En protokoll for fabrikasjon av magnetiske mikro- og nanostrukturer med spin konfigurasjoner danner magnetiske virvlene egnet for overføring elektronmikroskop (TEM) og magnetiske overføring x-ray mikroskopi (MTXM) studier er presentert.
Electron og x-ray magnetiske microscopies gir høy oppløsning magnetiske imaging til titalls nanometer. Men må prøvene være forberedt på gjennomsiktig membraner som er svært skjøre og vanskelige å manipulere. Vi presenterer prosesser for fabrikasjon av prøver med magnetiske mikro- og nanostrukturer med spin konfigurasjoner danner magnetiske virvlene egnet for Lorentz overføring elektronmikroskop og magnetiske overføring x-ray mikroskopi studier. Prøvene er forberedt på silicon nitride membraner og fabrikasjon består av en spinn belegg, UV og elektronstråle litografi, kjemiske utviklingen av motstå, og fordampning av det magnetisk materialet etterfulgt av en lift-off prosessen danner den siste magnetiske strukturer. Prøvene for Lorentz overføring elektronmikroskop består av magnetiske nanodiscs forberedt på en enkelt litografi. Prøvene for magnetisk x-ray overføring mikroskopi brukes for tid-løst magnetization dynamisk eksperimenter, og magnetisk nanodiscs plasseres på en waveguide som brukes for generering av repeterbare magnetfelt pulser av passerer en elektrisk gjeldende gjennom waveguide. Waveguide opprettes i et ekstra litografi skritt.
Magnetismen av nanostrukturer var intenst studerte de to siste tiårene etter teknologiske trender mot miniatyrisering. Som lateral dimensjonene av strukturer blir mindre og mindre, de magnetiske egenskapene av ferromagnetisk strukturer begynner å bli styrt av strukturen geometrien i tillegg til egenskapene til magnetiske materialet. Virkemåten til forskjellige magnetiske elementer fra bulkgods til microstructures har blitt vurdert i detalj (f.eks Hubert og Schäfer)1. En av de mest kjente eksemplene på ikke-triviell magnetization bakken tilstand er magnetisk virvlene-curling magnetization strukturer forekommer i mikro – og submicron-størrelse tynn magnetiske plater og polygoner. Magnetisering her er curling i-fly rundt en ut-av-plane vortex core2,3. Magnetization reversering av magnetiske virvlene har vært grundig studert i både statiske4,5,6 og dynamisk7,8,9,10 regimer. De mulige anvendelser av magnetiske virvlene er f.eks multi bit minne celler11, logiske kretser12, radiofrekvens enheter13eller spinn-bølge emittere14.
For å bilde en magnetisk vortex og spesielt vortex kjernen, romlig oppløsning mikroskopi teknikken skal være så nær som mulig til grunnleggende magnetiske lengde skalaer (under 10 nm). Lorentz overføring elektronmikroskop15 (LTEM) og magnetiske overføring x-ray mikroskopi16 (MTXM) er velegnet for avbilding av magnetiske virvlene som de tilbyr en høy romlig oppløsning og MTXM tilbyr også en høy timelige oppløsning for magnetisering dynamics studier. Ulempen med disse teknikkene er komplisert eksempel utarbeidelse, som er gjenstand for presentert papiret.
Prosessene presenteres her forklarer fabrikasjon av prøver som brukes for imaging magnetiske virvlene TEM17 og MTXM10,11. Begge teknikkene er overføring karakter, og på grunn av at det er nødvendig å dikte strukturer på tynne membraner. Membraner er vanligvis laget av silicon nitride og deres tykkelse varierer fra titalls nanometer til et par hundre nanometer. Hver av disse to metodene krever en annen støtte ramme geometri. Når det gjelder MTXM, rammen er 5 x 5 mm2 og vinduet er stor, 2 x 2 mm2. TEM er ramme geometri en sirkel på 3 mm i diameter med vindusstørrelsen avhengig av eksperimentet, vanligvis 250 x 250 µm2. Membraner gir ekstra utfordringer vanskeligere eksempel håndtering med risikoen av å bryte windows under alle litografi prosesser.
Fabrikasjon av prøver kan gjøres både positive og negative motstå litografi teknikker18. Positiv motstå litografi prosessen bruker en positiv motstå; den kjemiske strukturen til endres motstå bestråling og delen blir løselig i kjemisk utvikleren. Eksponert område vil vaske bort mens ueksponerte området vil være på underlaget. I tilfelle av en negativ motstå litografi prosess, irradiation beskytter resist og eksponert område vil forbli på underlaget mens ueksponerte området vil vaske bort i kjemisk utvikleren. Begge teknikkene kan brukes til fabrikasjon av prøvene, men vi foretrekker positiv motstå litografi fordi det krever færre fabrikasjon trinn i forhold til negative motstå litografi teknikk. Det er også enklere å håndtere, raskere, og ofte gir bedre resultater.
Vi har vist fabrikasjon av prøver for LTEM og MTXM magnetisk microscopies. Disse prøvene må være laget på tynne synd membraner slik at elektronene, LTEM, og de myke røntgenbilder, ved MTXM, kan trenge gjennom prøvene. Disse prøvene kan fremstille ved 1) en positiv motstå litografi eller 2) en negativ motstå litografi.
Vi brukte positiv motstå litografi teknikken fordi den krever mindre utvalg forberedelse og færre fabrikasjon trinn og lar enklere behandling. Det kan også forskeren bruke skygging effekten, som vi brukte for kontrollen for presis plate-figuren (en avsmalnende av en side av platen). Denne formen ble brukt til å styre sirkulasjonen av magnetiske virvlene under nucleation10,11.
Ulempen med denne teknikken er komplisert lift-off prosedyren fordi tynnfilm materialet er noen ganger avsatt på motstå kanten og deretter ikke kan fjernes ved en lift-off. Vi løste problemet ved å bruke en dobbel motstå lag. Dette begrenser litt oppløsning (ca 20 nm) av lithographical men fortsatt nok i forbindelse med magnetiske bildebehandling.
Negativ motstå litografi teknikken tilbyr høyere oppløsning som strukturer med en oppløsning til 7 nm kan skrives inn i motstå. Materialet er deretter etset bort ved våt etsing eller ved ion stråle etsning. Problemet med denne tilnærmingen er at resist er vanskelig å fjerne etter etsning. Brukte oksygen plasma motstå stripping er ikke mulig i tynne permalloy strukturer, som de oksiderer lett. Dette faktum, sammen med behovet for å bruke skygging teknikken, favoriserer positiv litografi prosessen som ble brukt i dette arbeidet.
Vi brukte prøvene utarbeidet av metodene som er beskrevet i dette dokumentet for observasjon av dynamikken i magnetiske virvlene under en sirkulasjon bytter ved en MTXM10,11 og observasjon av ulike nucleation stater17 . Denne kan utvides til flere typer eksperimenter krever lithographically forberedt strukturer på membraner.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen har vært økonomisk støttet av Grant byrået i Tsjekkia (prosjekt nr 15-34632L) og av CEITEC Nano + project, ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. Eksempel fabrikasjon og LTEM måling ble utført i CEITEC Nano forskningsinfrastruktur (ID LM2015041, MEYS CR, 2016-2019). Meena Dhankhar ble støttet av Brno doktorgrad talent stipend.
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 |