Method Article

Nano Ölçekli Manyetik Etki Alanlarını Görselleştirmek için Manyetik Kuvvet Mikroskobu Çözünürlüğünü ve Duyarlılığını Optimize Etme

DOI:

10.3791/64180

⸱

July 20th, 2022

 ,  ,  ,  , 
1Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University, 2Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, 3Center for Advanced Energy Studies

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Manyetik kuvvet mikroskobu (MFM), örnek topografyasını ve yerel manyetik alan gücünü nano ölçekli çözünürlükle ölçmek için dikey olarak mıknatıslanmış bir atomik kuvvet mikroskobu probu kullanır. MFM uzamsal çözünürlüğünü ve hassasiyetini optimize etmek, azalan kaldırma yüksekliğini artan tahrik (salınım) genliğine karşı dengelemeyi gerektirir ve inert bir atmosfer eldiven kutusunda çalışmaktan yararlanır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Manyetik kuvvet mikroskobu (MFM), yerel manyetik alanların nano ölçekli çözünürlükte bir numune yüzeyi boyunca haritalanmasını sağlar. MFM'yi gerçekleştirmek için, ucu dikey olarak mıknatıslanmış (yani, prob konsoluna dikey) bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) probu, numune yüzeyinin üzerinde sabit bir yükseklikte salınır. Her piksel konumundaki dikey manyetik kuvvet gradyanının büyüklüğü ve işareti ile orantılı olan salınım fazında veya frekansında ortaya çıkan kaymalar daha sonra izlenir ve eşlenir. Tekniğin uzamsal çözünürlüğü ve hassasiyeti, yüzeyden yükseklik yüksekliğinin azalmasıyla artmasına rağmen, geliştirilmiş MFM görüntülerine giden bu görünüşte basit yol, daha kısa menzilli van der Waals kuvvetleri nedeniyle topografik artefaktları en aza indirmek, hassasiyeti daha da artırmak için salınım genliğini artırmak ve yüzey kirleticilerinin varlığı (özellikle ortam koşulları altında nem nedeniyle su) gibi hususlarla karmaşıktır. Ek olarak, probun manyetik dipol momentinin oryantasyonu nedeniyle, MFM, düzlem dışı bir mıknatıslanma vektörüne sahip numunelere karşı doğal olarak daha hassastır. Burada, <0.1 ppm O 2 ve H2 O ile inert (argon) atmosfer eldiven kutusunda elde edilen tek ve iki bileşenli nanomıknatıs yapay spin-buz (ASI) dizilerinin yüksek çözünürlüklü topografik ve manyetik faz görüntüleri bildirilmiştir. Yüksek çözünürlük ve hassasiyet için kaldırma yüksekliğinin ve tahrik genliğinin optimizasyonu tartışılırken, aynı zamanda topografik eserlerin ortaya çıkmasını önler ve ASI numune yüzeyinin düzleminde hizalanmış nano ölçekli çubuk mıknatısların (~ 250 nm uzunluğunda ve <100 nm genişliğinde) her iki ucundan çıkan başıboş manyetik alanların tespiti gösterilmiştir. Benzer şekilde, bir Ni-Mn-Ga manyetik şekil bellek alaşımı (MSMA) örneğini kullanarak, MFM, her biri ~ 200 nm genişliğinde bir dizi bitişik manyetik alanı çözebilen manyetik faz duyarlılığına sahip inert bir atmosferde gösterilmiştir.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Atomik kuvvet mikroskobunun (AFM) bir türevi olan manyetik kuvvet mikroskobu (MFM), mıknatıslanmış bir prob ucunun 1,2,3,4,5 numune yüzeyinin üzerinde ilerlerken yaşadığı nispeten zayıf ancak uzun menzilli manyetik kuvvetlerin görüntülenmesini sağlar. AFM, yüzey topografyası6'yı haritalamak ve nano ölçekli çözünürlükle 7,8,9 malzeme özelliklerini (örneğin, mekanik, elektriksel ve manyetik)....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOT: Aşağıdaki protokole ek olarak, burada kullanılan cihaza özgü ve genel MFM görüntülemeye yönelik ayrıntılı bir adım adım MFM standart çalışma prosedürü (SOP) Ek Dosya 1 olarak dahil edilmiştir. Bu makalenin video bölümünü tamamlamak için SÇP, prob tutucunun görüntülerini, uç manyetizatörünü ve mıknatıslama prosedürünü, yazılım ayarlarını vb. içerir.

1. MFM probu hazırlama ve kurma

  1. AFM kontrol yazılımını açın ve MFM çalışma alanını seçin (bkz.
  2. Uygun bir prob tutucusuna manyetik kaplamalı bir AFM probu takın (örneğin, Co-Cr, Malzeme Tablosuna bakınız) ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yapay spin-buz (ASI) kafesleri
Yapay spin buzları, etkileşen nanomıknatısların litografik olarak tanımlanmış iki boyutlu ağlarıdır. Tasarım gereği hayal kırıklığı sergiliyorlar (yani, enerji manzarasında birçok yerel minimanın varlığı)21,42,43. Dizi bileşenleri arasındaki manyetik konfigürasyonları ve etkileşimleri aydınlatmak için yüksek çözünürlüklü MFM görüntüleme, kafes21'in spin-b.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yüksek çözünürlüklü MFM görüntüleme, önce her hat için karşılık gelen yüksek çözünürlüklü, yüksek doğrulukta bir topografya taramasının alınmasını gerektirir. Bu topografya taraması tipik olarak, örnek topografya47'yi görüntülemek için bir genlik modülasyonu geri besleme sistemi kullanan aralıklı temas veya kılavuz çekme modu AFM aracılığıyla elde edilir. Topografya taramasının aslına uygunluğu, konsol ve geri besleme kazanımlarının genlik ayar noktasının Protokol'de açıklandığı şekilde ayarlanmas.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tüm AFM / MFM görüntülemeleri Boise State Üniversitesi Yüzey Bilimleri Laboratuvarı'nda (SSL) gerçekleştirildi. Bu çalışmada kullanılan eldiven kutusu AFM sistemi, PHD, ACP ve OOM için kısmi destek sağlayan Ulusal Bilim Vakfı Büyük Araştırma Enstrümantasyonu (NSF MRI) Hibe Numarası 1727026 kapsamında satın alınmıştır. OOM için kısmi destek, NSF KARİYER Hibe Numarası 1945650 tarafından da sağlanmıştır. Delaware Üniversitesi'nde, yapay spin-buz yapılarının üretimi ve elektron mikroskobu karakterizasyonu da dahil olmak üzere yapılan araştırmalar, ABD Enerji Bakanlığı, Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Malzeme Bilimleri ve Mühendisliği Bölümü tarafından DE-SC0020308 Ödülü kap....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Atomik kuvvet mikroskobuBrukerDimension IconNanoscope kontrol yazılımı kullanır
Torpido gözü, inert atmosferMBraunLabMaster Pro MB200B + MB20G gaz arıtma ünitesiBruker Dimension Icon AFM ile kullanım için özel tasarım (sızdırmaz elektrik geçişleri, titreşim izolasyonu, akustik gürültü ve hava akımı minimizasyonu vb.) ve derinlik
MESPk = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 Oe zorlama, 1 x 10-13 EMU momenti. Daha sıkı özelliklere sahip geliştirilmiş bir versiyon olan MESP-V2 artık mevcut. Ayrıca Bruker'in MESP-RC'sini (standart MESP'den 2 kat daha yüksek rezonans frekansı, f 5 N/m'lik marjinal olarak daha sert nominal yay sabiti ile) ve düşük (0,3 x 10-13 EMU) veya yüksek (3 x 10-13 EMU) momenti ( yani, sırasıyla MESP-LM veya MESP-HM) veya zorlama. 4x normal MESP, 3x MESP-LM ve 3x MESP-HM varyantlarını içeren 10 probdan oluşan çeşitli bir paket, Bruker'den MESPSP olarak temin edilebilir. Diğer satıcılar da MESP'ye benzer özelliklere sahip MFM probları üretir (örneğin, Nanosensörlerden PPP-MFMR, düşük zorlayıcılık için -LC, düşük moment için -LM ve "süper keskin" azaltılmış uç yarıçapı için SSS dahil olmak üzere çeşitli varyantlarda da mevcuttur; AppNano'dan MAGT, düşük moment [-LM] ve yüksek moment [-HM] varyantlarında mevcuttur). Benzer şekilde, Team Nanotec, konsol yay sabiti ve manyetik kaplama kalınlığı açısından çeşitli seçeneklere sahip bir dizi yüksek çözünürlüklü MFM probu (HR-MFM) sunar.
MFM test örneğiBrukerMFM örneği12 mm çapında çelik bir disk üzerine monte edilmiş manyetik kayıt bandı bölümü; sorun giderme ve MFM probunun manyetize olduğundan ve düzgün çalıştığından emin olmak için kullanışlıdır
Nanscope AnalizBrukerSürüm 2.0Ücretsiz AFM görüntü işleme ve analiz yazılım paketi, ancak tescilli, Bruker AFM'ler için tasarlanmış ve bunlarla sınırlıdır; benzer işlevler ücretsiz olarak kullanılabilir, Gwyddion, WSxM ve diğerleri gibi platformdan bağımsız AFM görüntü işleme ve analiz yazılım paketleri
Prob tutucuBrukerDAFMCH veya DCHNMKullanılan belirli AFM'ye özgü; DAFMCH, çoğu MFM uygulaması için uygun olan standart temas ve kılavuz çekme modlu prob tutucudur, DCHNM ise özellikle hassas MFM görüntüleme için özel bir mıknatıssız versiyondur
Prob manyetizörüBrukerDMFM-STARTMFM "başlangıç kiti", Dimension Icon AFM için özel olarak tasarlanmıştır; 1 kutu 10 MESP probu içerir (yukarıya bakın), bir prob manyetizörü (dikey olarak hizalanmış, Yukarıdaki DAFMCH veya DCHNM prob tutucusunu barındıracak şekilde tasarlanmış bir montajda ~2.000 Oe mıknatıs ve bir manyetik bant örneği (MFMSAMPLE, yukarıda)
Numune DiskiTed Pella16218Ürün numarası 15 mm çapında paslanmaz çelik numune diski içindir. Ayrıca 6 mm, 10 mm, 12 mm ve 20 mm çaplarda https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Taramalı elektron mikroskobu (SEM)mevcutturZeiss MerlinGemini IISEM parametreleri: 5 keV hızlanma gerilimi, 30 pA elektron akımı, 5 mm çalışma mesafesi. Nm ölçekli ASI kafes özellikleri nedeniyle, yüksek kaliteli görüntüler üretmek için diyafram açıklığı ve stigmation hizalaması çekimden önce ayarlandı.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Martin, Y., Wickramasinghe, H. K. Magnetic imaging by ''force microscopy'' with 1000 Å resolution. Applied Physics Letters. 50 (20), 1455-1457 (1987).
  2. Grütter, P., Mamin, H. J., Rugar, D. Scanning Tunneling Microscopy II: Further Applications an....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Magnetic Force MicroscopyMFM ResolutionNanoscale Magnetic DomainsAtomic Force MicroscopyLift Height OptimizationMagnetic Phase ImagingArtificial Spin IceSpin Wave ComputingMagnetic Shape Memory AlloyTopographical Artifacts

Related Articles