Otimizando a resolução e a sensibilidade da microscopia de força magnética para visualizar domínios magnéticos em nanoescala

Summary

A microscopia de força magnética (MFM) emprega uma sonda de microscopia de força atômica magnetizada verticalmente para medir a topografia da amostra e a força do campo magnético local com resolução em nanoescala. A otimização da resolução espacial e da sensibilidade do MFM requer o equilíbrio entre a diminuição da altura de elevação e o aumento da amplitude de acionamento (oscilação) e se beneficia da operação em um porta-luvas de atmosfera inerte.

Abstract

A microscopia de força magnética (MFM) permite mapear campos magnéticos locais em uma superfície de amostra com resolução em nanoescala. Para realizar o MFM, uma sonda de microscopia de força atômica (AFM) cuja ponta foi magnetizada verticalmente (ou seja, perpendicular ao balanço da sonda) é oscilada a uma altura fixa acima da superfície da amostra. As mudanças resultantes na fase ou frequência de oscilação, que são proporcionais à magnitude e ao sinal do gradiente de força magnética vertical em cada local de pixel, são então rastreadas e mapeadas. Embora a resolução espacial e a sensibilidade da técnica aumentem com a diminuição da altura de elevação acima da superfície, esse caminho aparentemente simples para melhorar as imagens MFM é complicado por considerações como minimizar artefatos topográficos devido às forças de van der Waals de menor alcance, aumentar a amplitude de oscilação para melhorar ainda mais a sensibilidade e a presença de contaminantes superficiais (em particular água devido à umidade sob condições ambientais). Além disso, devido à orientação do momento de dipolo magnético da sonda, o MFM é intrinsecamente mais sensível a amostras com um vetor de magnetização fora do plano. Aqui, são relatadas imagens topográficas e de fase magnética de alta resolução de matrizes de spin-ice artificial de nanoímã único e bicomponente (ASI) obtidas em um porta-luvas de atmosfera inerte (argônio) com <0,1ppm O 2 e H₂ O. A otimização da altura de elevação e da amplitude de acionamento para alta resolução e sensibilidade, evitando simultaneamente a introdução de artefatos topográficos, e a detecção dos campos magnéticos perdidos que emanam de ambas as extremidades dos ímãs de barra em nanoescala (~ 250 nm de comprimento e <100 nm de largura) alinhados no plano da superfície da amostra ASI é mostrada. Da mesma forma, usando o exemplo de uma liga de memória de forma magnética Ni-Mn-Ga (MSMA), o MFM é demonstrado em uma atmosfera inerte com sensibilidade à fase magnética capaz de resolver uma série de domínios magnéticos adjacentes a cada ~ 200 nm de largura.

Introduction

A microscopia de força magnética (MFM), uma microscopia de sonda de varredura (SPM) derivada da microscopia de força atômica (AFM), permite a obtenção de imagens das forças magnéticas relativamente fracas, mas de longo alcance, experimentadas por uma ponta de sonda magnetizada à medida que viaja acima de uma superfície de amostra ^1,2,3,4,5. AFM é uma técnica de caracterização não destrutiva que emprega uma ponta em escala nanométrica no final de um cantilever maleável para mapear a topografia da superfície⁶, bem como medir as propriedades do material (por exemplo, mecânicas, elétricas e magnéticas) 7,8,9 com resolução em nanoescala. A deflexão do cantilever devido a interações de interesse entre a ponta e a amostra é medida através da reflexão de um laser na parte de trás do cantilever e em um fotodiodo sensível à posição¹⁰. A imagem de alta resolução das propriedades magnéticas locais de um material via MFM oferece a oportunidade única de caracterizar a intensidade e a orientação do campo magnético em novos materiais, estruturas e dispositivos em nanoescala 4,5,11,12,13,14,15,16,17 . Para realizar MFM, uma sonda AFM cuja ponta foi magnetizada verticalmente (ou seja, perpendicular ao cantilever da sonda e à superfície da amostra) é oscilada mecanicamente em sua frequência de ressonância natural a uma altura fixa acima da superfície da amostra. Mudanças resultantes na amplitude de oscilação (menos sensível e, portanto, menos comum), frequência ou fase (descritas aqui) são então monitoradas para medir qualitativamente a força do campo magnético. Mais especificamente, a modulação de frequência MFM produz um mapa de mudanças na frequência ou fase de oscilação, proporcional à magnitude e ao sinal do gradiente de força magnética experimentado pela sonda. A fim de manter uma altura constante acima da amostra durante as medições de MFM, um modo de operação de passagem dupla é normalmente empregado. A topografia da amostra é mapeada pela primeira vez por meio de técnicas padrão de AFM, seguidas por imagens MFM intercaladas de cada linha de varredura sequencial a uma altura de elevação determinada pelo usuário (dezenas a centenas de nm) fora da superfície da amostra. O emprego desse modo de aquisição de passagem dupla intercalada permite a separação das interações de van der Waals de curta distância entre ponta e amostra usadas para mapear a topografia das forças magnéticas de alcance relativamente longo experimentadas durante a passagem do modo de elevação intercalada. No entanto, a resolução espacial da MFM aumenta com a diminuição da altura^{de elevação 18}, de modo que há uma tensão inerente entre aumentar a resolução da MFM e evitar artefatos topográficos devido às forças de van der Waals. Da mesma forma, a sensibilidade MFM é proporcional à amplitude de oscilação durante a passagem do modo de elevação, mas a amplitude de oscilação máxima permitida é limitada pela altura de elevação e mudanças rápidas na topografia da amostra (ou seja, características de alta relação de aspecto).

Estudos recentes têm destacado a riqueza de oportunidades associadas à aplicação do nanomagnetismo e da nanomagnônica, desenvolvidos por meio de estruturas artificiais de spin-ice (ASI) e cristais magnônicos, como dispositivos funcionais para lógica, computação, criptografia e armazenamento de dados 19,20,21,22 . Compostos por nanoímãs dispostos em distintas formações de rede estendida, os gelos de spin artificiais exibem dipolos magnéticos emergentes ou monopolos que podem ser controlados através de um estímulo externo 19,20,23,24,25. Em geral, as ASIs favorecem uma configuração de momento que minimiza a energia (por exemplo, em uma ASI quadrada bidimensional (2D), dois momentos apontam para dentro e dois pontos para fora de cada vértice), com os microestados de baixa energia seguindo regras análogas aos materiais cristalinos de spin-ice^21,26,27,28 . Da mesma forma, um estudo recente habilitado para MFM demonstrou um sistema de rede ASI tridimensional (3D) construído a partir de spins de terras raras situados em tetraedros de compartilhamento de esquina, onde dois spins apontam para o centro dos tetraedros e dois spins apontam, resultando em dois dipolos magnéticos iguais e opostos e, portanto, uma carga magnética líquida zero nos centros de tetraedros²³ . Dependendo do alinhamento de um campo magnético aplicado em relação à superfície da amostra, foram observadas diferenças significativas na ordenação magnética e no comprimento de correlação. O alinhamento e o controlo dos dipolos ASI justificam, assim, uma investigação mais aprofundada. Os métodos de medição das distribuições do campo magnético ASI incluíram o uso de um espectrômetro de ruído magneto-óptico²⁹ ou a microscopia eletrônica de fotoemissão de ciclismo circular magnético de raios-X (XMCD-PEEM)²⁵; no entanto, para alcançar resoluções espaciais iguais ou maiores que a do MFM com XMCD-PEEM, são necessários comprimentos de onda extremamente curtos (ou seja, raios-X de alta energia). O MFM oferece uma técnica de caracterização muito mais simples que não requer a exposição de amostras a raios-X de alta energia potencialmente prejudiciais. Além disso, a MFM tem sido usada não apenas para caracterizar microestados ASI^21,23,27, mas também para escrita magnética orientada por defeitos topológicos usando pontas de alto momento magnético³⁰. Assim, o MFM pode desempenhar um papel vital no avanço da pesquisa e desenvolvimento da ASI, especificamente por meio de sua capacidade de correlacionar a topografia da amostra com a força e a orientação do campo magnético, revelando assim os dipolos magnéticos associados a características topográficas específicas (ou seja, elementos de rede ASI).

A MFM de alta resolução também fornece uma visão significativa da relação entre a estrutura de ligas de memória de forma ferromagnética e suas propriedades magnetomecânicas em nanoescala 14,17,31,32,33. As ligas de memória de forma ferromagnética, comumente referidas como ligas de memória de forma magnética (MSMAs), exibem grandes (até 12%) deformações induzidas por campo magnético, realizadas através de movimento de fronteira gêmea 29,33,34,35. Técnicas de MFM têm sido utilizadas para investigar as complexas relações entre geminação durante a deformação e transformação martensítica, recuo, deformação de micropilares e respostas magnéticas em nanoescala de MSMAs^15,16,17,36. De particular importância, o MFM foi combinado com nanoindentação para criar e ler uma memória magnetomecânica em nanoescala de quatro estados¹⁷. Da mesma forma, as tecnologias de gravação magnética de próxima geração estão sendo perseguidas através da gravação magnética assistida por calor (HAMR), alcançando densidades lineares de 1975 kBPI e densidades de pista de 510 kTPI³⁷. O aumento da densidade areal necessária para permitir um armazenamento de dados maior e mais compacto resultou em uma redução significativa no passo de pista definido das tecnologias HAMR, acentuando a necessidade de imagens MFM de alta resolução.

Além de ASIs e MSMAs, o MFM tem sido utilizado com sucesso para caracterizar várias nanopartículas magnéticas, nanoarrays e outros tipos de amostras magnéticas 3,38,39. No entanto, a resolução e a sensibilidade finais do MFM são limitadas tanto por coisas além do controle do usuário (por exemplo, eletrônica de detecção AFM, tecnologia de sonda MFM, física subjacente, etc.) quanto pela escolha de parâmetros de imagem e ambiente. Enquanto isso, os tamanhos dos recursos em dispositivos magnéticos continuam a diminuir^40,41, criando domínios magnéticos menores^, tornando a imagem MFM cada vez mais desafiadora. Além disso, os dipolos magnéticos de interesse nem sempre são orientados para fora do plano, paralelamente ao vetor de magnetização da sonda. A imagem de alta resolução dos campos perdidos que emanam das extremidades dos dipolos orientados no plano ou quase no plano, como é o caso das estruturas ASI mostradas aqui, requer maior sensibilidade. A obtenção de imagens MFM de alta resolução, especialmente de tais amostras magnetizadas no plano compostas de domínios magnéticos em nanoescala, depende, portanto, da escolha apropriada da sonda MFM (por exemplo, espessura, coercividade e momento do revestimento magnético, que às vezes podem estar em desacordo com a melhoria da sensibilidade ou resolução lateral¹⁸ ou preservação do alinhamento magnético da amostra³⁰ ), parâmetros de imagem (por exemplo, altura de elevação e amplitude de oscilação, conforme mencionado acima, bem como minimizar o desgaste do revestimento da ponta durante a imagem da linha de topografia) e qualidade da amostra (por exemplo, rugosidade superficial e contaminação, incluindo detritos de polimento ou água superficial devido à umidade ambiente). Em particular, a presença de água adsorvida na superfície da amostra devido à umidade ambiente pode introduzir fortes forças de van der Waals na amostra de ponta que podem interferir significativamente na medição das forças magnéticas e limitar a altura de elevação mínima alcançável para medições de MFM. A operação MFM dentro de um porta-luvas de atmosfera inerte elimina quase todos os contaminantes de superfície, permitindo alturas de elevação mais baixas e maior resolução, juntamente com maior sensibilidade. Assim, nos exemplos de amostra mostrados aqui, um sistema AFM alojado em uma caixa de luvas de atmosfera inerte personalizada cheia de argônio (Ar) contendo oxigênio <0,1 ppm (O 2) e água(H₂ O) foi empregado para permitir alturas de elevação extremamente baixas (até 10 nm). Posteriormente, isso permite imagens MFM de alta resolução requintadamente capazes de resolver domínios magnéticos alternados de <200 nm de largura dentro de um gêmeo cristalográfico maior e dipolos magnéticos (ímãs de barra em nanoescala) <100 nm de largura e ~ 250 nm de comprimento.

Este artigo explica como adquirir imagens MFM de alta resolução e alta sensibilidade combinando o uso de um porta-luvas de atmosfera inerte com uma preparação cuidadosa da amostra e a escolha ideal dos parâmetros de imagem. Os métodos descritos são especialmente valiosos para a imagem de dipolos orientados no plano, que são tradicionalmente difíceis de observar e, portanto, imagens MFM exemplares de alta resolução são apresentadas de cristais Ni-Mn-Ga MSMA exibindo domínios magnéticos distintos em nanoescala dentro de gêmeos cristalográficos e através de fronteiras de gêmeos, bem como matrizes ASI nanomagnéticas fabricadas com uma orientação de dipolo magnético no plano. Pesquisadores em uma ampla variedade de campos que desejam imagens MFM de alta resolução podem se beneficiar significativamente do emprego do protocolo descrito aqui, bem como da discussão de desafios potenciais, como artefatos topográficos.

Protocol

NOTA: Além do protocolo abaixo, um procedimento operacional padrão (SOP) detalhado e passo a passo do MFM, específico para o instrumento usado aqui e voltado para imagens gerais do MFM, está incluído como Arquivo Suplementar 1. Para complementar a parte de vídeo deste manuscrito, o SOP inclui imagens do suporte da sonda, magnetizador de ponta e procedimento de magnetização, configurações de software, etc. 1. Preparação e instalação da sonda MFM…

Representative Results

Redes artificiais de gelo de spin (ASI)Ices de spin artificiais são redes bidimensionais litograficamente definidas de nanoímãs interagindo. Eles exibem frustração pelo design (ou seja, a existência de muitos mínimos locais na paisagem energética)21,42,43. A imagem MFM de alta resolução para elucidar as configurações magnéticas e as interações entre os componentes da matriz oferece a oportunid…

Discussion

A imagem MFM de alta resolução requer que uma varredura de topografia de alta resolução e alta fidelidade correspondente seja adquirida primeiro para cada linha. Essa topografia é tipicamente obtida por meio de contato intermitente ou modo de toque AFM, que emprega um sistema de feedback de modulação de amplitude para a topografia de amostra de imagem⁴⁷. A fidelidade da topografia pode ser otimizada ajustando o ponto de ajuste de amplitude do cantilever e os ganhos de feedback conforme desc…

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.