Метка: МСМ

Магнитно-силовая Микроскопия (МСМ) [1, 2] является эффективным средством исследований магнитных структур на субмикронном уровне. Получаемые с помощью МСМ изображения являются пространственным распределением  некоторого параметра, характеризующего магнитное взаимодействие зонд-образец, например, силу взаимодействия, амплитуду колебаний  магнитного зонда и т.д.

 

Магнитный зондовый датчик  является стандартным кремниевым (или изготовленным из нитрида кремния)  зондовым датчиком, покрытым пленкой из магнитного материала.  МСМ измерения позволяют проводить исследования магнитных доменных структур с высоким пространственным разрешением, записи и считывания  информации в магнитной среде,  процессов перемагничивания и т.д. Методика доступна во всех конфигурациях АСМ NTEGRA 

 

 

Магнитно-силовая микроскопия основана на регистрации сил взаимодействия между образцом и наноразмерным магнитным зондом (кантилевером). Стандартный магнитный зонд представляет собой кантилевер АСМ, покрытый тонкой магнитной пленкой. Измерения МСМ показывают магнитную структуру тонких пленок, объемных образцов, наноструктур и наночастиц с разрешением до нанометрового масштаба. Существует два основных метода регистрации сигнала МСМ: измерение статического прогиба кантилевера и динамическая амплитудная/фазовая микроскопия.

 

МСМ в вакууме. За счет увеличения добротности колебания кантилевера и очистки поверхности достигается увеличение разрешающей способности

Изменение доменной структуры граната под воздействием вертикального магнитного поля

 

При проведении магнитных исследований на субмикронном уровне прежде всего необходимо отделить «магнитные» изображения от изображений рельефа. Для решения этой проблемы магнитные измерения проводятся по двухпроходной методике. На первом проходе определяется рельеф поверхности по Контактному или Прерывисто-контактному (“полуконтактному”) методам. а втором проходе каждой линии сканирования (или изображения  в целом) кантилевер приподнимается над поверхностью и сканирование осуществляется в соответствии с запомненным рельефом.

 

В результате на втором проходе расстояние между  сканируемой поверхностью и закрепленным  концом кантилевера поддерживается постоянным. При этом расстояние зонд-поверхность должно быть достаточно большим, чтобы пренебречь силами Ван-дер-Ваальса, так что на втором проходе кантилевер подвергается воздействию только дальнодействующей магнитной силы.  В соответствии с этим методом и изображение рельефа и магнитное изображение могут быть получены одновременно.

 

Магнитная структура жесткого диска (слева сверху) с размером бит до 30–40 нм; И доменные структуры различных магнитно-мягких гранатовых пленок

 

 

В динамической МСМ (Д МСМ) на втором проходе для детектирования магнитного поля используется колеблющийся с резонансной частотой кантилевер (как при использовании Бесконтактного или Прерывисто-контактного методов). В Д МСМ детектируется производная магнитной силы: производная силы в приближении точечного диполя может быть представлена в виде:

 

F’ = n grad(n F), F = (m grad) H

n – единичный вектор нормали к плоскости кантилевера. Как видно из этого выражения сигнал Д МСМ  пропорционален второй производной поля рассеяния.

 

 

1. Appl. Phys. Lett. 50, 1455 (1987)
2. J. Appl. Phys. 62, 4293 (1987)

Магнито-оптика является надежным и широко применяемым методом для исследования магнитной доменной структуры. Благодаря эффекту Фарадея удается регистрировать вращение плоскости поляризации в оптически прозрачных ферроэлектриках. Недостатком метода является относительно невысокая разрешающая способность, ограниченная дифракцией видимого света. Для преодоления этого недостатка  используется поляризационная ближнепольная микроскопия на базе атомно-силового микроскопа. В данном случае используется кантилевер с отверстием на острие для фокусировки лазерного излучения на образец через апертуру кантилевера. Оптическое разрешение в данном случае ограничивается размером апертуры кантилевера и может достигать 50 нм – 100 нм.

 

 

Магнитооптическое изображение магнитной доменной структуры пленки феррит-граната. Верхняя часть изображения соответствует дальнопольному магнито-оптическому изображению, нижняя часть поляризационная ближнепольная микроскопия. Контрастность и разрешающая способность заметно повышается при использовании апертурного кантилевера и работе в режиме поляризационной ближнепольной оптической микроскопии.

 

Современные апертурные кантилеверы для магнито-оптической микроскопии высокого разрешения изготавливаются методом осаждения полой пирамиды с помощью ионного ассистирования, что позволяет с высокой точностью контролировать геометрию конуса и размер апертуры. Методика доступна в АСМ NTEGRA 

 

Схематичное изображение измерительной установки для реализации магнито-оптики высокого разрешения на базе АСМ

Топография (слева) и магнитооптическое изображение магнитной структуры пленки Bi:YIG   Образцы предоставлены: Бержанским В.Н. Шапошниковым А.Н., Михайловой Т.В. (Крымский Федеральный Университет им. В.И. Вернадского)