 (2006).
  8. Kammerer, M., et al. Magnetic vortex core reversal by excitation of spin waves. Nature Communications. 2, 279 (2011).
  9. Guslienko, K. Y., Ivanov, B. A., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. Eigenfrequencies of vortex state excitations in magnetic submicron-size disks. Journal of Applied Physics. 91 (10), 813-823 (2002).
  10. Urbánek, M., et al. Dynamics and efficiency of magnetic vortex circulation reversal. Physical Review B. 91, 094415 (2015).
  11. Uhlíř, V., et al. Dynamics switching of the spin circulation in tapered magnetic nanodisks. Nature Nanotechnology. 8 (5), 341-346 (2013).
  12. Jung, H., et al. Logic operations based on magnetic-vortex-state networks. ACS Nano. 6 (5), 3712-3717 (2012).
  13. Hasegawa, N., Sugimoto, S., Fujimori, H., Kondou, K., Niimi, Y., Otani, Y. Selective mode excitation in three-chained magnetic vortices. Applied Physics Express. 8 (6), 063005 (2015).
  14. Wintz, S., et al. Magnetic vortex cores as tunable spin-wave emitters. Nature Nanotechnology. 11, 948-953 (2016).
  15. Hopster, H., Oepen, H. P. Magnetic Microscopy of Nanostructures. , Springer. Berlin, Heidelberg. (2005).
  16. Fischer, P. Magnetic imaging with polarized soft x-rays. Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (31), 313002 (2017).
  17. Vanatka, M., et al. Magnetic vortex nucleation modes in static magnetic fields. AIP Advances. 7 (10), 105103 (2017).
  18. Constancias, C., Landis, S., Manakli, S., Martin, L., Pain, L., Rio, D. Electron beam lithography. Lithography. Landis, S. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2013).
  19. Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science. , Springer. (2009).
  20. Seshan, K. Handbook of Thin-film Deposition Processes and Techniques. , William Andrew. New York, NY. (2002).
  21. Thompson, A., et al. X-Ray Data Booklet. , Lawrence Berkeley National Laboratory. Available from: http://xdb.lbl.gov (2000).

Tags

הנדסה גיליון 137 מערבולת מגנטי לורנץ הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים ז שידור מגנטי רנטגן מיקרוסקופ MTXM nanofabrication קרינה לליטוגרפיה EBL
ייצור של Nanostructures מגנטית על ממברנות הסיליקון ניטריד ללימודי מערבולת מגנטי באמצעות טכניקות במיקרוסקופ שידור
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Dhankhar, M., Vaňatka, M.,… More

Dhankhar, M., Vaňatka, M., Urbanek, M. Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques. J. Vis. Exp. (137), e57817, doi:10.3791/57817 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter