Magnetjõumikroskoopia

MFM kujutised 3.2 GB ja 30 GB arvuti kõvaketta pindadest

Magnetjõumikroskoopia on aatomijõumikroskoopia alaliik, mis on eelkõige mõeldud pindade magnetiliste omaduste uurimiseks.

Magnetjõumikroskoop (MFM) on aatomijõumikroskoobi erivariant, kus magneeditud teravikuga skaneeritakse mööda magnetilist pinda. Teraviku ja katseobjekti vahelised vastasmõjud tuvastatakse ja kasutatakse seejärel katseobjekti pinna magnetilise struktuuri rekonstrueerimiseks. MFM-skaneerimine tihtipeale kasutab mittekontaktset AFM režiimi.

Ülevaade

MFM mõõtmistel saab teraviku ja katseobjekti vahelist magnetjõudu väljendada kujul:

${\vec {F}}=\mu _{o}({\vec {m}}\cdot \nabla ){\vec {H}}\,\!$

kus ${\vec {m}}\,\!$ on teraviku magnetmoment, ${\vec {H}}\,\!$ on katseobjekti pinnalt lähtuv demagneetiv väli ja µ₀ on vaakumi magnetiline läbitavus.

MFM-i mõõtmised on mitmeti tõlgendatavad, kuna katseobjekti demagneetiv väli mõjutab teraviku magnetilist olekut ja vastupidi. Näiteks teraviku magneetumise geomeetria peab olema teada kvantitatiivseks analüüsiks.

Magnetjõumikroskoobi lahutusvõime ulatub tüüpiliselt 30 nm, kuid on võimalik saavutada lahutusvõime vahemikus 10–20 nm.

Olulised kuupäevad

Huvi MFM-i vastu suurenes tänu järgmistele leiutistele:

1982 – skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM)

• mõõdetakse tunnelvoolu teraviku ja katseobjekti vahel;
• nii katseobjekt kui ka teravik peavad juhtima elektrit;

1986 – aatomijõumikroskoopia (AFM)

• jõusensori painde põhjal mõõdetakse teraviku ja katseobjekti vahelisi elektrostaatilisi jm jõude;
• jõusensori külge kinnitatud teravikku hoitakse katseobjekti kohal tüüpiliselt kümnete nanomeetrite kaugusel;

1987 – magnetjõumikroskoopia (MFM)

• tuleneb AFM-st. Mõõdetakse tipu ja katseobjekti vahelisi magnetjõude;

• demagneetiva välja kujutis saadakse magneeditud teraviku skaneerimisel mööda katseobjekti pinda.

Süsteemi ülesehitus

MFM-i süsteemi põhikomponentideks on:

Piesoskanner

• Liigutab katseobjekti nii x-, y- kui ka z-suunas.
• 1-voldine pinge väljendub tüüpiliselt 1–10 nm nihkes.
• Kujutis koostatakse katseobjekti pinna aeglasel raster skaneerimisel.
• Skanneritud pinnad on mõne kuni 200 mikromeetri suurusjärgus.
• Kujutis saadakse tavaliselt mõne kuni 30 minutiga.

Magneeditud teravik, mis on painduva jõusensori tipus, üldiselt magnetmaterjaliga kaetud AFM teravik.

• Minevikus valmistati teravikke söövitamise teel ferromagneetikutest nagu nikkel.
• Tänapäeval valmistatakse teravikke hulgi kasutades mikrolõikamise ja fotolitograafia kombinatsiooni. Tulemuseks on parema mehaanilise kontrolliga väiksemad teravik-jõusensorid.
• Jõusensorit võib teha monokristallsest ränist, ränidioksiidist (SiO₂) või räninitriidist (Si₃N₄). Si₃N₄ jõusensor-teravikud on tavaliselt vastupidavamad ja elastsemad.
• Teravikud kaetakse õhukese (< 50 nm) magnetilise kilega (nagu Ni või Co), millel on kõrge koertsitiivsus, et teraviku magneetuvus M skaneerimise ajal ei muutuks.
• Teravik-jõusensor moodul viiakse resonantssageduse lähedale piesoelektrilise kristalli poolt, tüüpilistes sageduste vahemikus 10 kHz kuni 1 MHz.

Tööpõhimõte

MFM mõõtmiste ajal mõjub teravikule põhiliselt kaks jõudu: Van der Waalsi ja magnetjõud. Järelikult MFM-i puhul sisaldab signaal infot nii pinna topograafia kui ka selle magnetiliste omaduste kohta, mida tekitavad vastavalt van der Waalsi ja magnetjõud. Domineeriv jõud sõltub katseobjekti pinna ja teraviku vahekaugusest, kuna aatomite vaheline magnetjõud püsib suuremate teravik-pind kaugustel kui van der Waalsi jõud. Need van der Waalsi jõud varieeruvad erinevatel teravik-pinna vahekaugustel ning seega kasutatakse neid pinna topograafia mõõtmiseks. Kui teravik on pinna läheduses umbes mittekontaktse AFM kaugusel, siis on kujutis suuremalt jaolt topograafiline. Kuid pinna ja teraviku vahelise vahekauguse suurendades ilmnevad magnetilised omadused.

MFM-i olulisim probleem on pinna topograafia ja magnetilise kujutise eristamine üksteisest. See saavutatakse n-ö Two Pass meetodiga.

• Esimese ülesvõtte ajal skaneeritakse pinda samamoodi kui tavalises mittekontaktses AFM töörežiimis, et saada katseobjekti pinna topograafilise profiil. Kaugus teraviku ja katseobjekti vahel selles režiimis on umbes 1–10 nm.
• Teise ülesvõtte ajal suurendatakse teraviku ja katseobjekti vahelist kaugust 20–100 nm ning skaneeritakse teravik mööda esialgset trajektoori. Teravik on mõjutatud ainult magnetjõududest ja seega saadakse MFM kujutis, mis on vaba topograafilisest signaalist. Tolles kujutises kajastub pinna magnetilised omadused.

Töörežiimid

Staatiline (DC) režiim

• Katseobjektist tulenev demagneetiv väli mõjutab magnetilist teravikku jõuga, mida tuvastatakse jõusensori nihet laserkiirega mõõtes.
• Jõusensor nihe pinna suhtes on Δz = F_z/k.
• Tüüpiliselt mõõdetakse jõude kümnete pikonjuutonite suurusjärgus.

Dünaamiline (AC) režiim

• Dünaamilise töörežiimi puhul viiakse jõusensor resonantsageduseni ning mõõdetakse resonantssageduste nihkumist.

Kujutise tekitamine

Arvutades magnetilisele teravikule mõjuvaid jõude

Teoreetiliselt saab teravik-katseobjekti magnetostaatilist energiat (U) arvutada kahel viisil:

• võib arvutada kas teraviku magneetumust (M) katseobjekti demagneetiva välja (H) juuresolekul või
• arvutada katseobjekti magneetuvust teraviku demagneetiva välja juuresolekul.

Seejärel, integreerida magneetumuse ja demagneetiva välja üle interaktsiooni ruumala kui

$U=-\mu _{o}\int \limits _{V}{{\vec {M}}\cdot {\vec {H}}\,dV}\,\!$

ja arvutada energia gradient kauguse järgi, et saada jõud F. Eeldades, et jõusensori kõrvalekalle on z-telje suunas ja teravik on magneetunud teatud suunas, saab valemi kujul:

$F_{i}=\mu _{o}\int \limits _{V}{{\vec {M}}\cdot {\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial x_{i}}}\,dV}\,\!$

Kuna teravik on piki kindlat suunda magneeditud, on see tundlik katseobjekti demagneetiva välja komponendi suhtes, mis on joondunud samasse suunda.

Katseobjektide kujutamine

MFM-i saab kasutada erinevate magnetiliste struktuuride kujutamiseks, nagu domeeniseinad (Blochi ja Neeli), sulgdomeenid, salvestatud magnetbitid jne. Lisaks välise magnetvälja all saab jälgida domeeniseinte liikumist. MFM-kujutisi eri materjalidest saab näha järgmistes raamatutes ja teaduspublikatsioonides: kiled, nanoosakesed, nanotraadid ja andmekandjad.

Eelised

MFM on populaarne mitmel põhjusel:

• Katseobjekt ei pea juhtima elektrit.
• Mõõtmisi saab teha toatemperatuuril, ülikõrgvaakumis, vedelikkeskkonnas, erinevatel temperatuuridel ning erinevate väliste magnetväljade juuresolekul.
• Mõõtmine ei kahjusta kristallvõret ega -struktuuri.
• Magnetilised kaugmõjud ei ole pinnakahjustuse suhtes tundlikud.
• Ei ole vaja erilist pinna ettevalmistamist ega katmist.
• Õhukeste mitte-magnetiliste kihtide sadestamine katseobjektile ei mõjuta tulemusi.
• Tuvastatav magnetvälja tugevus, H on 10 A/m suurusjärgus.
• Tuvastatav magnetväli, B, on 10 mikrotesla suurusjärgus.
• Tavaliselt on mõõdetud jõud kuni 10⁻¹⁴ N ja ruumilised eraldusvõimed kuni 20 nm.
• MFM-i on võimalik kombineerida teiste skaneerimismeetoditega nagu näiteks STM.

Puudused

MFMiga töötamisel on ka mõned puudused:

• Teraviku ja katseobjekti vastastikmõju tõttu sõltub salvestatud kujutis teravikutüübist ja magnetilisest kattest.
• Teraviku ja katseobjekti magnetväljad võivad muuta teineteise magneetumust M, mille tulemuseks võib olla mittelineaarne vastastikmõju. See takistab kujutise tõlgendamist.
• Lateraalne skaneerimisulatus on võrdlemisi väike (sadade mikromeetrite suurusjärgus).
• Skaneerimiskõrgus mõjutab kujutise saamist.
• On oluline, et MFM süsteemi korpus kaitseks katseobjekti elektromagnetilise müra (Faraday puur), akustilise müra (vibreerimiskindlad lauad), õhuvoolu (õhukindlus) ja staatilise laengu eest.

Vaata ka

• Skaneeriv teravikmikroskoopia
• Aatomijõumikroskoopia

Välislingid

• Magnetic Materials Scan Image Gallery
• Magnetic measurements application notes