Optimierung der Auflösung und Empfindlichkeit der Magnetkraftmikroskopie zur Visualisierung nanoskaliger magnetischer Domänen

Summary

Die Magnetkraftmikroskopie (MFM) verwendet eine vertikal magnetisierte Rasterkraftmikroskopiesonde, um die Probentopographie und die lokale Magnetfeldstärke mit nanoskaliger Auflösung zu messen. Die Optimierung der räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit von MFM erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen abnehmender Hubhöhe und zunehmender Antriebsamplitude (Oszillation) und profitiert vom Betrieb in einem Handschuhfach mit inerter Atmosphäre.

Abstract

Die Magnetkraftmikroskopie (MFM) ermöglicht die Abbildung lokaler Magnetfelder über eine Probenoberfläche mit nanoskaliger Auflösung. Um MFM durchzuführen, wird eine Rasterkraftmikroskopie (AFM) Sonde, deren Spitze vertikal magnetisiert wurde (d. h. senkrecht zum Sondenausleger), in einer festen Höhe über der Probenoberfläche oszilliert. Die resultierenden Verschiebungen in der Schwingungsphase oder Frequenz, die proportional zur Größe und zum Vorzeichen des vertikalen magnetischen Kraftgradienten an jeder Pixelposition sind, werden dann verfolgt und kartiert. Obwohl die räumliche Auflösung und Empfindlichkeit der Technik mit abnehmender Auftriebshöhe über der Oberfläche zunimmt, wird dieser scheinbar einfache Weg zu verbesserten MFM-Bildern durch Überlegungen wie die Minimierung topographischer Artefakte aufgrund kürzerer Van-der-Waals-Kräfte, die Erhöhung der Schwingungsamplitude zur weiteren Verbesserung der Empfindlichkeit und das Vorhandensein von Oberflächenverunreinigungen (insbesondere Wasser aufgrund von Feuchtigkeit unter Umgebungsbedingungen) erschwert. Darüber hinaus ist MFM aufgrund der Ausrichtung des magnetischen Dipolmoments der Sonde intrinsisch empfindlicher gegenüber Proben mit einem Magnetisierungsvektor außerhalb der Ebene. Hier werden hochauflösende topographische und magnetische Phasenbilder von Ein- und Zweikomponenten-Nanomagnet-Arrays mit künstlichem Spineis (ASI) berichtet, die in einer inerten (Argon-)Atmosphären-Glovebox mit <0,1 ppm O2 und_H2O aufgenommen wurden. Die Optimierung von Hubhöhe und Antriebsamplitude für hohe Auflösung und Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Vermeidung der Einführung topographischer Artefakte wird diskutiert, und die Detektion der magnetischen Streufelder, die von beiden Enden der nanoskaligen Stabmagnete (~250 nm lang und <100 nm breit) ausgehen, die in der Ebene der ASI-Probenoberfläche ausgerichtet sind, wird gezeigt. Ebenso wird MFM am Beispiel einer Ni-Mn-Ga-Magnetformgedächtnislegierung (MSMA) in einer inerten Atmosphäre mit magnetischer Phasenempfindlichkeit demonstriert, die in der Lage ist, eine Reihe benachbarter magnetischer Domänen mit einer Breite von jeweils ~200 nm aufzulösen.

Introduction

Die Magnetkraftmikroskopie (MFM), eine Rastersondenmikroskopie (SPM), die von der Rasterkraftmikroskopie (AFM) abgeleitet ist, ermöglicht die Abbildung der relativ schwachen, aber weitreichenden magnetischen Kräfte, die eine magnetisierte Sondenspitze erfährt, wenn sie sich über eine Probenoberfläche^bewegt 1,2,3,4,5. AFM ist eine zerstörungsfreie Charakterisierungstechnik, die eine Spitze im Nanometerbereich am Ende eines biegsamen Auslegers verwendet, um die Oberflächentopographie⁶ abzubilden und^{Materialeigenschaften (}z. B. mechanische, elektrische und magnetische) ^7,8,9 mit nanoskaliger Auflösung zu messen. Die Auslenkung des Cantilevers aufgrund von Tip-Sample-Wechselwirkungen von Interesse wird durch Reflexion eines Lasers von der Rückseite des Cantilevers in eine positionssensitive Fotodiode¹⁰ gemessen. Die hochauflösende Abbildung der lokalen magnetischen Eigenschaften eines Materials mittels MFM bietet die einzigartige Möglichkeit, die Magnetfeldstärke und -orientierung in neuartigen Materialien, Strukturen und Geräten im Nanobereich zu charakterisieren 4,5,11,12,13,14,15,16,17 . Um MFM durchzuführen, wird eine AFM-Sonde, deren Spitze vertikal magnetisiert wurde (d. h. senkrecht zum Sondenausleger und zur Probenoberfläche), mechanisch mit ihrer natürlichen Resonanzfrequenz in einer festen Höhe über der Probenoberfläche oszilliert. Daraus resultierende Änderungen der Schwingungsamplitude (weniger empfindlich und daher seltener), Frequenz oder Phase (hier beschrieben) werden dann überwacht, um die Magnetfeldstärke qualitativ zu messen. Genauer gesagt erzeugt die Frequenzmodulation MFM eine Karte der Verschiebungen der Schwingungsfrequenz oder -phase, proportional zur Größe und zum Vorzeichen des magnetischen Kraftgradienten, den die Sonde erfährt. Um während MFM-Messungen eine konstante Höhe über der Probe aufrechtzuerhalten, wird typischerweise ein Dual-Pass-Betriebsmodus verwendet. Die Probentopographie wird zunächst mit Standard-AFM-Techniken kartiert, gefolgt von einer verschachtelten MFM-Bildgebung jeder sequentiellen Scanlinie in einer vom Benutzer bestimmten Hubhöhe (Dutzende bis Hunderte von nm) von der Probenoberfläche. Die Verwendung eines solchen Interleaved-Dual-Pass-Erfassungsmodus ermöglicht die Trennung der Kurzstrecken-Tip-Sample-Van-der-Waals-Wechselwirkungen, die zur Abbildung der Topographie verwendet werden, von den relativ größeren magnetischen Kräften, die während des Interleaved-Lift-Mode-Passes auftreten. Die räumliche MFM-Auflösung steigt jedoch mit abnehmender Hubhöhe¹⁸, so dass eine inhärente Spannung zwischen der Erhöhung der MFM-Auflösung und der Vermeidung topographischer Artefakte aufgrund von Van-der-Waals-Kräften besteht. Ebenso ist die MFM-Empfindlichkeit proportional zur Schwingungsamplitude während des Liftmodus, aber die maximal zulässige Schwingungsamplitude wird durch die Hubhöhe und schnelle Änderungen der Probentopographie (d. h. Merkmale mit hohem Aspektverhältnis) begrenzt.

Jüngste Studien haben die Fülle von Möglichkeiten hervorgehoben, die mit der Anwendung von Nanomagnetismus und Nanomagnonik verbunden sind, die über künstliche Spin-Ice-Strukturen (ASI) und magnonische Kristalle entwickelt wurden, als funktionierende Geräte für Logik, Berechnung, Verschlüsselung und Datenspeicherung 19,20,21,22 . Künstliche Spineis bestehen aus Nanomagneten, die in deutlichen ausgedehnten Gitterformationen angeordnet sind, und weisen emergente magnetische Dipole oder Monopole auf, die über einen externen Reiz gesteuert werden können 19,20,23,24,25. Im Allgemeinen bevorzugen ASIs eine Momentenkonfiguration, die die Energie minimiert (z. B. in einer zweidimensionalen (2D) quadratischen ASI zeigen zwei Momente in und zwei Punkte aus jedem Eckpunkt), wobei die niederenergetischen Mikrozustände analog zu kristallinen Spin-Eis-Materialien Regeln folgen 21,26,27,28 . In ähnlicher Weise zeigte eine kürzlich durchgeführte MFM-fähige Studie ein dreidimensionales (3D) ASI-Gittersystem, das aus Seltenerdspins auf Ecken-teilenden Tetraedern besteht, wobei zwei Spins auf das Zentrum der Tetraeder zeigen und zwei Spins zeigen, was zu zwei gleichen und entgegengesetzten magnetischen Dipolen und damit zu einer magnetischen Nettoladung von Null in den Tetraederzentren führt²³ . Abhängig von der Ausrichtung eines angelegten Magnetfeldes relativ zur Probenoberfläche wurden signifikante Unterschiede in der magnetischen Ordnung und Korrelationslänge beobachtet. Die Ausrichtung und Kontrolle von ASI-Dipolen erfordert daher weitere Untersuchungen. Methoden zur Messung von ASI-Magnetfeldverteilungen umfassten die Verwendung eines magneto-optischen Rauschspektrometers²⁹ oder der Röntgenmagnetischroisicher-Photoemissionselektronenmikroskopie (XMCD-PEEM)²⁵; Um jedoch räumliche Auflösungen zu erreichen, die denen von MFM mit XMCD-PEEM entsprechen oder darüber liegen, sind extrem kurze Wellenlängen (d. h. hochenergetische Röntgenstrahlen) erforderlich. MFM bietet eine viel einfachere Charakterisierungstechnik, bei der die Proben nicht potenziell schädlichen hochenergetischen Röntgenstrahlen ausgesetzt werden müssen. Darüber hinaus wurde MFM verwendet, um nicht nur ASI-Mikrozustände^21,23,27 zu charakterisieren^, sondern auch für topologisches defektgetriebenes magnetisches Schreiben unter Verwendung von Spitzen mit hohen magnetischen Momenten³⁰. Dementsprechend kann MFM eine wichtige Rolle bei der Förderung der ASI-Forschung und -Entwicklung spielen, insbesondere durch seine Fähigkeit, die Probentopographie mit der Magnetfeldstärke und -orientierung zu korrelieren und dadurch die magnetischen Dipole aufzudecken, die mit spezifischen topographischen Merkmalen (d. H. ASI-Gitterelementen) verbunden sind.

Hochauflösendes MFM liefert ebenfalls einen signifikanten Einblick in die Beziehung zwischen der Struktur ferromagnetischer Formgedächtnislegierungen und ihren nanoskaligen magnetomechanischen Eigenschaften 14,17,31,32,33. Ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, allgemein als magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs) bezeichnet, weisen große (bis zu 12%) Magnetfeld-induzierte Dehnungen auf, die durch Zwillingsgrenzbewegung 29,33,34,35 übertragen werden. MFM-Techniken wurden verwendet, um die komplexen Beziehungen zwischen Twinning während der Deformation und martensitischer Transformation, Vertiefung, Mikrosäulenverformung und nanoskaligen magnetischen Reaktionen von MSMAs^{zu untersuchen 15,16,17,36}. Besonders hervorzuheben ist, dass MFM mit Nanoindentation kombiniert wurde, um einen magnetomechanischen Speicher mit vier Zuständen im Nanobereich zu erzeugen und^{zu lesen 17}. In ähnlicher Weise werden magnetische Aufzeichnungstechnologien der nächsten Generation über wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung (HAMR) verfolgt, die lineare Dichten von 1975 kBPI und Spurdichten von 510 kTPI³⁷ erreichen. Die erhöhte Flächendichte, die erforderlich ist, um eine größere, kompaktere Datenspeicherung zu ermöglichen, hat zu einer deutlichen Reduzierung des definierten Gleisabstands von HAMR-Technologien geführt, was den Bedarf an hochauflösender MFM-Bildgebung unterstreicht.

Zusätzlich zu ASIs und MSMAs wurde MFM erfolgreich zur Charakterisierung verschiedener magnetischer Nanopartikel, Nanoarrays und anderer Arten von magnetischen Proben^eingesetzt 3,38,39. Die endgültige MFM-Auflösung und -Empfindlichkeit sind jedoch sowohl durch Dinge begrenzt, die außerhalb der Kontrolle des Benutzers liegen (z. B. AFM-Detektionselektronik, MFM-Sondentechnologie, zugrunde liegende Physik usw.) als auch durch die Wahl der Bildgebungsparameter und der Umgebung. In der Zwischenzeit nehmen die Merkmalsgrößen in magnetischen Geräten weiter ab^40,41, wodurch kleinere magnetische Domänen entstehen^, wodurch die MFM-Bildgebung immer schwieriger wird. Darüber hinaus sind die interessierenden magnetischen Dipole nicht immer außerhalb der Ebene ausgerichtet, parallel zum Magnetisierungsvektor der Sonde. Eine hochauflösende Abbildung der Streufelder, die von den Enden von in-plane oder fast in-plane-orientierten Dipolen ausgehen, wie es bei den hier gezeigten ASI-Strukturen der Fall ist, erfordert eine höhere Empfindlichkeit. Das Erzielen hochauflösender MFM-Bilder, insbesondere solcher magnetisierten Proben in der Ebene, die aus nanoskaligen magnetischen Domänen bestehen, hängt daher von der geeigneten Wahl der MFM-Sonde ab (z. B. Dicke, Koerzitivfeldstärke und Moment der magnetischen Beschichtung, die manchmal im Widerspruch zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit oder lateralen Auflösung¹⁸ oder der Erhaltung der magnetischen Ausrichtung der Probe stehen können³⁰ ), Bildgebungsparameter (z. B. Hubhöhe und Schwingungsamplitude, wie oben erwähnt, sowie Minimierung des Verschleißes der Spitzenbeschichtung während der Topographie-Linienbildgebung) und Probenqualität (z. B. Oberflächenrauheit und Verunreinigung, einschließlich Polieren von Ablagerungen oder Oberflächenwasser aufgrund von Umgebungsfeuchtigkeit). Insbesondere das Vorhandensein von Wasser, das aufgrund der Umgebungsfeuchtigkeit an der Probenoberfläche adsorbiert wird, kann starke Van-der-Waals-Kräfte an der Spitze der Probe verursachen, die die Messung magnetischer Kräfte erheblich beeinträchtigen und die minimal erreichbare Hubhöhe für MFM-Messungen begrenzen können. Der MFM-Betrieb in einem Handschuhfach mit inerter Atmosphäre eliminiert nahezu alle Oberflächenverunreinigungen, was niedrigere Hubhöhen und eine höhere Auflösung bei gleichzeitig höherer Empfindlichkeit ermöglicht. Dementsprechend wurde in den hier gezeigten Beispielbeispielen ein AFM-System eingesetzt, das in einer speziell mit Argon (Ar) gefüllten inerten Atmosphären-Glovebox untergebracht ist, die <0,1 ppm Sauerstoff (_O2) und Wasser (_H2O) enthält, um extrem niedrige Hubhöhen (bis zu 10 nm) zu ermöglichen. Dies ermöglicht anschließend eine exquisit hochauflösende MFM-Bildgebung, die in der Lage ist, alternierende magnetische Domänen <200 nm breit innerhalb eines größeren kristallographischen Zwillings und magnetische Dipole (nanoskalige Stabmagnete) <100 nm breit und ~250 nm lang aufzulösen.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie hochauflösende, hochempfindliche MFM-Bilder aufnehmen, indem Sie die Verwendung einer Glovebox für inerte Atmosphäre mit einer sorgfältigen Probenvorbereitung und einer optimalen Auswahl der Bildgebungsparameter kombinieren. Die beschriebenen Methoden sind besonders wertvoll für die Abbildung von In-Plane-orientierten Dipolen, die traditionell schwer zu beobachten sind, und daher werden beispielhafte hochauflösende MFM-Bilder sowohl von Ni-Mn-Ga-MSMA-Kristallen präsentiert, die unterschiedliche nanoskalige magnetische Domänen innerhalb kristallographischer Zwillinge und über Zwillingsgrenzen aufweisen, als auch von nanomagnetischen ASI-Arrays, die mit einer in-plane-magnetischen Dipolorientierung hergestellt werden. Forscher in einer Vielzahl von Bereichen, die eine hochauflösende MFM-Bildgebung wünschen, können von der Verwendung des hier beschriebenen Protokolls sowie der Diskussion potenzieller Herausforderungen wie topographischer Artefakte erheblich profitieren.

Protocol

HINWEIS: Zusätzlich zu dem folgenden Protokoll ist eine detaillierte Schritt-für-Schritt-MFM-Standardarbeitsanweisung (SOP), die für das hier verwendete Gerät spezifisch ist und auf die allgemeine MFM-Bildgebung ausgerichtet ist, als Zusatzdatei 1 enthalten. Um den Videoteil dieses Manuskripts zu ergänzen, enthält die SOP Bilder des Sondenhalters, des Spitzenmagnetisierers und des Magnetisierungsverfahrens, Softwareeinstellungen usw. 1. Vorbereitung und Installatio…

Representative Results

Künstliche Spin-Ice-Gitter (ASI)Künstliche Spineis sind lithographisch definierte zweidimensionale Netzwerke wechselwirkender Nanomagnete. Sie zeigen Frustration durch Design (d.h. die Existenz vieler lokaler Minima in der Energielandschaft)21,42,43. Hochauflösende MFM-Bildgebung zur Aufklärung der magnetischen Konfigurationen und Wechselwirkungen zwischen den Array-Komponenten bietet die einzigartige M?…

Discussion

Die hochauflösende MFM-Bildgebung erfordert, dass zunächst für jede Zeile ein entsprechender hochauflösender High-Fidelity-Topographie-Scan erfasst wird. Dieser Topographie-Scan wird typischerweise durch intermittierenden Kontakt- oder Klopfmodus AFM erhalten, der ein Amplitudenmodulations-Feedback-System verwendet, um die Probentopographie⁴⁷ abzubilden. Die Genauigkeit des Topographie-Scans kann optimiert werden, indem der Amplitudensollwert des Cantilevers und die Rückkopplungsgewinne wie i…

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.