Ottimizzazione della risoluzione e della sensibilità al microscopio a forza magnetica per visualizzare domini magnetici su scala nanometrica

Summary

La microscopia a forza magnetica (MFM) impiega una sonda di microscopia a forza atomica magnetizzata verticalmente per misurare la topografia del campione e l’intensità del campo magnetico locale con risoluzione su scala nanometrica. L’ottimizzazione della risoluzione spaziale e della sensibilità MFM richiede il bilanciamento dell’altezza di sollevamento decrescente con l’aumento dell’ampiezza dell’azionamento (oscillazione) e trae vantaggio dal funzionamento in un vano portaoggetti in atmosfera inerte.

Abstract

La microscopia a forza magnetica (MFM) consente di mappare i campi magnetici locali su una superficie del campione con risoluzione su scala nanometrica. Per eseguire MFM, una sonda di microscopia a forza atomica (AFM) la cui punta è stata magnetizzata verticalmente (cioè perpendicolare al cantilever della sonda) viene oscillata ad un’altezza fissa sopra la superficie del campione. I cambiamenti risultanti nella fase o frequenza di oscillazione, che sono proporzionali alla grandezza e al segno del gradiente di forza magnetica verticale in ogni posizione dei pixel, vengono quindi tracciati e mappati. Sebbene la risoluzione spaziale e la sensibilità della tecnica aumentino con la diminuzione dell’altezza di sollevamento sopra la superficie, questo percorso apparentemente semplice per migliorare le immagini MFM è complicato da considerazioni come la riduzione al minimo degli artefatti topografici dovuti alle forze di van der Waals a corto raggio, l’aumento dell’ampiezza dell’oscillazione per migliorare ulteriormente la sensibilità e la presenza di contaminanti superficiali (in particolare l’acqua dovuta all’umidità in condizioni ambientali). Inoltre, a causa dell’orientamento del momento di dipolo magnetico della sonda, l’MFM è intrinsecamente più sensibile ai campioni con un vettore di magnetizzazione fuori piano. Qui sono riportate immagini topografiche e di fase magnetiche ad alta risoluzione di array di spin-ice artificiale (ASI) di nanomagneti singoli e bicomponenti ottenuti in un vano portaoggetti in atmosfera inerte (argon) con <0,1 ppm O 2 eH₂ O. Viene discussa l’ottimizzazione dell’altezza di sollevamento e dell’ampiezza dell’azionamento per un’alta risoluzione e sensibilità, evitando contemporaneamente l’introduzione di artefatti topografici, e viene mostrato il rilevamento dei campi magnetici vaganti emanati da entrambe le estremità dei magneti a barra nanometrica (~ 250 nm di lunghezza e < 100 nm di larghezza) allineati nel piano della superficie del campione ASI. Allo stesso modo, utilizzando l'esempio di una lega a memoria magnetica di forma Ni-Mn-Ga (MSMA), MFM è dimostrato in un'atmosfera inerte con sensibilità di fase magnetica in grado di risolvere una serie di domini magnetici adiacenti ciascuno largo ~ 200 nm.

Introduction

La microscopia a forza magnetica (MFM), una microscopia a scansione di sonda (SPM) derivata dalla microscopia a forza atomica (AFM), consente di visualizzare le forze magnetiche relativamente deboli ma a lungo raggio sperimentate dalla punta di una sonda magnetizzata mentre viaggia sopra una superficie campione 1,2,3,4,5. L’AFM è una tecnica di caratterizzazione non distruttiva che impiega una punta in scala nanometrica all’estremità di un cantilever flessibile per mappare la topografia superficiale⁶ e misurare le proprietà del materiale (ad esempio, meccaniche, elettriche e magnetiche) ^7,8,9 con risoluzione su scala nanometrica. La deflessione del cantilever dovuta alle interazioni punta-campione di interesse viene misurata tramite la riflessione di un laser sul retro del cantilever e in un fotodiodo sensibile alla posizione¹⁰. L’imaging ad alta risoluzione delle proprietà magnetiche locali di un materiale tramite MFM offre l’opportunità unica di caratterizzare l’intensità e l’orientamento del campo magnetico in nuovi materiali, strutture e dispositivi su scala nanometrica 4,5,11,12,13,14,15,16,17 . Per eseguire MFM, una sonda AFM la cui punta è stata magnetizzata verticalmente (cioè perpendicolare al cantilever della sonda e alla superficie del campione) viene fatta oscillare meccanicamente alla sua frequenza di risonanza naturale ad un’altezza fissa sopra la superficie del campione. I cambiamenti risultanti nell’ampiezza dell’oscillazione (meno sensibili, e quindi meno comuni), nella frequenza o nella fase (descritti qui) vengono quindi monitorati per misurare qualitativamente l’intensità del campo magnetico. Più specificamente, la modulazione di frequenza MFM produce una mappa degli spostamenti nella frequenza o fase di oscillazione, proporzionale alla grandezza e al segno del gradiente di forza magnetica sperimentato dalla sonda. Al fine di mantenere un’altezza costante sopra il campione durante le misurazioni MFM, viene tipicamente utilizzata una modalità operativa a doppio passaggio. La topografia del campione viene prima mappata tramite tecniche AFM standard, seguita da imaging MFM interlacciato di ciascuna linea di scansione sequenziale a un’altezza di sollevamento determinata dall’utente (da decine a centinaia di nm) dalla superficie del campione. L’impiego di una tale modalità di acquisizione a doppio passaggio interfogliato consente di separare le interazioni punta a breve raggio del campione di van der Waals utilizzate per mappare la topografia dalle forze magnetiche relativamente più lunghe sperimentate durante il passaggio della modalità di sollevamento interlacciato. Tuttavia, la risoluzione spaziale MFM aumenta con la diminuzione dell’altezza di sollevamento¹⁸, quindi c’è una tensione intrinseca tra l’aumento della risoluzione MFM e l’evitare artefatti topografici dovuti alle forze di van der Waals. Allo stesso modo, la sensibilità MFM è proporzionale all’ampiezza dell’oscillazione durante il passaggio della modalità di sollevamento, ma l’ampiezza di oscillazione massima consentita è limitata dall’altezza di sollevamento e dai rapidi cambiamenti nella topografia del campione (cioè caratteristiche di proporzioni elevate).

Studi recenti hanno evidenziato la ricchezza di opportunità associate all’applicazione del nanomagnetismo e della nanomagnonica, sviluppati tramite strutture di spin-ice artificiale (ASI) e cristalli magnonici, come dispositivi funzionanti per la logica, il calcolo, la crittografia e l’archiviazione dei dati 19,20,21,22 . Composti da nanomagneti disposti in distinte formazioni reticolari estese, gli spin ice artificiali mostrano dipoli magnetici emergenti o monopoli che possono essere controllati tramite uno stimolo esterno 19,20,23,24,25. In generale, gli ASI favoriscono una configurazione del momento che minimizza l’energia (ad esempio, in un ASI quadrato bidimensionale (2D), due momenti puntano dentro e due punti fuori da ogni vertice), con i microstati a bassa energia che seguono regole analoghe ai materiali cristallini di spin-ghiaccio^21,26,27,28 . Allo stesso modo, un recente studio abilitato MFM ha dimostrato un sistema reticolare ASI tridimensionale (3D) costruito da spin di terre rare situate su tetraedri che condividono angoli, dove due spin puntano verso il centro dei tetraedri e due spin puntano, risultando in due dipoli magnetici uguali e opposti e quindi una carica magnetica netta zero nei centri dei tetraedri²³ . A seconda dell’allineamento di un campo magnetico applicato rispetto alla superficie del campione, sono state osservate differenze significative nell’ordinamento magnetico e nella lunghezza della correlazione. L’allineamento e il controllo dei dipoli ASI giustificano quindi ulteriori indagini. I metodi per misurare le distribuzioni del campo magnetico ASI hanno incluso l’uso di uno spettrometro di rumore magneto-ottico²⁹ o della microscopia elettronica a fotoemissione a dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD-PEEM)²⁵; tuttavia, per ottenere risoluzioni spaziali uguali o superiori a quelle dell’MFM con XMCD-PEEM, sono necessarie lunghezze d’onda estremamente corte (cioè raggi X ad alta energia). MFM offre una tecnica di caratterizzazione molto più semplice che non richiede l’esposizione di campioni a raggi X ad alta energia potenzialmente dannosi. Inoltre, MFM è stato utilizzato non solo per caratterizzare i microstati ASI^21,23,27, ma anche per la scrittura magnetica guidata da difetti topologici utilizzando punte ad alto momento magnetico³⁰. Di conseguenza, MFM può svolgere un ruolo vitale nel promuovere la ricerca e lo sviluppo dell’ASI, in particolare attraverso la sua capacità di correlare la topografia del campione con l’intensità e l’orientamento del campo magnetico, rivelando così i dipoli magnetici associati a specifiche caratteristiche topografiche (cioè elementi reticolari ASI).

L’MFM ad alta risoluzione fornisce anche informazioni significative sulla relazione tra la struttura delle leghe ferromagnetiche a memoria di forma e le loro proprietà magnetomeccaniche su scala nanometrica 14,17,31,32,33. Le leghe ferromagnetiche a memoria di forma, comunemente indicate come leghe a memoria di forma magnetica (MSMA), mostrano grandi (fino al 12%) deformazioni indotte dal campo magnetico, trasportate attraverso il doppio movimento di confine 29,33,34,35. Le tecniche MFM sono state utilizzate per studiare le complesse relazioni tra gemellaggio durante la deformazione e trasformazione martensitica, indentazione, deformazione a micro-pilastri e risposte magnetiche su scala nanometrica degli MSMA^15,16,17,36. Di particolare nota, MFM è stato combinato con nanoindentazione per creare e leggere una memoria magnetomeccanica su scala nanometrica a quattro stati¹⁷. Allo stesso modo, le tecnologie di registrazione magnetica di prossima generazione vengono perseguite tramite la registrazione magnetica assistita dal calore (HAMR), raggiungendo densità lineari di 1975 kBPI e densità di traccia di 510 kTPI³⁷. La maggiore densità areale necessaria per consentire una maggiore e più compatta archiviazione dei dati ha comportato una significativa riduzione del track pitch definito delle tecnologie AMPR, accentuando la necessità di imaging MFM ad alta risoluzione.

Oltre agli ASI e agli MSMA, l’MFM è stato utilizzato con successo per caratterizzare varie nanoparticelle magnetiche, nanoarray e altri tipi di campioni magnetici 3,38,39. Tuttavia, la risoluzione e la sensibilità MFM finali sono limitate sia da cose al di fuori del controllo dell’utente (ad esempio, elettronica di rilevamento AFM, tecnologia della sonda MFM, fisica sottostante, ecc.) sia dalla scelta dei parametri di imaging e dell’ambiente. Nel frattempo, le dimensioni delle caratteristiche nei dispositivi magnetici continuano a diminuire^{di 40,41}, creando domini magnetici più piccoli^, rendendo così l’imaging MFM sempre più impegnativo. Inoltre, i dipoli magnetici di interesse non sono sempre orientati fuori dal piano, parallelamente al vettore di magnetizzazione della sonda. L’imaging ad alta risoluzione dei campi vaganti emanati dalle estremità dei dipoli orientati nel piano o quasi nel piano, come nel caso delle strutture ASI mostrate qui, richiede una maggiore sensibilità. Il raggiungimento di immagini MFM ad alta risoluzione, in particolare di tali campioni magnetizzati nel piano composti da domini magnetici su scala nanometrica, dipende quindi dalla scelta appropriata della sonda MFM (ad esempio, spessore, coercività e momento del rivestimento magnetico, che a volte può essere in contrasto con il miglioramento della sensibilità o della risoluzione laterale¹⁸ o la conservazione dell’allineamento magnetico del campione³⁰ ), i parametri di imaging (ad esempio, altezza di sollevamento e ampiezza di oscillazione, come menzionato sopra, oltre a ridurre al minimo l’usura del rivestimento della punta durante l’imaging della linea topografica) e la qualità del campione (ad esempio, rugosità superficiale e contaminazione, inclusi detriti di lucidatura o acqua superficiale dovuta all’umidità ambientale). In particolare, la presenza di acqua adsorbita sulla superficie del campione a causa dell’umidità ambientale può introdurre forti forze di van der Waals che possono interferire in modo significativo con la misurazione delle forze magnetiche e limitare l’altezza minima di sollevamento raggiungibile per le misurazioni MFM. Il funzionamento MFM all’interno di un vano portaoggetti in atmosfera inerte elimina quasi tutti i contaminanti superficiali, consentendo altezze di sollevamento inferiori e una risoluzione più elevata unita a una maggiore sensibilità. Di conseguenza, negli esempi di esempio mostrati qui, è stato impiegato un sistema AFM alloggiato in un vano portaoggetti in atmosfera inerte personalizzato riempito con argon (Ar) contenente <0,1 ppm di ossigeno (O 2) e acqua (H₂ O) per consentire altezze di sollevamento estremamente basse (fino a 10 nm). Ciò consente successivamente l’imaging MFM squisitamente ad alta risoluzione in grado di risolvere domini magnetici alternati larghi <200 nm all'interno di un gemello cristallografico più grande e dipoli magnetici (magneti a barre nanometriche) <100 nm di larghezza e ~ 250 nm di lunghezza.

Questo articolo spiega come acquisire immagini MFM ad alta risoluzione e ad alta sensibilità combinando l’uso di un vano portaoggetti in atmosfera inerte con un’attenta preparazione del campione e una scelta ottimale dei parametri di imaging. I metodi descritti sono particolarmente preziosi per l’imaging di dipoli orientati nel piano, che sono tradizionalmente difficili da osservare, e quindi vengono presentate immagini MFM esemplari ad alta risoluzione sia di cristalli MSMA Ni-Mn-Ga che mostrano distinti domini magnetici su scala nanometrica all’interno di gemelli cristallografici e attraverso i confini dei gemelli, sia di array ASI nanomagnetici fabbricati con un orientamento di dipolo magnetico nel piano. I ricercatori in un’ampia varietà di campi che desiderano l’imaging MFM ad alta risoluzione possono trarre notevoli benefici dall’utilizzo del protocollo qui delineato, nonché dalla discussione di potenziali sfide come gli artefatti topografici.

Protocol

NOTA: Oltre al protocollo riportato di seguito, una dettagliata procedura operativa standard MFM (SOP) dettagliata specifica per lo strumento utilizzato qui e orientata all’imaging MFM generale è inclusa come file supplementare 1. Per integrare la parte video di questo manoscritto, la SOP include immagini del supporto della sonda, del magnetizzatore della punta e della procedura di magnetizzazione, delle impostazioni del software, ecc. 1. Preparazione e installazione de…

Representative Results

Reticoli artificiali di spin-ghiaccio (ASI)Gli spin ice artificiali sono reti bidimensionali litograficamente definite di nanomagneti interagenti. Mostrano frustrazione per progettazione (cioè, l’esistenza di molti minimi locali nel panorama energetico)21,42,43. L’imaging MFM ad alta risoluzione per chiarire le configurazioni magnetiche e le interazioni tra i componenti dell’array offre l’opportunità unica…

Discussion

L’imaging MFM ad alta risoluzione richiede che venga prima acquisita una corrispondente scansione topografica ad alta risoluzione e ad alta fedeltà per ogni linea. Questa scansione topografica è tipicamente ottenuta attraverso il contatto intermittente o la modalità di tocco AFM, che impiega un sistema di feedback di modulazione di ampiezza per visualizzare la topografia campione⁴⁷. La fedeltà della scansione topografica può essere ottimizzata regolando il set point di ampiezza del cantilever…

Materials

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.