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Engineering

नैनोस्केल चुंबकीय डोमेन की कल्पना करने के लिए चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी संकल्प और संवेदनशीलता का अनुकूलन

Published: July 20, 2022 doi: 10.3791/64180
Automatic Translation
*1, *1, 2, 2, 1,3
1Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University, 2Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, 3Center for Advanced Energy Studies
* These authors contributed equally

Summary

चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी (एमएफएम) नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ नमूना स्थलाकृति और स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापने के लिए एक लंबवत चुंबकित परमाणु बल माइक्रोस्कोपी जांच का उपयोग करता है। एमएफएम स्थानिक संकल्प और संवेदनशीलता को अनुकूलित करने के लिए बढ़ते ड्राइव (दोलन) आयाम के खिलाफ घटती लिफ्ट ऊंचाई को संतुलित करने की आवश्यकता होती है, और एक निष्क्रिय वातावरण ग्लवबॉक्स में संचालन से लाभ होता है।

Abstract

चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी (एमएफएम) नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ एक नमूना सतह पर स्थानीय चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्रण करने में सक्षम बनाता है। एमएफएम करने के लिए, एक परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) जांच जिसकी नोक को लंबवत रूप से चुंबकित किया गया है (यानी, प्रोब कैंटिलीवर के लंबवत) नमूना सतह के ऊपर एक निश्चित ऊंचाई पर दोलन किया जाता है। दोलन चरण या आवृत्ति में परिणामी बदलाव, जो प्रत्येक पिक्सेल स्थान पर ऊर्ध्वाधर चुंबकीय बल ढाल के परिमाण और संकेत के आनुपातिक होते हैं, फिर ट्रैक और मैप किए जाते हैं। यद्यपि तकनीक का स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और संवेदनशीलता सतह के ऊपर लिफ्ट ऊंचाई कम होने के साथ बढ़ती है, बेहतर एमएफएम छवियों के लिए यह सीधा रास्ता कम दूरी के वैन डेर वाल्स बलों के कारण स्थलाकृतिक कलाकृतियों को कम करने, संवेदनशीलता में सुधार के लिए दोलन आयाम में वृद्धि और सतह संदूषकों की उपस्थिति (विशेष रूप से परिवेश की परिस्थितियों में आर्द्रता के कारण पानी) जैसे विचारों से जटिल है। इसके अलावा, जांच के चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण के अभिविन्यास के कारण, एमएफएम आंतरिक रूप से आउट-ऑफ-प्लेन मैग्नेटाइजेशन वेक्टर वाले नमूनों के प्रति अधिक संवेदनशील है। यहां, <0.1 पीपीएम ओ2 और एच2ओ के साथ एक निष्क्रिय (आर्गन) वायुमंडल दस्तानेबॉक्स में प्राप्त एकल और द्विघटक नैनोमैग्नेट कृत्रिम स्पिन-आइस (एएसआई) सरणियों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्थलाकृतिक और चुंबकीय चरण छवियों की सूचना दी गई है। स्थलाकृतिक कलाकृतियों की शुरूआत से बचने के साथ-साथ उच्च रिज़ॉल्यूशन और संवेदनशीलता के लिए लिफ्ट ऊंचाई और ड्राइव आयाम के अनुकूलन पर चर्चा की जाती है, और एएसआई नमूना सतह के विमान में संरेखित नैनोस्केल बार मैग्नेट (~ 250 एनएम लंबा और <100 एनएम चौड़ा) के दोनों छोर से निकलने वाले आवारा चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाया जाता है। इसी तरह, नी-एमएन-गा चुंबकीय आकार मेमोरी मिश्र धातु (एमएसएमए) के उदाहरण का उपयोग करते हुए, एमएफएम को चुंबकीय चरण संवेदनशीलता के साथ एक निष्क्रिय वातावरण में प्रदर्शित किया जाता है जो प्रत्येक ~ 200 एनएम चौड़ा आसन्न चुंबकीय डोमेन की एक श्रृंखला को हल करने में सक्षम है।

Introduction

चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी (एमएफएम), परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) का एक स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी (एसपीएम) व्युत्पन्न, एक चुंबकित जांच टिप द्वारा अनुभव किए गए अपेक्षाकृत कमजोर लेकिन लंबी दूरी के चुंबकीय बलों की इमेजिंग को सक्षम बनाता है क्योंकि यह एक नमूना सतह 1,2,3,4,5 से ऊपर यात्रा करता है। एएफएम एक गैर-विनाशकारी लक्षण वर्णन तकनीक है जो सतह स्थलाकृति 6 के साथ-साथ नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ सामग्री (जैसे, यांत्रिक, विद्युत और चुंबकीय) गुणों को मापने के लिए एक व्यवहार्य कैंटिलीवर के अंत में नैनोमीटर-स्केल टिप का उपयोग करती है। रुचि के टिप-सैंपल इंटरैक्शन के कारण कैंटिलीवर का विक्षेपण कैंटिलीवर के पीछे से लेजर के प्रतिबिंब के माध्यम से और स्थिति-संवेदनशील फोटोडायोड10 में मापा जाता है। एमएफएम के माध्यम से सामग्री के स्थानीय चुंबकीय गुणों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग नैनोस्केल 4,5,11,12,13,14,15,16,17 पर नई सामग्री, संरचनाओं और उपकरणों में चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और अभिविन्यास को चिह्नित करने का अनूठा अवसर प्रदान करती है . एमएफएम करने के लिए, एक एएफएम जांच जिसकी नोक को लंबवत रूप से चुंबकित किया गया है (यानी, प्रोब कैंटिलीवर और नमूना सतह के लंबवत) को यांत्रिक रूप से नमूना सतह के ऊपर एक निश्चित ऊंचाई पर इसकी प्राकृतिक अनुनाद आवृत्ति पर दोलन किया जाता है। दोलन आयाम (कम संवेदनशील, और इसलिए कम सामान्य), आवृत्ति, या चरण (यहां वर्णित) में परिणामी परिवर्तन तब गुणात्मक रूप से चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापने के लिए निगरानी की जाती है। अधिक विशेष रूप से, आवृत्ति मॉड्यूलेशन एमएफएम दोलन आवृत्ति या चरण में बदलाव का एक नक्शा तैयार करता है, जो जांच द्वारा अनुभव किए गए चुंबकीय बल ढाल के परिमाण और संकेत के आनुपातिक होता है। एमएफएम माप के दौरान नमूने के ऊपर एक निरंतर ऊंचाई बनाए रखने के लिए, ऑपरेशन का एक दोहरी-पास मोड आमतौर पर नियोजित किया जाता है। नमूना स्थलाकृति को पहले मानक एएफएम तकनीकों के माध्यम से मैप किया जाता है, इसके बाद नमूना सतह से उपयोगकर्ता-निर्धारित लिफ्ट ऊंचाई (दसियों से सैकड़ों एनएम) पर प्रत्येक अनुक्रमिक स्कैन लाइन की इंटरलेव्ड एमएफएम इमेजिंग होती है। इस तरह के एक इंटरलेव्ड डुअल-पास अधिग्रहण मोड को नियोजित करने से इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड पास के दौरान अनुभव किए गए अपेक्षाकृत लंबी दूरी के चुंबकीय बलों से स्थलाकृति को मैप करने के लिए उपयोग किए जाने वाले शॉर्ट-रेंज टिप-सैंपल वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन को अलग करने में मदद मिलती है। हालांकि, एमएफएम स्थानिक रिज़ॉल्यूशन घटती लिफ्ट ऊंचाई18 के साथ बढ़ता है, इसलिए वैन डेर वाल्स बलों के कारण एमएफएम रिज़ॉल्यूशन बढ़ाने और स्थलाकृतिक कलाकृतियों से बचने के बीच एक अंतर्निहित तनाव है। इसी तरह, एमएफएम संवेदनशीलता लिफ्ट मोड पास के दौरान दोलन आयाम के आनुपातिक है, लेकिन अधिकतम स्वीकार्य दोलन आयाम लिफ्ट ऊंचाई और नमूना स्थलाकृति (यानी, उच्च पहलू अनुपात विशेषताओं) में तेजी से परिवर्तन से सीमित है।

हाल के अध्ययनों ने नैनोमैग्नेटिज्म और नैनोमैग्नोनिक्स के अनुप्रयोग से जुड़े अवसरों के धन पर प्रकाश डाला है, जो कृत्रिम स्पिन-आइस (एएसआई) संरचनाओं और मैग्नोनिक क्रिस्टल के माध्यम से विकसित किया गया है, तर्क, गणना, एन्क्रिप्शन और डेटा स्टोरेज के लिए कार्यशील उपकरणों के रूप में 19,20,21,22 . अलग-अलग विस्तारित जाली संरचनाओं में व्यवस्थित नैनोमैग्नेट से बना, कृत्रिम स्पिन आइस उभरते चुंबकीय द्विध्रुवीय या मोनोपोल प्रदर्शित करते हैं जिन्हें बाहरी उत्तेजना19,20,23,24,25 के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है। सामान्य तौर पर, एएसआई एक क्षण विन्यास का पक्ष लेते हैं जो ऊर्जा को कम करता है (उदाहरण के लिए, दो-आयामी (2 डी) वर्ग एएसआई में, दो क्षण बिंदु और हर शीर्ष से दो बिंदु), कम ऊर्जा वाले माइक्रोस्टेट क्रिस्टलीय स्पिन-बर्फ सामग्री21,26,27,28 के अनुरूप नियमों का पालन करते हैं। . इसी तरह, हाल ही में एमएफएम-सक्षम अध्ययन ने कोने-शेयरिंग टेट्राहेड्रा पर स्थित दुर्लभ-पृथ्वी स्पिन से निर्मित एक त्रि-आयामी (3 डी) एएसआई जाली प्रणाली का प्रदर्शन किया, जहां दो स्पिन टेट्राहेड्रा के केंद्र की ओर इशारा करते हैं और दो स्पिन इंगित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप दो समान और विपरीत चुंबकीय द्विध्रुवीय होते हैं और इसलिए टेट्राहेड्रा केंद्रों पर शुद्ध शून्य चुंबकीय चार्जहोता है। . नमूना सतह के सापेक्ष एक लागू चुंबकीय क्षेत्र के संरेखण के आधार पर, चुंबकीय क्रम और सहसंबंध लंबाई में महत्वपूर्ण अंतर देखा गया। इस प्रकार एएसआई द्विध्रुवीय के संरेखण और नियंत्रण के लिए आगे की जांच की आवश्यकता है। एएसआई चुंबकीय क्षेत्र वितरण को मापने के तरीकों में मैग्नेटो-ऑप्टिकल शोर स्पेक्ट्रोमीटर29 या एक्स-रे चुंबकीय परिपत्र डाइक्रोइजम फोटोएमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एक्सएमसीडी-पीईईएम) 25 का उपयोग करना शामिल है; हालांकि एक्सएमसीडी-पीईईएम के साथ एमएफएम के बराबर या उससे अधिक स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए, अत्यंत कम तरंग दैर्ध्य (यानी, उच्च ऊर्जा एक्स-रे) की आवश्यकता होती है। एमएफएम एक बहुत सरल लक्षण वर्णन तकनीक प्रदान करता है जिसे संभावित रूप से हानिकारक उच्च ऊर्जा एक्स-रे के लिए नमूनों के संपर्क की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अतिरिक्त, एमएफएम का उपयोग न केवल एएसआई माइक्रोस्टेट्स 21,23,27 को चिह्नित करने के लिए किया गया है, बल्कि उच्च चुंबकीय क्षण युक्तियों30 का उपयोग करके टोपोलॉजिकल दोष संचालित चुंबकीय लेखन के लिए भी किया गया है। तदनुसार, एमएफएम एएसआई अनुसंधान और विकास को आगे बढ़ाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है, विशेष रूप से चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और अभिविन्यास के साथ नमूना स्थलाकृति को सहसंबंधित करने की अपनी क्षमता के माध्यम से, जिससे विशिष्ट स्थलाकृतिक विशेषताओं (यानी, एएसआई जाली तत्वों) से जुड़े चुंबकीय द्विध्रुवीय का पता चलता है।

उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम भी फेरोमैग्नेटिक आकार मेमोरी मिश्र धातुओं की संरचना और उनके नैनोस्केल मैग्नेटोमैकेनिकल गुणों14,17,31,32,33 के बीच संबंधों में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। फेरोमैग्नेटिक आकार मेमोरी मिश्र धातु, जिसे आमतौर पर चुंबकीय आकार मेमोरी मिश्र धातु (एमएसएमए) के रूप में जाना जाता है, बड़े (12% तक) चुंबकीय क्षेत्र प्रेरित उपभेदों का प्रदर्शन करते हैं, जो जुड़वां सीमा गति 29,33,34,35 के माध्यम से किए जाते हैं। एमएफएम तकनीकों का उपयोग विरूपण और मार्टेंसिटिक परिवर्तन, इंडेंटेशन, माइक्रो-पिलर विरूपण और एमएसएमए15,16,17,36 के नैनोस्केल चुंबकीय प्रतिक्रियाओं के दौरान ट्विनिंग के बीच जटिल संबंधों की जांच करने के लिए किया गया है। विशेष रूप से ध्यान दें, एमएफएम को चार-राज्य नैनोस्केल मैग्नेटोमैकेनिकल मेमोरी17 बनाने और पढ़ने के लिए नैनोइंडेंटेशन के साथ जोड़ा गया है। इसी प्रकार, अगली पीढ़ी की चुंबकीय रिकॉर्डिंग प्रौद्योगिकियों को हीट-असिस्टेड मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग (एचएएमआर) के माध्यम से आगे बढ़ाया जा रहा है, जो 1975 केबीपीआई के रैखिक घनत्व और 510 केटीपीआई37 के ट्रैक घनत्व को प्राप्त कर रहा है। अधिक, अधिक कॉम्पैक्ट डेटा भंडारण को सक्षम करने के लिए आवश्यक बढ़ी हुई अवास्तविक घनत्व के परिणामस्वरूप एचएएमआर प्रौद्योगिकियों की परिभाषित ट्रैक पिच में उल्लेखनीय कमी आई है, जिससे उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम इमेजिंग की आवश्यकता बढ़ गई है।

एएसआई और एमएसएमई के अलावा, एमएफएम का उपयोग विभिन्न चुंबकीय नैनोकणों, नैनोआरे और अन्य प्रकार के चुंबकीय नमूनों3,38,39 को चिह्नित करने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है। हालांकि, अंतिम एमएफएम संकल्प और संवेदनशीलता उपयोगकर्ता के नियंत्रण से परे चीजों (जैसे, एएफएम डिटेक्शन इलेक्ट्रॉनिक्स, एमएफएम जांच प्रौद्योगिकी, अंतर्निहित भौतिकी, आदि) और इमेजिंग मापदंडों और पर्यावरण की पसंद से सीमित हैं। इस बीच, चुंबकीय उपकरणों में फीचर आकार40,41 कम होते रहते हैं, जिससे छोटे चुंबकीय डोमेन बनते हैं, इस प्रकार एमएफएम इमेजिंग तेजी से अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाती है। इसके अतिरिक्त, रुचि के चुंबकीय द्विध्रुवीय हमेशा जांच के चुंबकीकरण वेक्टर के समानांतर, विमान से बाहर उन्मुख नहीं होते हैं। इन-प्लेन या लगभग इन-प्लेन ओरिएंटेड डायपोल के सिरों से निकलने वाले आवारा क्षेत्रों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग, जैसा कि यहां दिखाए गए एएसआई संरचनाओं में होता है, अधिक संवेदनशीलता की आवश्यकता होती है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम छवियों को प्राप्त करना, विशेष रूप से नैनोस्केल चुंबकीय डोमेन से बने ऐसे इन-प्लेन मैग्नेटाइज्ड नमूनों की, इस प्रकार एमएफएम जांच (जैसे, मोटाई, जबरदस्ती और चुंबकीय कोटिंग के क्षण) के उचित विकल्प पर निर्भर करता है, जो कभी-कभी संवेदनशीलता या पार्श्व रिज़ॉल्यूशन18 में सुधार या नमूने के चुंबकीय संरेखण30 के संरक्षण के साथ प्रतिकूल हो सकता है। इमेजिंग पैरामीटर (उदाहरण के लिए, लिफ्ट ऊंचाई और दोलन आयाम, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, साथ ही स्थलाकृति लाइन इमेजिंग के दौरान टिप कोटिंग पहनने को कम करना), और नमूना गुणवत्ता (उदाहरण के लिए, सतह खुरदरापन और संदूषण, जिसमें चमकदार मलबा या परिवेश आर्द्रता के कारण सतह का पानी शामिल है)। विशेष रूप से, परिवेश आर्द्रता के कारण नमूना सतह पर अधिशोषित पानी की उपस्थिति मजबूत टिप-नमूना वैन डेर वाल्स बलों को पेश कर सकती है जो चुंबकीय बलों को मापने में महत्वपूर्ण रूप से हस्तक्षेप कर सकती है और एमएफएम माप के लिए न्यूनतम प्राप्त करने योग्य लिफ्ट ऊंचाई को सीमित कर सकती है। एक निष्क्रिय वातावरण ग्लवबॉक्स के भीतर एमएफएम ऑपरेशन लगभग सभी सतह दूषित पदार्थों को समाप्त करता है, जिससे कम लिफ्ट ऊंचाई और उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ अधिक संवेदनशीलता होती है। तदनुसार, यहां दिखाए गए नमूना उदाहरणों में, आर्गन (एआर) से भरे एक कस्टम अक्रिय वातावरण दस्तानेबॉक्स में रखी गई एक एएफएम प्रणाली जिसमें <0.1 पीपीएम ऑक्सीजन (ओ2) और पानी (एच2ओ) होता है, को बेहद कम लिफ्ट ऊंचाई (10 एनएम तक) सक्षम करने के लिए नियोजित किया गया है। यह बाद में एक बड़े क्रिस्टलोग्राफिक जुड़वां और चुंबकीय द्विध्रुवीय (नैनोस्केल बार मैग्नेट) <100 एनएम चौड़ा और ~ 250 एनएम लंबा) के भीतर वैकल्पिक चुंबकीय डोमेन <200 एनएम चौड़ा) को हल करने में सक्षम है।

यह लेख बताता है कि सावधानीपूर्वक नमूना तैयार करने और इमेजिंग मापदंडों के इष्टतम विकल्प के साथ एक निष्क्रिय वातावरण दस्तानेबॉक्स के उपयोग के संयोजन से उच्च-रिज़ॉल्यूशन, उच्च-संवेदनशीलता एमएफएम छवियों को कैसे प्राप्त किया जाए। वर्णित विधियां विशेष रूप से इन-प्लेन उन्मुख द्विध्रुवीय की इमेजिंग के लिए मूल्यवान हैं, जो पारंपरिक रूप से निरीक्षण करना मुश्किल है, और इसलिए अनुकरणीय उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम छवियां नि-एमएन-जीए एमएसएमए क्रिस्टल दोनों की प्रस्तुत की जाती हैं जो क्रिस्टलोग्राफिक जुड़वां और जुड़वां सीमाओं के पार अलग-अलग नैनोस्केल चुंबकीय डोमेन प्रदर्शित करती हैं, साथ ही साथ नैनोमैग्नेटिक एएसआई सरणियों को इन-प्लेन चुंबकीय द्विध्रुवीय अभिविन्यास के साथ निर्मित किया जाता है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम इमेजिंग की इच्छा रखने वाले विभिन्न प्रकार के क्षेत्रों में शोधकर्ता यहां उल्लिखित प्रोटोकॉल को नियोजित करने के साथ-साथ स्थलाकृतिक कलाकृतियों जैसी संभावित चुनौतियों की चर्चा से काफी लाभ उठा सकते हैं।

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Protocol

नोट: नीचे दिए गए प्रोटोकॉल के अलावा, यहां उपयोग किए जाने वाले उपकरण के लिए विशिष्ट और सामान्य एमएफएम इमेजिंग के लिए तैयार एक विस्तृत चरण-दर-चरण एमएफएम मानक संचालन प्रक्रिया (एसओपी) पूरक फ़ाइल 1 के रूप में शामिल है। इस पांडुलिपि के वीडियो भाग को पूरक करने के लिए, एसओपी में जांच धारक, टिप मैग्नेटाइज़र और मैग्नेटाइजेशन प्रक्रिया, सॉफ्टवेयर सेटिंग्स आदि की छवियां शामिल हैं।

1. एमएफएम जांच तैयारी और स्थापना

  1. AFM नियंत्रण सॉफ़्टवेयर खोलें और MFM कार्यस्थान का चयन करें ( सामग्री तालिका देखें).
  2. एक उचित जांच धारक पर चुंबकीय कोटिंग (जैसे, को-सीआर, सामग्री की तालिका देखें) के साथ एक एएफएम जांच माउंट करें, जांच को चुंबकित करें, और एएफएम हेड पर जांच धारक स्थापित करें।
    नोट: एमएफएम जांच को चुंबकीय कोटिंग की आवश्यकता होती है; इस अध्ययन में उपयोग की गई जांच ने 400 ओई की नाममात्र जबरदस्ती और 1 x 10-13 ईएमयू के चुंबकीय क्षण के साथ एक कोबाल्ट-क्रोमियम (को-सीआर) मिश्र धातु कोटिंग का उपयोग किया, जिसके परिणामस्वरूप लेपित एन-डोप्ड सिलिकॉन जांच के लिए वक्रता का ~ 35 एनएम त्रिज्या था। नमूना और इमेजिंग आवश्यकताओं के आधार पर वक्रता या कम या उच्च चुंबकीय क्षण या जबरदस्ती की छोटी त्रिज्या के साथ जांच उपलब्ध हैं (उदाहरण के लिए, जांच के साथ नमूने की चुंबकीकरण दिशा को अनजाने में पलटने से बचने के लिए कम जबरदस्ती नमूने की इमेजिंग करते समय कम क्षण की जांच की आवश्यकता हो सकती है, या इसके विपरीत चुंबकीय पैटर्न18 लिखने के लिए एक उच्च क्षण जांच का उपयोग किया जा सकता है)। एमएफएम जांच विकल्पों की एक व्यापक, लेकिन गैर-संपूर्ण, सूची के लिए सामग्री की तालिका देखें, इस बात को ध्यान में रखते हुए कि एक पतली चुंबकीय कोटिंग एक तेज एमएफएम टिप (और इसलिए संभावित रूप से बेहतर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन) उत्पन्न करेगी, लेकिन कम चुंबकीय क्षण के कारण संवेदनशीलता में कमी की संभावित लागत पर।
    1. जांच धारक को सावधानीपूर्वक एक माउंटिंग ब्लॉक पर रखें ( पूरक चित्र एस 1 देखें), फिर जांच धारक पर जांच लोड करें, संरेखित करें, और स्प्रिंग-लोडेड क्लिप के साथ सुरक्षित करें ( पूरक चित्रा एस 2 देखें)। सुनिश्चित करें कि जांच सभी किनारों के समानांतर है और ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत निरीक्षण करके धारक के चैनल के पीछे को नहीं छूती है। धीरे से चिमटी की एक जोड़ी के साथ आवश्यक जांच में हेरफेर करें।
      नोट: इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ईएसडी) एमएफएम जांच और / या संवेदनशील एएफएम इलेक्ट्रॉनिक्स पर धातु कोटिंग को नुकसान पहुंचा सकता है, इसलिए हैंडलिंग से पहले किसी भी स्थिर बिल्डअप को निर्वहन करने के लिए सावधान रहें और पर्यावरणीय परिस्थितियों (जैसे, सापेक्ष आर्द्रता) के आधार पर एंटी-ईएसडी दस्ताने पहनने और / या ग्राउंडिंग कलाई पट्टा या मैट का उपयोग करने पर विचार करें।
    2. कुछ (~ 2-5) सेकंड के लिए एक मजबूत स्थायी चुंबक ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके जांच को लंबवत रूप से (यानी, प्रोब कैंटिलीवर के लंबवत) चुंबकित करें ताकि जांच टिप का चुंबकीय द्विध्रुवीय अभिविन्यास नमूने के लंबवत हो।
      नोट: संदर्भ के लिए, यहां उपयोग किए जाने वाले प्रोब मैग्नेटाइज़र ( सामग्री की तालिका और पूरक चित्रा एस 3 देखें) में ~ 2000 ओई की जबरदस्ती है और इसे डिज़ाइन किया गया है ताकि मामला जांच धारक पर फिट हो, चुंबक उन्मुख के साथ इस तरह से कि इसका चुंबकीय क्षण जांच टिप के समानांतर और कैंटिलीवर के लंबवत संरेखित हो।
    3. सावधानी से एएफएम प्रमुख को हटा दें। जांच धारक पर छेद को सिर पर संपर्क पिन के साथ संरेखित करके जांच और जांच धारक स्थापित करें। एएफएम पर सिर को फिर से स्थापित करें और जगह में सुरक्षित करें। फिर, सावधान रहें क्योंकि ईएसडी जांच या संवेदनशील एएफएम इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान पहुंचा सकता है।
  3. लेजर को एमएफएम जांच कैंटिलीवर के केंद्र पर और स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टर (पीएसडी) में संरेखित करें।
    1. इष्टतम संवेदनशीलता के लिए, कैंटिलीवर के पीछे लेजर को कैंटिलीवर के बाहर के छोर से टिप झटके के अनुरूप स्थान पर संरेखित करें।
    2. डिटेक्टर पर परावर्तित लेजर बीम को केंद्र में रखने के लिए बाएं / दाएं और ऊपर / नीचे विक्षेपण को कम करते हुए पीएसडी पर योग संकेत को अधिकतम करें। कैंटिलीवर विक्षेपण के समानुपाती आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए अधिकतम पता लगाने योग्य विक्षेपण सीमा प्राप्त करने के लिए लेजर एक्स और वाई विक्षेपण संकेतों को यथासंभव शून्य के करीब सेट करें।

2. नमूना तैयारी और स्थापना

  1. नमूना एएफएम चक वैक्यूम पोर्ट पर रखें। चुंबकीय नमूना धारक का उपयोग करने से बचें, क्योंकि यह नमूना को प्रभावित कर सकता है और / या एमएफएम माप में हस्तक्षेप कर सकता है। नमूना को एएफएम चरण में सुरक्षित करने के लिए चक वैक्यूम चालू करें।
    1. नैनोस्केल नमूना कंपन के कारण शोर की शुरूआत से बचने के लिए इमेजिंग के लिए नमूना अच्छी तरह से सुरक्षित करें। यदि नमूने के आधार और एएफएम चरण वैक्यूम पोर्ट के बीच एक एयरटाइट सील नहीं बनाई जा सकती है, तो नमूने को धातु पुक ( सामग्री की तालिका देखें) या ग्लास माइक्रोस्कोप स्लाइड पर उपयुक्त बॉन्डिंग चिपकने वाला का उपयोग करके चिपकाएं।
    2. सुनिश्चित करें कि नमूना जितना संभव हो उतना चिकना है, आदर्श रूप से नैनोमीटर स्केल सतह खुरदरापन और मलबे से मुक्त है (उदाहरण के लिए, एकल क्रिस्टल नी-एमएन-जीए जैसे धातु मिश्र धातु नमूने के मामले में अवशिष्ट पॉलिशिंग यौगिक), कम लिफ्ट ऊंचाई को सक्षम करने के लिए जिससे उच्च रिज़ॉल्यूशन और एमएफएम इमेजिंग की संवेदनशीलता हो सकती है ( चर्चा देखें)।

3. प्रारंभिक सेटअप और नमूना दृष्टिकोण

  1. एएफएम नियंत्रण सॉफ्टवेयर (एमएफएम वर्कस्पेस) पर लौटते हुए, चयनित जांच के आधार पर ज्ञात टिप झटके का उपयोग करके, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप दृश्य के भीतर क्रॉसहेयर को एमएफएम जांच कैंटिलीवर के पीछे तैनात करने के लिए संरेखित करें जहां टिप स्थित है।
  2. एएफएम चरण और नमूना को स्थिति दें ताकि रुचि का क्षेत्र (आरओआई) सीधे एएफएम टिप के नीचे हो। एएफएम सिर को तब तक कम करें जब तक कि नमूना सतह ऑप्टिकल दृश्य में फोकस में न आ जाए। सावधानी बरतें कि जांच को नमूना सतह में क्रैश न करें, क्योंकि इसके परिणामस्वरूप जांच और / या नमूना क्षति हो सकती है।
    नोट: यहां उपयोग किया जाने वाला एएफएम नियंत्रण सॉफ्टवेयर दो फोकसिंग विकल्प प्रदान करता है: नमूना (डिफ़ॉल्ट) और टिप प्रतिबिंब। डिफ़ॉल्ट विकल्प 1 मिमी फोकल लंबाई को नियोजित करता है, जिसका अर्थ है कि एएफएम कैंटिलीवर सतह से ~ 1 मिमी ऊपर होगा जब सतह ऑप्टिकल दृश्य में फोकस में दिखाई देती है। टिप रिफ्लेक्शन मोड 2 मिमी फोकल लंबाई का उपयोग करता है, इसलिए सतह फोकस में दिखाई देगी जब एएफएम कैंटिलीवर सतह से ~ 2 मिमी ऊपर है, जबकि टिप प्रतिबिंब फोकस में दिखाई देगा जब कैंटिलीवर सतह से ~ 1 मिमी ऊपर है (एक प्रतिबिंबित नमूना सतह के मामले में)। सतह तक पहुंचने के लिए सुझाई गई विधि टिप रिफ्लेक्शन मोड में शुरू करना है और नमूना सतह के फोकस में आने तक पूर्ण गति (100%) पर पहुंचना है, फिर नमूना (डिफ़ॉल्ट) पर स्विच करें और मध्यम गति (20%) पर पहुंच जाएं जब तक कि सतह फिर से फोकस में नहीं आ जाती।

4. स्थलाकृति इमेजिंग (मुख्य लाइन)

नोट: नीचे वर्णित प्रोटोकॉल स्थलाकृति इमेजिंग के लिए आंतरायिक संपर्क (टैपिंग) मोड का उपयोग मानता है।

  1. प्रारंभ और अंत आवृत्तियों का चयन करके एक कैंटिलीवर धुन निष्पादित करें जो चयनित जांच की अपेक्षित अनुनाद आवृत्ति को फैलाने के लिए चुने गए क्षेत्र में डिथर पीजो ड्राइव आवृत्ति को साफ करेगा (उदाहरण के लिए, नाममात्र एफ 0 = 75 केएचजेड के साथ जांच के लिए 50-100 किलोहर्ट्ज)।
  2. नियोजित विशेष एएफएम सिस्टम और सॉफ्टवेयर के आधार पर ( सामग्री की तालिका देखें), चुने हुए जांच प्रकार के लिए ज्ञात नाममात्र मूल्यों के आधार पर नीचे दिए गए चरणों को स्वचालित करने के लिए एकल-क्लिक ऑटो ट्यून सुविधा का उपयोग करें।
    नोट: कैंटिलीवर को ट्यून करने में इसकी प्राकृतिक अनुनाद आवृत्ति की पहचान करना और ड्राइव आयाम (उस आवृत्ति पर या उसके पास) को समायोजित करना शामिल है ताकि कैंटिलीवर एक उपयुक्त लक्ष्य आयाम (नैनोमीटर में) पर झूलता रहे।
    1. मुख्य लाइन कैंटिलीवर ट्यून के लिए एक ड्राइव आवृत्ति चुनें जो अनुनाद शिखर (शिखर से आयाम में ~ 5% की कमी) की तुलना में थोड़ी कम आवृत्ति के लिए ऑफसेट है ताकि टिप-नमूना दृष्टिकोण के दौरान टिप-नमूना इंटरैक्शन बदलने के कारण अनुनाद आवृत्ति में बदलाव की भरपाई की जा सके।
    2. एक ड्राइव आयाम चुनें जिसके परिणामस्वरूप ~ 50 एनएम कैंटिलीवर दोलन (एएफएम सिस्टम के लिए पीएसडी पर ~ 500 एमवी आयाम और यहां नियोजित एमएफएम जांच के लिए ~ 500 एमवी आयाम) के अनुरूप एक लक्ष्य आयाम होता है, सामग्री की तालिका देखें) एक अच्छे प्रारंभिक बिंदु के रूप में।
      नोट: मापा फोटोडायोड विक्षेपण संकेत (एमवी या वी में) को दोलन आयाम (एनएम में) में बदलने के लिए नाममात्र या मापा जांच विक्षेपण संवेदनशीलता के ज्ञान की आवश्यकता होती है।
    3. स्थलाकृति इमेजिंग के लिए एक अच्छे प्रारंभिक बिंदु के रूप में मुक्त अंतरिक्ष लक्ष्य आयाम (यानी, 50 एनएम के मुक्त अंतरिक्ष आयाम के लिए ~ 40 एनएम) के ~ 0.8x के अनुरूप आयाम सेटपॉइंट चुनें।
      नोट: एक उच्च आयाम सेटपॉइंट के परिणामस्वरूप एक सौम्य जुड़ाव होगा, लेकिन गलत संलग्नता की संभावना बढ़ जाएगी (यानी, उपकरण / सॉफ्टवेयर गलती से सोचता है कि कैंटिलीवर पर काम करने वाले यादृच्छिक उतार-चढ़ाव / क्षणिक बलों से उत्पन्न दोलन आयाम में मामूली कमी के कारण जांच सतह पर लगी हुई है)। इसके विपरीत, एक कम आयाम सेटपॉइंट एक गलत संलग्नता की संभावना को कम करता है, लेकिन संभावित रूप से बढ़ी हुई टिप पहनने या संलग्न होने पर नमूना क्षति की कीमत पर।
  3. नमूना सतह पर संलग्न हों और नमूना और रुचि की विशेषताओं के आधार पर वांछित स्कैन आकार सेट करें (आमतौर पर एक्स और वाई में <1 μm से दसियों μm के बीच कहीं)।
  4. 1-2 एनएम की वृद्धि में आयाम सेटपॉइंट बढ़ाएं जब तक कि टिप नमूना सतह के साथ संपर्क नहीं खो देता है, जैसा कि ऊंचाई सेंसर चैनल में एक दूसरे को ट्रैक करने में विफल रहने वाली ट्रेस और रीट्रेस लाइनों द्वारा देखा जाता है। फिर, आयाम सेटपॉइंट को ~ 2-4 एनएम तक कम करें ताकि टिप सिर्फ नमूना सतह के संपर्क में हो।
    नोट: उपरोक्त टिप-नमूना इंटरैक्शन बल को कम करने में मदद करेगा, जिससे नमूना संरक्षित होगा, जांच टिप जीवन को लंबा किया जाएगा, और टिप पहनने को कम करके एमएफएम प्रदर्शन में सुधार होगा, विशेष रूप से चुंबकीय कोटिंग के समय से पहले नुकसान, साथ ही स्थलाकृति और / या चुंबकीय चरण छवियों में टिप कलाकृतियों को पेश करने की संभावना है।
  5. आनुपातिक (पी) और अभिन्न (आई) लाभों को समायोजित करके अनुकूलित करें ताकि वे शोर को कम करते हुए नमूना सतह स्थलाकृति को ट्रैक करने के लिए प्रतिक्रिया प्रणाली को मजबूर करने के लिए पर्याप्त हों। ऐसा करने के लिए, लाभ को तब तक बढ़ाएं जब तक कि शोर त्रुटि चैनल में दिखाई देने लगे, फिर थोड़ा पीछे हट जाएं। सिस्टम आमतौर पर पी लाभ की तुलना में आई लाभ के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।

5. एमएफएम इमेजिंग (इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड पास)

  1. एक बार जब एएफएम स्थलाकृति इमेजिंग पैरामीटर अनुकूलित हो जाते हैं, तो सतह से थोड़ी दूरी (≥200 एनएम) वापस लें और जांच ट्यूनिंग मेनू पर लौट आएं। इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड एमएफएम लाइन प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली दूसरी कैंटिलीवर ट्यून करें, जिससे पिछले मुख्य लाइन मापदंडों से इस धुन के परिणामों को अनलिंक करना सुनिश्चित हो सके।
    1. चरण 4.2.1 में मुख्य (स्थलाकृति) लाइन ट्यून के लिए नियोजित 5% पीक ऑफसेट के विपरीत, इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड (एमएफएम) ट्यून के लिए, पीक ऑफसेट को 0% पर सेट करें (यानी, इंटरलेव्ड एमएफएम पास के दौरान जांच को इसकी प्राकृतिक मुक्त अंतरिक्ष अनुनाद आवृत्ति पर चलाएं), क्योंकि जांच उस क्षेत्र के बाहर घूम रही होगी जहां दृढ़ता से आकर्षक या प्रतिकारक वैन डेर वाल्स इलेक्ट्रोस्टैटिक बल महसूस किए जाते हैं)। चरण 4.1 के समान, प्रारंभ और समाप्ति आवृत्तियों का चयन करें जो जांच की अनुनाद आवृत्ति को फैलाने वाले क्षेत्र में ड्राइव आवृत्ति को साफ करेंगे।
    2. इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड लक्ष्य (या ड्राइव) आयाम को चरण 4.2.2 में चुने गए मुख्य लाइन लक्ष्य (या ड्राइव) आयाम से थोड़ा कम समायोजित करें (उदाहरण के लिए, स्थलाकृति मुख्य लाइन के लिए 50 एनएम लक्ष्य आयाम का उपयोग करते हुए इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड एमएफएम पास के लिए ~ 45 एनएम लक्ष्य आयाम)। यह इष्टतम पार्श्व रिज़ॉल्यूशन के लिए कम लिफ्ट ऊंचाइयों का उपयोग करते समय सतह पर प्रहार किए बिना उच्च संवेदनशीलता एमएफएम इमेजिंग को सक्षम करेगा (यानी, स्थलाकृतिक कलाकृतियों या चरण स्पाइक्स उत्पन्न करना)।
  2. कैंटिलीवर ट्यून विंडो छोड़ दें, सतह पर फिर से जुड़ें, और एमएफएम इमेजिंग मापदंडों को अनुकूलित करें।
    1. प्रारंभिक लिफ्ट स्कैन (इंटरलेव्ड एमएफएम पास) ऊंचाई को 25 एनएम पर सेट करें, फिर ~ 2-5 एनएम की वृद्धि में धीरे-धीरे कमी करें। एक बार जब जांच सिर्फ सतह पर हमला करना शुरू कर देती है, तो एमएफएम चरण चैनल में तेज स्पाइक्स दिखाई देंगे; जांच टिप को संरक्षित करने और स्थलाकृतिक कलाकृतियों की शुरूआत को रोकने के लिए स्कैन ऊंचाई को तुरंत ~ 2-5 एनएम तक बढ़ाएं।
    2. इंटरलेव दोलन आयाम में ~ 2-5 एनएम के अनुरूप छोटी वृद्धि में इंटरलेव ड्राइव आयाम बढ़ाएं जब तक कि इंटरलेव ड्राइव आयाम मेनलाइन ड्राइव आयाम से अधिक न हो जाए, या जांच सतह से संपर्क करना शुरू कर देती है जैसा कि एमएफएम चरण चैनल में स्पाइक्स द्वारा स्पष्ट है। फिर, इंटरलेव ड्राइव आयाम को थोड़ा कम करें (~ 1-2 एनएम वेतन वृद्धि के अनुरूप) ताकि एमएफएम चरण चैनल में कोई स्पाइक्स न देखा जाए।
    3. स्थलाकृतिक कलाकृतियों से मुक्त उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम छवि प्राप्त होने तक उत्तरोत्तर छोटी वृद्धि में समायोजित करके लिफ्ट स्कैन ऊंचाई और इंटरलेव ड्राइव आयाम को पुनरावर्ती रूप से अनुकूलित करना जारी रखें।
      1. चूंकि स्थलाकृति कलाकृतियों के लिए जिम्मेदार टिप-सैंपल वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन वांछित लंबी दूरी के चुंबकीय बलों की तुलना में दूरी के साथ बहुत तेजी से गिरते हैं, एमएफएम चुंबकीय चरण छवि में सुविधाओं की उत्पत्ति का मूल्यांकन करने के लिए, इन विशेषताओं की लिफ्ट ऊंचाई निर्भरता की जांच करें। स्थलाकृति कलाकृतियां लिफ्ट ऊंचाई में छोटी वृद्धि (कमी) के साथ अचानक गायब हो जाएंगी (दिखाई देंगी), जबकि वास्तविक चुंबकीय चरण प्रतिक्रियाएं धीरे-धीरे बदल जाएंगी (उदाहरण के लिए, लिफ्ट ऊंचाई कम होने के साथ शोर के लिए संकल्प और संकेत में सुधार होगा)।
      2. इसी तरह, यदि बार-बार स्कैनिंग पर कम जबरदस्ती के नमूनों के चुंबकीय क्षण संरेखण में परिवर्तन देखा जाता है, तो यह टिप-प्रेरित स्विचिंग का संकेत हो सकता है जिसके लिए कम क्षण की जांच (सामग्री की तालिका देखें) और संभावित रूप से उच्च लिफ्ट ऊंचाइयों के उपयोग की आवश्यकता होगी।

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Representative Results

कृत्रिम स्पिन-आइस (एएसआई) लैटिस
कृत्रिम स्पिन आइस को लिथोग्राफिक रूप से परिभाषित दो आयामी नेटवर्क के रूप में परिभाषित किया जाता है। वे डिजाइन द्वारा निराशा प्रदर्शित करते हैं (यानी, ऊर्जा परिदृश्य में कई स्थानीय मिनिमा का अस्तित्व) 21,42,43। सरणी घटकों के बीच चुंबकीय विन्यास और बातचीत को स्पष्ट करने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम इमेजिंग जाली21 की स्पिन-बर्फ की स्थिति को बेहतर ढंग से समझने का अनूठा अवसर प्रदान करता है। एमएफएम इमेजिंग के लिए स्पिन-आइस लैटिस को इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी के माध्यम से एक कोप्लानर वेव गाइड (सीपीडब्ल्यू) पर तैयार किया गया था जिसमें सिलिकॉन वेफर (चित्रा 1 ए) पर जमा 10 एनएम मोटी टाइटेनियम (टीआई) और 150 एनएम मोटी सोना (एयू) शामिल था। एएसआई 20 एनएम मोटी कोफे (Co90 Fe 10) और /या Py (Ni80 Fe20) से बनेथे, जो एकल (यानी, केवल CoFe या Py) और द्विघटक (यानी, CoFe और Py) वर्ग 28 और हेक्सागोनल (हनीकॉम्ब) 44 सरणियों दोनों में व्यवस्थित ~ 260 nm x ~80 nm नैनोस्केल बार मैग्नेट बनाने के लिए पैटर्न किए गए थे। नैनोस्केल बार मैग्नेट के परिणामी सरणियों को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) के माध्यम से चित्रित किया गया था, जिसमें चित्र 1 बी में दिखाए गए आदर्श एकल घटक (कोफे केवल) वर्ग और हेक्सागोनल सरणियों की एसईएम छवियां थीं। यद्यपि एएसआई ग्राउंड स्टेट्स के बारे में एएसआई अनुसंधान समुदाय के भीतर महत्वपूर्ण रुचि है, यहां जांच किए गए नमूनों के लिए निर्माण के बाद सीपीडब्ल्यू की लंबी धुरी के साथ एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप एएसआई चुंबकीय क्षणों का इन-प्लेन अभिविन्यास हुआ। चित्रा 1 सी एक वर्ग एएसआई जाली के 16 संभावित क्षण विन्यास, साथ ही एक मधुकोश एएसआई जाली के आठ संभावित क्षण विन्यास को दर्शाता है। प्रोटोकॉल में वर्णित उच्च-रिज़ॉल्यूशन ग्लोवबॉक्स एमएफएम का उपयोग तब एकल और द्विघटक वर्ग और हेक्सागोनल एएसआई लैटिस दोनों को चित्रित करने के लिए किया गया था।

चित्रा 2 एमएफएम इमेजिंग मापदंडों को पूरी तरह से अनुकूलित करने से पहले एक निष्क्रिय वायुमंडल दस्तानेबॉक्स में प्राप्त प्रतिनिधि वर्ग और हेक्सागोनल जाली सरणियों की शिक्षाप्रद एएफएम स्थलाकृति और एमएफएम चुंबकीय चरण छवियों को प्रस्तुत करता है। चित्रा 2 ए और चित्रा 2 डी में स्थलाकृति छवियों की जांच ऊर्ध्वाधर जाली सदस्यों के बाईं ओर एक छायाप्रभाव दिखाती है जो एक टिप आर्टिफैक्ट (डबल टिप) का संकेत है। चित्रा 2 बी (मामूली) और चित्रा 2 ई (अधिक स्पष्ट) में संबंधित एमएफएम चरण छवियों में देखी गई लकीरें चरण कूद या ऑफसेट का परिणाम हैं, संभवतः लिफ्ट मोड पास के दौरान नमूना सतह पर जांच के प्रहार के कारण (यानी, लिफ्ट की ऊंचाई थोड़ी कम होने या इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड पास में बहुत बड़े दोलन आयाम के कारण स्थलाकृतिक हस्तक्षेप)। इसके विपरीत, चित्रा 2 एच में चरण छवि की धब्बेदार, फुज़ियर प्रकृति शोर (यानी, संवेदनशीलता) के संकेत में कमी के कारण होती है जो इष्टतम मूल्यों के सापेक्ष इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड पास में बहुत अधिक लिफ्ट ऊंचाई या बहुत छोटे दोलन आयाम की रिवर्स समस्या से उत्पन्न होती है। फिर भी, उप-मानक छवि गुणवत्ता के संदर्भ में इन मुद्दों के बावजूद, तीन लैटिस के 3 डी टोपोग्राफी पर एमएफएम चुंबकीय चरण डेटा के ओवरले से पता चलता है कि, चित्रा 1 सी में दिखाए गए योजनाबद्धता के सापेक्ष, वर्ग सरणी, जिनकी जमीन की स्थिति एक प्रकार 1 कॉन्फ़िगरेशन है, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के आवेदन के बाद टाइप II कॉन्फ़िगरेशन को अपनाते हैं (चित्रा 2 सी में ऊर्ध्वाधर अक्ष के साथ संरेखित, च) 26,27. इस बीच, हेक्सागोनल सरणी एक प्रकार I कॉन्फ़िगरेशन को अपनाती है (बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को चित्र 2 एफ, आई) 26 में क्षैतिज अक्ष के साथ लागू किया गया था। इसके अतिरिक्त, चित्रा 2 सी में, ऊर्ध्वाधर (पीवाई) घटकों की तुलना में क्षैतिज (CoFe) जाली घटकों के लिए चुंबकीय चरण कंट्रास्ट काफी मजबूत है। चित्रा 2 एफ में, एएसआई संरचना उलट है (यानी, ऊर्ध्वाधर लैटिस कोफे से बने होते हैं, जबकि क्षैतिज जाली पाई होते हैं), और इसी तरह चुंबकीय चरण कंट्रास्ट उलट हो जाता है, क्योंकि अब यह ऊर्ध्वाधर (CoFe) जाली घटक हैं जो अधिक अंतर दिखाते हैं। ये दो द्विघटक वर्ग एएसआई एक ही सीपीडब्ल्यू पर एक-दूसरे के बगल में स्थित थे और एक के बाद एक एक, एक ही जांच और इमेजिंग स्थितियों के साथ चित्रित किए गए थे। इस प्रकार, Py घटक के सापेक्ष CoFe घटक के लिए दोनों छवियों में देखा गया उच्च चुंबकीय चरण कंट्रास्ट CoFe के बड़े चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण का संकेत है।

जैसा कि ऊपर बताया गया है, उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम छवियों को प्राप्त करने के प्रयास में शायद सबसे आसान गलती लिफ्ट स्कैन ऊंचाई बहुत कम है, या वैकल्पिक रूप से, चुनी गई लिफ्ट ऊंचाई के लिए बहुत अधिक ड्राइव आयाम है। इसके परिणामस्वरूप स्थलाकृतिक क्रॉसस्टॉक या चुंबकीय चरण चैनल में हस्तक्षेप होता है। इसका एक चरम उदाहरण चित्रा 3 में दिखाया गया है, जहां चरण छवियां (चित्रा 3 बी, डी) संबंधित नमूना स्थलाकृति छवियों (चित्रा 3 ए, सी) के समान दिखती हैं। चित्रा 3 ए, बी के मामले में, 11 एनएम की लिफ्ट ऊंचाई का उपयोग किया गया था, और इंटरलेव ड्राइव आयाम मुख्य लाइन स्थलाकृति ड्राइव आयाम (640 एमवी) की तुलना में अधिक (680 एमवी) था, जिससे जांच लिफ्ट मोड पास के दौरान वांछित चुंबकीय चरण के बजाय नमूना स्थलाकृति का मानचित्रण कर रही थी। चित्रा 3 सी, डी में, थोड़ी अधिक लिफ्ट ऊंचाई (12 एनएम) नियोजित की गई थी, और इंटरलेव ड्राइव आयाम (686 एमवी) को मुख्य लाइन स्थलाकृति ड्राइव आयाम (700 एमवी) से थोड़ा कम कर दिया गया था। नतीजतन, हालांकि चित्रा 3 डी में चरण छवि अभी भी स्थलाकृति कलाकृतियों (यानी, टिप-सैंपल वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन से उत्पन्न होने वाले चरण बदलाव) के स्पष्ट सबूत दिखाती है, इसमें हेक्सागोनल एएसआई जाली सरणी जंक्शनों पर वास्तविक चुंबकीय चरण प्रतिक्रिया भी शामिल है। हालांकि, चित्रा 3 डी में चुंबकीय चरण छवि अलग-अलग एएसआई सरणी तत्वों के वास्तविक चुंबकीय क्षण अभिविन्यास का एक विश्वसनीय संकेतक नहीं है क्योंकि दोलन आयाम अभी भी कम लिफ्ट ऊंचाई के लिए बहुत बड़ा होने के कारण स्थलाकृति प्रतिक्रिया के सह-मिलन के कारण है। चित्रा 3 डी एक स्पष्ट दृश्य अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि उपयोगकर्ताओं को कम लिफ्ट ऊंचाइयों के साथ काम करते समय एमएफएम चुंबकीय चरण छवियों की व्याख्या करने में अत्यधिक सावधानी बरतनी चाहिए, और हमेशा पुष्टि करें कि चुंबकीय चरण छवि में कलाकृतियों के कारण कोई स्थलाकृतिक हस्तक्षेप नहीं है (प्रोटोकॉल में अंतिम नोट देखें)।

चित्रा 3 में इसके विपरीत उदाहरणों के बावजूद, प्रोटोकॉल में वर्णित प्रक्रिया का पालन करते हुए, ग्लवबॉक्स में इन एएसआई नमूनों पर 10 एनएम तक की ऊंचाई नियमित रूप से हासिल की गई थी, जिसमें कोई स्थलाकृतिक हस्तक्षेप नहीं था। पाठक की सहायता के लिए, चित्रा 4 एमएफएम इमेजिंग मापदंडों को अनुकूलित करते हुए प्राप्त एकल घटक (केवल पाई) वर्ग एएसआई जाली की छवियों की प्रगति प्रदर्शित करता है, जिसमें चित्रा 5 उस एएसआई की अंतिम, अनुकूलित छवि दिखाता है। चित्रा 4 ए, बी चित्रा 2 एच की याद दिलाता है, जिसमें इष्टतम संवेदनशीलता और रिज़ॉल्यूशन के लिए लिफ्ट मोड पास (चित्रा 4 ए, बी) में बहुत अधिक लिफ्ट ऊंचाई (चित्रा 4 ए) और / या बहुत छोटा ड्राइव / दोलन आयाम है। इसके विपरीत, चित्रा 4 सी में देखी गई चुंबकीय चरण छवि बेहद कुरकुरा है, जिसमें 10 एनएम की लिफ्ट ऊंचाई और लिफ्ट मोड ड्राइव आयाम केवल मुख्य लाइन स्थलाकृति ड्राइव आयाम से थोड़ा कम है; हालांकि, यह सरणी घटक सीमाओं (सफेद अंडाकार) के साथ स्थलाकृतिक कलाकृतियों के मामूली सबूत दिखाना शुरू कर रहा है। इस प्रकार, लिफ्ट मोड ड्राइव आयाम को थोड़ा कम करके, चित्रा 4 डी और चित्रा 5 में प्रस्तुत अनुकूलित एमएफएम छवियां प्राप्त की जाती हैं, जिसमें एमएफएम चुंबकीय चरण में स्थलाकृतिक हस्तक्षेप से बचा जाता है।

चुंबकीय आकार स्मृति मिश्र धातु (MSMA)
जब एक अत्यधिक शुद्ध एकल क्रिस्टल के रूप में उगाया जाता है, तो नी-एमएन-गा एक प्रोटोटाइपिकल एमएसएमए34 है। नी-एमएन-गा क्रिस्टल में आम तौर पर कई जुड़वां सीमाएं होती हैं, जहां भी दो जुड़वां डोमेन मिलते हैं, सतह राहत जुड़वां सीमाओं के स्थान और आसन्न जुड़वां डोमेनके बीच चुंबकीकरण दिशा और क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास को दर्शाती है। नतीजतन, एमएफएम का उपयोग जुड़वां सीमाओं को चित्रित करने और लागू चुंबकीय क्षेत्र या बल36,45 के जवाब में उनके आंदोलन को ट्रैक करने के लिए किया जा सकता है। चित्रा 6 एक पॉलिश किए गए एकल क्रिस्टल नी-एमएन-गा नमूने (चित्रा 6 ए) की चुंबकीय चरण छवि को प्रदर्शित करता है, साथ ही नमूने की 3 डी स्थलाकृति (चित्रा 6 सी) के शीर्ष पर एक रंगीन त्वचा के रूप में चुंबकीय चरण छवि को भी प्रदर्शित करता है। छवियां स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करती हैं कि चुंबकीय अभिविन्यास के साथ जुड़वां सीमाएं कैसे और कहां रेखा बनाती हैं; चित्र 6ए जुड़वां सीमाओं के पार विशिष्ट सीढ़ी चरण चुंबकीय अभिविन्यास को दर्शाता है, जबकि चित्र 6सी स्थलाकृतिक विशेषताओं (यानी, विस्तारित विकर्ण लकीरों और छवियों के निचले बाएं से ऊपरी दाईं ओर चलने वाली घाटियों) पर स्विच करने वाले चुंबकीय डोमेन की लंबी दिशा को दर्शाताहै। . एएसआई छवियों के साथ, Ni-Mn-Ga MFM छवि (ओं) को परिवेश आर्द्रता के कारण सतह के पानी की उपस्थिति को खत्म करने में मदद करने के लिए एक निष्क्रिय वायुमंडलीय ग्लोवबॉक्स में अधिग्रहित किया गया था और इस तरह कम लिफ्ट ऊंचाई (चित्रा 6 में दिखाए गए चित्रों के मामले में 15 एनएम) को सक्षम किया गया था, ताकि चित्र 6 ए और चित्रा 6 बी में देखे गए ~ 200 एनएम चौड़े चुंबकीय डोमेन को हल करने के लिए रिज़ॉल्यूशन और संवेदनशीलता बढ़ सके। चित्र 6 ए में नीले वर्ग द्वारा इंगित छवि के मध्य क्षेत्र में ज़ूम का अधिग्रहण किया गया।

Figure 1
चित्र 1: स्क्वायर और हनीकॉम्ब कृत्रिम स्पिन-आइस नेटवर्क। (ए) प्रयोगात्मक विन्यास का योजनाबद्ध। विस्तारित कृत्रिम स्पिन-आइस (एएसआई) नेटवर्क को इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी के माध्यम से टीआई / एयू से बने कोप्लानर वेवगाइड की सिग्नल लाइन के शीर्ष पर पैटर्न किया जाता है। इनसेट एक वर्ग एएसआई संरचना की एक आवर्धित छवि दिखाता है। लागू बाहरी चुंबकीय क्षेत्र का पूर्वाग्रह कोप्लानर वेवगाइड के लंबे पक्ष (वाई-दिशा) के साथ उन्मुख है। (बी) तत्वों के आयामों के साथ प्रतिनिधि वर्ग और मधुकोश एएसआई लैटिस (केवल CoFe) के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ को स्कैन करना। (सी) एक वर्ग कृत्रिम स्पिन-बर्फ जाली के 16 संभावित क्षण विन्यास और एक मधुकोश कृत्रिम स्पिन-बर्फ जाली के आठ संभावित क्षण विन्यास को दर्शाने वाला योजनाबद्ध। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्रा 2: एएसआई नेटवर्क में चुंबकीय क्षण विन्यास की एमएफएम इमेजिंग। एएफएम स्थलाकृति (बाएं कॉलम; A, D, G) और संबंधित एमएफएम चुंबकीय चरण छवियां (मध्य स्तंभ; B, E, H) प्रतिनिधि द्विघटक (CoFe और Py) वर्ग (शीर्ष और मध्य पंक्तियाँ; ए-एफ), और एकल घटक (केवल CoFe) हेक्सागोनल (नीचे पंक्ति; जी-आई) एमएफएम इमेजिंग मापदंडों के पूर्ण अनुकूलन से पहले एएसआई जाली सरणी। दाहिना स्तंभ (सी, एफ, आई) एएसआई संरचनाओं के भीतर चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षणों के सापेक्ष संरेखण को दिखाने के लिए एक रंगीन त्वचा के रूप में संबंधित एमएफएम चरण चैनल के साथ प्रत्येक एएसआई नमूने की 3 डी एएफएम स्थलाकृति प्रदर्शित करता है। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के आवेदन के बाद, वर्ग जाली एएसआई एक प्रकार II कॉन्फ़िगरेशन (ऊर्ध्वाधर अक्ष के साथ लागू क्षेत्र, ए-सी में पाई तत्वों और डी-एफ में कोफे तत्वों के अनुरूप) को अपनाते हैं, जबकि हेक्सागोनल जाली (इस छवि में क्षैतिज अक्ष के साथ लागू क्षेत्र) एक प्रकार I व्यवस्था को अपनाता है (चित्रा 1 सी देखें)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 3
चित्रा 3: एमएफएम चुंबकीय चरण छवियों में स्थलाकृतिक कलाकृतियां। प्रतिनिधि एएफएम स्थलाकृति (बाएं कॉलम; A, C) और एमएफएम चुंबकीय चरण (दाएं स्तंभ; B, D) एकल घटक (केवल पाई) वर्ग एएसआई (शीर्ष) की छवियां; ए-बी) और द्विघटक (CoFe = ऊर्ध्वाधर तत्व; Py = तिरछे तत्व) मधुकोश एएसआई (नीचे; सी-डी) एमएफएम चुंबकीय चरण छवियों में स्थलाकृतिक कलाकृतियों के स्पष्ट सबूत दिखा रहा है। (A) ड्राइव आयाम = 640 mV, (B) लिफ्ट ऊंचाई = 11 nm, ड्राइव आयाम = 680 mV, (C) ड्राइव आयाम = 700 mV, (D) लिफ्ट ऊंचाई = 12 nm, ड्राइव आयाम = 686 mV कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्रा 4: पैरामीटर अनुकूलन के साथ एमएफएम चरण छवि गुणवत्ता में प्रगति। एकल घटक (केवल पाई) वर्ग एएसआई जाली सरणी के लिए एमएफएम चरण छवि गुणवत्ता में प्रगति क्योंकि एमएफएम इमेजिंग पैरामीटर क्रमिक रूप से / पुनरावृत्ति रूप से अनुकूलित होते हैं: (ए) लिफ्ट स्कैन ऊंचाई = 15 एनएम, ड्राइव आयाम = 80 एमवी; (बी) लिफ्ट स्कैन ऊंचाई = 10 एनएम, ड्राइव आयाम = 110 एमवी; (सी) लिफ्ट स्कैन ऊंचाई = 10 एनएम, ड्राइव आयाम = 240 एमवी; (डी) लिफ्ट स्कैन ऊंचाई = 10 एनएम, ड्राइव आयाम = 220 एमवी। संदर्भ के लिए, मुख्य (स्थलाकृति) लाइन ड्राइव आयाम को सभी छवियों के लिए ~ 50 एनएम मुक्त अंतरिक्ष आयाम के अनुरूप 250 एमवी पर स्थिर रखा गया था। जैसा कि सफेद अंडाकार द्वारा इंगित किया गया है, छवि (सी) चरण छवि (नैनोमैग्नेट के किनारों के साथ सरणी जंक्शनों से निकलने वाली अंधेरी रेखाएं) में दिखाई देने वाली मामूली स्थलाकृतिक कलाकृतियों के सबूत दिखाती है, यह दर्शाता है कि लिफ्ट स्कैन की ऊंचाई बहुत कम है या इंटरलेव मोड आयाम बहुत अधिक है। (डी) में इंटरलेव आयाम को थोड़ा कम करके, स्थलाकृतिक कलाकृतियां छवि की गुणवत्ता का त्याग किए बिना लगभग गायब हो जाती हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: पूरी तरह से अनुकूलित एमएफएम चुंबकीय चरण छवि। चित्रा 4 में प्रतिनिधि एकल घटक (केवल पाई) वर्ग एएसआई जाली सरणी की पूरी तरह से अनुकूलित एमएफएम चुंबकीय चरण छवियां। (ए) 2 डी चुंबकीय चरण छवि। (बी) चुंबकीय चरण के साथ 3 डी स्थलाकृति एक रंगीन त्वचा के रूप में उभरी हुई है, जो एएसआई को दिखाती है कि ऊर्ध्वाधर अक्ष के साथ बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के अनुप्रयोग के बाद एक प्रकार II विन्यास ( चित्रा 1 सी देखें) प्रदर्शित होता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 6
चित्रा 6: एकल क्रिस्टल नी-एमएन-जीए नमूने में चुंबकीय जुड़वां सीमाओं की एमएफएम इमेजिंग। (ए) एकल क्रिस्टल नी-एमएन-गा नमूने की 45 μm x 45 μm MFM चुंबकीय चरण छवि जिसमें विकर्ण जुड़वाँ मौजूद हैं, जुड़वां सीमाओं के पार अपेक्षित ~ 90 ° सीढ़ी चरण चुंबकीय अभिविन्यास पैटर्न प्रदर्शित करते हैं। (बी) ज़ूम्ड उच्च रिज़ॉल्यूशन (पिक्सेल घनत्व) एमएफएम चुंबकीय चरण छवि (ए) में सफेद वर्ग द्वारा इंगित 10 μm x 10 μm क्षेत्र से प्राप्त होती है जो वैकल्पिक चुंबकीय डोमेन को दर्शाती है ~ 200 एनएम चौड़ी है। (सी) एमएफएम चुंबकीय चरण छवि (ए) से 3 डी नमूना स्थलाकृति के ऊपर एक रंगीन त्वचा के रूप में उभरी हुई है, यह दर्शाती है कि चुंबकीकरण दिशा स्विचिंग जुड़वां सीमाओं पर होती है, जैसा कि स्कैन दिशा / छवि के संबंध में ~ 45 डिग्री पर निचले बाएं से ऊपरी दाईं ओर चलने वाली स्थलाकृतिक सतह राहत सुविधाओं के साथ इसके संरेखण से स्पष्ट है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक चित्र S1. जांच धारक माउंटिंग ब्लॉक के साथ तीन प्रोब माउंटिंग स्टेशन। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्र S2. आयाम श्रृंखला के एएफएम प्रमुखों के लिए मानक जांच धारक का योजनाबद्ध। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक चित्र S3. एक एमएफएम जांच को चुंबकित करना। (ए) चुंबक को उसके मामले से हटा दिया गया और जांच पर रखा जा रहा है। (बी) जांच पर रखे जाने के बाद चुंबक। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक फाइल 1. चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी (एमएफएम) का उपयोग करने के लिए एक सामान्य मानक ऑपरेटिंग प्रोटोकॉल। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

उच्च-रिज़ॉल्यूशन एमएफएम इमेजिंग के लिए आवश्यक है कि प्रत्येक पंक्ति के लिए पहले एक संबंधित उच्च-रिज़ॉल्यूशन, उच्च-निष्ठा स्थलाकृति स्कैन प्राप्त किया जाए। यह स्थलाकृति स्कैन आमतौर पर आंतरायिक संपर्क या टैपिंग मोड एएफएम के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, जो छवि नमूना स्थलाकृति47 के लिए आयाम मॉड्यूलेशन प्रतिक्रिया प्रणाली को नियोजित करता है। स्थलाकृति स्कैन की निष्ठा को कैंटिलीवर के आयाम सेट बिंदु और प्रोटोकॉल में वर्णित प्रतिक्रिया लाभ को समायोजित करके अनुकूलित किया जा सकता है। आयाम सेटपॉइंट महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह जांच टिप और नमूना सतह के बीच बातचीत की डिग्री को नियंत्रित करता है। बहुत कम सेटपॉइंट अक्सर नमूना सतह और / या जांच टिप की क्षति की ओर जाता है, जिससे चुंबकीय कोटिंग को हटाने पर इंटरलेव्ड एमएफएम लाइन पर हानिकारक प्रभाव पड़ सकता है; बहुत अधिक आयाम सेटपॉइंट खराब चरण छवि कंट्रास्ट48 का कारण बन सकता है। इसी तरह, स्थिर-राज्य त्रुटि को कम करने औरसिस्टम प्रतिक्रिया को प्रभावी ढंग से सुधारने में आनुपातिक और अभिन्न लाभ भी महत्वपूर्ण विचार हैं।

प्रत्येक स्थलाकृति रेखा के अधिग्रहण के बाद इंटरलेव्ड लिफ्ट मोड एमएफएम पास के दौरान, एमएफएम जांच अवांछित शॉर्ट-रेंज वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन की एक अलग डिग्री का अनुभव करेगी, जो नमूना स्थलाकृति छवि उत्पन्न करने के लिए जिम्मेदार हैं, बनाम वांछनीय लंबी दूरी के चुंबकीय बल इंटरैक्शन (एमएफएम छवि उत्पन्न करने के लिए) टिप-नमूना पृथक्करण दूरी1 पर निर्भर करता है। . वान डेर वाल्स प्रभुत्व वाले शासन की सीमा का अनुभवपूर्वक निर्धारण शायद उच्च-रिज़ॉल्यूशन, आर्टिफैक्ट-फ्री एमएफएम छवियों को प्राप्त करने में सबसे महत्वपूर्ण कारक है, जैसा कि चित्र 3 और चित्रा 4 में दिखाया गया है। इन दो व्यवस्थाओं के बीच अनुमानित सीमा तक पहुंचने के लिए अनुकूलन करने के लिए दो प्रमुख पैरामीटर (जहां उच्चतम रिज़ॉल्यूशन एमएफएम छवियां प्राप्त की जाएंगी, जैसा कि चित्रा 5 में दिखाया गया है) लिफ्ट स्कैन ऊंचाई और ड्राइव (और इसलिए लक्ष्य दोलन) आयाम हैं। स्थलाकृतिक कलाकृतियों की पहचान करने के लिए अंगूठे का एक अच्छा नियम यह है कि वे लिफ्ट ऊंचाई में थोड़ी वृद्धि या लिफ्ट मोड ड्राइव आयाम में कमी के साथ जल्दी से गायब हो जाएंगे ( चित्रा 4 सी, डी और पूरक फ़ाइल 1 देखें)। इसी तरह, कम लिफ्ट ऊंचाइयों पर बार-बार स्कैनिंग के साथ कम जबरदस्ती के नमूनों के देखे गए चुंबकीय क्षण संरेखण में परिवर्तन टिप-प्रेरित स्विचिंग30 का संकेत हो सकता है, जिससे इमेजिंग के दौरान नमूने के चुंबकीय अभिविन्यास को संरक्षित करने के लिए कम क्षण की जांच ( सामग्री की तालिका देखें) के उपयोग की आवश्यकता होती है।

स्थलाकृतिक हस्तक्षेप को रोकने के लिए, सबसे कम प्राप्त करने योग्य लिफ्ट ऊंचाई मौलिक रूप से नमूना सतह पर किसी भी उच्च पहलू अनुपात सुविधाओं की ऊंचाई से सीमित होगी। हालांकि, जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, लिफ्ट की ऊंचाई जितनी कम होगी, प्राप्त करने योग्य रिज़ॉल्यूशन उतना ही अधिक होगा; कम पानी (<0.1 पीपीएम) ग्लोवबॉक्स वातावरण में एमएफएम ऑपरेशन नमूने की स्क्रीनिंग में कमी और सतह के पानी की परत के साथ हस्तक्षेप करने वाली टिप-सैंपल इंटरैक्शन के उन्मूलन के परिणामस्वरूप चिकनी (एनएम स्केल खुरदरापन) नमूनों पर नियमित रूप से 10 एनएम की लिफ्ट ऊंचाइयों को प्राप्त करने की अनुमति देता है। लेखकों के ज्ञान के लिए, इस तरह की लिफ्ट ऊंचाइयां किसी भी एमएफएम अध्ययन17 में सबसे कम रिपोर्ट की गई हैं। हालांकि, स्थलाकृतिक हस्तक्षेप की संभावना (उदाहरण के लिए, जैसा कि अचानक एमएफएम चरण कूद या स्पाइक्स द्वारा स्पष्ट है) लिफ्ट ऊंचाई कम होने के साथ बढ़ जाती है, संभावित रूप से लिफ्ट मोड ड्राइव (और इसलिए दोलन) आयाम को कम करने की आवश्यकता होती है, जो एमएफएम संवेदनशीलता को नकारात्मक रूप से प्रभावित करेगा। चित्रा 2 और चित्रा 5 में दिखाए गए एएसआई नमूनों में स्वाभाविक रूप से कमजोर या इन-प्लेन चुंबकीय क्षणों को मापने के लिए उच्च संवेदनशीलता आवश्यक है, और इस प्रकार लिफ्ट ऊंचाई को कम करने में कम रिटर्न का एक बिंदु बन जाता है यदि ऐसा करने के लिए एक मजबूत दोलन आयाम का त्याग किया जाना चाहिए। इसलिए, अध्ययन किए जा रहे नमूने के लिए एमएफएम रिज़ॉल्यूशन और संवेदनशीलता के बीच इष्टतम व्यापार-बंद के लिए लिफ्ट ऊंचाई और ड्राइव / दोलन आयाम को पुन: समायोजित करना आवश्यक है। एएसआई नमूनों के मामले में, जैसा कि चित्र 5 में देखा गया है, बेहद कम लिफ्ट ऊंचाइयों पर स्थलाकृतिक कलाकृतियों की उपस्थिति की पुष्टि की जा सकती है और ड्राइव (दोलन) आयाम (या वैकल्पिक रूप से, लिफ्ट ऊंचाई में मामूली वृद्धि) में छोटे बदलावों के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है। इसके विपरीत, चित्रा 6 में प्रस्तुत नी-एमएन-गा एमएसएमए नमूने के लिए, आसन्न नैनोट्विन डोमेन के बीच बड़े चुंबकीय अंतर का मतलब है कि अंततः रिज़ॉल्यूशन को अधिकतम करने के लिए लिफ्ट ऊंचाई को कम करना संवेदनशीलता में सुधार के लिए ड्राइव / दोलन आयाम को बढ़ाने से अधिक महत्वपूर्ण है।

अंत में, इस अध्ययन में वर्णित तकनीकें (प्रोटोकॉल और पूरक फ़ाइल 1 देखें) नैनोस्केल चुंबकीय डोमेन के एमएफएम इमेजिंग आयोजित करने पर विचार करने वालों के लिए पर्याप्त लाभ और एक रोडमैप प्रदान करती हैं। विशेष रूप से, उच्च-रिज़ॉल्यूशन, उच्च-संवेदनशीलता एमएफएम के माध्यम से इन-प्लेन चुंबकीय क्षणों की छवि बनाने की क्षमता कृत्रिम स्पिन आइस और चुंबकीय आकार मेमोरी मिश्र धातुओं सहित रोमांचक सामग्री प्रणालियों और आर्किटेक्चर की एक विस्तृत विविधता की चुंबकीय संरचना को समझने में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है। दोनों सामग्री नैनोमैग्नेटिज्म, नैनोमैग्नोनिक्स और कार्यात्मक उपकरणों17,50,51,52 के भविष्य के अभिसरण के लिए एक आकर्षक खेल का मैदान प्रदान करती हैं। इसके अलावा, कृत्रिम स्पिन आइस की अत्यधिक पतित जमीनी स्थिति ने लंबे समय से सामूहिक स्पिन भौतिकी के लिए एक मॉडल प्रणाली के रूप में और जटिल चुंबकीय क्रम और सामूहिक विकार में उनकी क्षमता के लिए वैज्ञानिक रुचि हासिल की है, जिसमें एमएफएम एएसआई21 में निराशा की खोज और जांच को सक्षम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा रहा है। आगे बढ़ते हुए, चुंबकीय द्विध्रुवीय अभिविन्यास को समझना, विशेष रूप से एक लागू चुंबकीय क्षेत्र23 के जवाब में, नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और कम ऊर्जा कंप्यूटिंग में एएसआई के कार्यान्वयन को गति दे सकता है, नैनोमैग्नोनिक्स में क्रांति ला सकता है और रोजमर्रा की जिंदगी में उनके समावेश को सक्षम करसकता है। जब सावधानीपूर्वक नमूना तैयार करने और उचित जांच विकल्प के साथ जोड़ा जाता है, तो एमएफएम इन सामग्रियों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियां प्रदान करने का अनूठा अवसर प्रदान करता है, जो डेटा भंडारण, आकार-मेमोरी-मिश्र धातुओं, कंप्यूटिंग और बहुत कुछ की अगली पीढ़ियों को ईंधन देता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

सभी एएफएम / एमएफएम इमेजिंग बोइस स्टेट यूनिवर्सिटी सरफेस साइंस लेबोरेटरी (एसएसएल) में किया गया था। इस काम में उपयोग किए जाने वाले ग्लवबॉक्स एएफएम सिस्टम को नेशनल साइंस फाउंडेशन मेजर रिसर्च इंस्ट्रूमेंटेशन (एनएसएफ एमआरआई) ग्रांट नंबर 1727026 के तहत खरीदा गया था, जिसने पीएचडी, एसीपी और ओओएम के लिए आंशिक सहायता भी प्रदान की थी। ओओएम के लिए आंशिक समर्थन एनएसएफ कैरियर अनुदान संख्या 1945650 द्वारा प्रदान किया गया था। डेलावेयर विश्वविद्यालय में अनुसंधान, कृत्रिम स्पिन-बर्फ संरचनाओं के निर्माण और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी लक्षण वर्णन सहित, अमेरिकी ऊर्जा विभाग, बुनियादी ऊर्जा विज्ञान कार्यालय, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग द्वारा पुरस्कार डीई-एससी0020308 के तहत समर्थित था। लेखक ों ने सहायक चर्चाओं और नी-एमएन-गा नमूनों की तैयारी के लिए डॉ मेधा वेलिगाटला और पीटर मुलनर को धन्यवाद दिया, साथ ही डॉ कोरी एफाव और लांस पैटन को पूरक फ़ाइल 1 सहित एमएफएम मानक संचालन प्रक्रिया में उनके योगदान के लिए धन्यवाद दिया।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Atomic force microscope Bruker Dimension Icon Uses Nanoscope control software
Glovebox, inert atmosphere MBraun LabMaster Pro MB200B + MB20G gas purification unit Custom design (leaktight electrical feedthroughs, vibration isolation, acoustical noise and air current minimization, etc.) and depth for use with Bruker Dimension Icon AFM, 3 gloves, argon atmosphere
MFM probe Bruker MESP k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 Oe coercivity, 1 x 10-13 EMU moment. An improved version with tighter specifications, the MESP-V2, is now available. We have also used Bruker's MESP-RC (2x higher resonance frequency than the standard MESP, f0 = 150 kHz, with a marginally stiffer nominal spring constant of 5 N/m) and other MESP variants designed for low (0.3 x 10-13 EMU) or high (3 x 10-13 EMU) moment (i.e., MESP-LM or MESP-HM, respectively) or coercivity. A variety pack of 10 probes containing 4x regular MESP, 3x MESP-LM, and 3x MESP-HM variants is available from Bruker as MESPSP. Other vendors also manufacture MFM probes with specifications similar to the MESP (e.g., PPP-MFMR from Nanosensors, also available in a variety of variants, including -LC for low coercivity, -LM for low moment, and SSS for "super sharp" decreased tip radius; MAGT from AppNano, available in low moment [-LM] and high moment [-HM] variants). Similarly, Team Nanotec offers a line of high resolution MFM probes (HR-MFM) with several options in terms of cantilever spring constant and magnetic coating thickness.
MFM test sample Bruker MFMSAMPLE Section of magnetic recording tape mounted on a 12 mm diameter steel puck; useful for troubleshooting and ensuring the MFM probe is magnetized and functioning properly
Nanscope Analysis Bruker Version 2.0 Free AFM image processing and analysis software package, but proprietary, designed for, and limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others
Probe holder Bruker DAFMCH or DCHNM Specific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder, suitable for most MFM applications, while DCHNM is a special nonmagnet version for particularly sensitive MFM imaging
Probe magnetizer Bruker DMFM-START MFM "starter kit" designed specifically for the Dimension Icon AFM; includes 1 box of 10 MESP probes (see above), a probe magnetizer (vertically aligned, ~2,000 Oe magnet in a mount designed to accommodate the DAFMCH or DCHNM probe holder, above), and a magnetic tape sample (MFMSAMPLE, above)
Sample Puck Ted Pella 16218 Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Scanning electron microscope (SEM) Zeiss Merlin Gemini II SEM parameters: 5 keV accelaration voltage, 30 pA electron current, 5 mm working distance. Due to nm scale ASI lattice features, the aperture and stigmation alignment were adjusted before acquisition to produce high quality images.

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इंजीनियरिंग अंक 185
नैनोस्केल चुंबकीय डोमेन की कल्पना करने के लिए चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी संकल्प और संवेदनशीलता का अनुकूलन
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