Optimering af magnetisk kraftmikroskopiopløsning og følsomhed for at visualisere magnetiske domæner i nanoskala

Summary

Magnetisk kraftmikroskopi (MFM) anvender en lodret magnetiseret atomkraftmikroskopisonde til måling af prøvetopografi og lokal magnetfeltstyrke med nanoskalaopløsning. Optimering af MFM’s rumlige opløsning og følsomhed kræver afbalancering af faldende løftehøjde mod stigende drevamplitude (oscillation) og drager fordel af at arbejde i et handskerum i inaktiv atmosfære.

Abstract

Magnetisk kraftmikroskopi (MFM) muliggør kortlægning af lokale magnetfelter på tværs af en prøveoverflade med nanoskalaopløsning. For at udføre MFM svinges en atomkraftmikroskopi (AFM) sonde, hvis spids er magnetiseret lodret (dvs. vinkelret på sondens udkragning) i en fast højde over prøveoverfladen. De resulterende skift i svingningsfasen eller frekvensen, som er proportionale med størrelsen og tegnet af den lodrette magnetiske kraftgradient ved hver pixelplacering, spores og kortlægges derefter. Selvom teknikkens rumlige opløsning og følsomhed øges med faldende løftehøjde over overfladen, kompliceres denne tilsyneladende ligetil vej til forbedrede MFM-billeder af overvejelser som minimering af topografiske artefakter på grund af van der Waals-kræfter med kortere rækkevidde, forøgelse af svingningsamplituden for yderligere at forbedre følsomheden og tilstedeværelsen af overfladeforurenende stoffer (især vand på grund af fugtighed under omgivende forhold). På grund af orienteringen af sondens magnetiske dipolmoment er MFM desuden i sig selv mere følsom over for prøver med en magnetiseringsvektor uden for plan. Her rapporteres topografiske og magnetiske fasebilleder i høj opløsning af enkelt- og bikomponent nanomagnetiske kunstige spin-ice (ASI) arrays opnået i et inert (argon) atmosfærehandskerum med <0,1 ppm O 2 og H_2O. Optimering af løftehøjde og drevamplitude for høj opløsning og følsomhed, samtidig med at man undgår introduktion af topografiske artefakter, diskuteres, og detektion af de omstrejfende magnetfelter, der stammer fra hver ende af nanoskala stangmagneterne (~ 250 nm lange og <100 nm brede) justeret i planet for ASI-prøveoverfladen, vises. Ligeledes demonstreres MFM ved hjælp af eksemplet med en Ni-Mn-Ga magnetisk formhukommelseslegering (MSMA) i en inert atmosfære med magnetisk fasefølsomhed, der er i stand til at løse en række tilstødende magnetiske domæner, der hver er ~ 200 nm brede.

Introduction

Magnetisk kraftmikroskopi (MFM), en scanningssondemikroskopi (SPM) afledt af atomkraftmikroskopi (AFM), muliggør billeddannelse af de relativt svage, men langtrækkende magnetiske kræfter, der opleves af en magnetiseret sondespids, når den bevæger sig over en prøveoverflade 1,2,3,4,5. AFM er en ikke-destruktiv karakteriseringsteknik, der anvender en nanometerskalaspids i slutningen af en bøjelig udkragning til at kortlægge overfladetopografi⁶ samt måle materiale (f.eks. Mekaniske, elektriske og magnetiske) egenskaber ^7,8,9 med nanoskalaopløsning. Afbøjning af cantileveren på grund af tip-prøve-interaktioner af interesse måles via refleksion af en laser fra bagsiden af cantileveren og ind i en positionsfølsom fotodiode¹⁰. Højopløsningsbilleddannelse af et materiales lokale magnetiske egenskaber via MFM giver den unikke mulighed for at karakterisere magnetfeltstyrken og orienteringen i nye materialer, strukturer og enheder på nanoskalaen 4,5,11,12,13,14,15,16,17 . For at udføre MFM svinges en AFM-sonde, hvis spids er magnetiseret lodret (dvs. vinkelret på sondens udkragning og prøveoverflade) mekanisk svinget ved sin naturlige resonansfrekvens i en fast højde over prøveoverfladen. Resulterende ændringer i svingningsamplitude (mindre følsom og dermed mindre almindelig), frekvens eller fase (beskrevet her) overvåges derefter for at måle magnetfeltstyrken kvalitativt. Mere specifikt producerer frekvensmodulation MFM et kort over skift i svingningsfrekvensen eller fasen, proportional med størrelsen og tegnet på den magnetiske kraftgradient, der opleves af sonden. For at opretholde en konstant højde over prøven under MFM-målinger anvendes der typisk en dual-pass-driftsform. Prøvetopografien kortlægges først via standard AFM-teknikker, efterfulgt af sammenflettet MFM-billeddannelse af hver sekventiel scanningslinje ved en brugerbestemt løftehøjde (titusinder til hundreder af nm) fra prøveoverfladen. Ved at anvende en sådan interleaved dual-pass acquisition mode muliggør adskillelse af de kortdistance tip-sample van der Waals-interaktioner, der bruges til at kortlægge topografien fra de relativt langtrækkende magnetiske kræfter, der opleves under interleaved lift mode pass. Imidlertid øges MFM’s rumlige opløsning med faldende løftehøjde¹⁸, så der er en iboende spænding mellem at øge MFM-opløsningen og undgå topografiske artefakter på grund af van der Waals-kræfter. Ligeledes er MFM-følsomheden proportional med svingningsamplituden under løftetilstandspasset, men den maksimalt tilladte svingningsamplitude er begrænset af løftehøjden og hurtige ændringer i prøvetopografi (dvs. funktioner med højt billedformat).

Nylige undersøgelser har fremhævet det væld af muligheder, der er forbundet med anvendelsen af nanomagnetisme og nanomagnonics, udviklet via kunstige spin-ice (ASI) strukturer og magnoniske krystaller, som fungerende enheder til logik, beregning, kryptering og datalagring^19,20,21,22 . Sammensat af nanomagneter arrangeret i forskellige udvidede gitterformationer udviser kunstige spin-is nye magnetiske dipoler eller monopoler, der kan styres via en ekstern stimulus 19,20,23,24,25. Generelt favoriserer ASI’er en momentkonfiguration, der minimerer energien (f.eks. I en todimensionel (2D) firkantet ASI peger to øjeblikke ind og to peger ud af hvert toppunkt), hvor lavenergimikrostaterne følger regler analoge med krystallinske spin-is-materialer^21,26,27,28 . Tilsvarende viste en nylig MFM-aktiveret undersøgelse et tredimensionelt (3D) ASI-gittersystem konstrueret af sjældne jordarters spins placeret på hjørnedelingstetraedre, hvor to spins peger mod midten af tetraederen og to spins peger ud, hvilket resulterer i to lige og modsatte magnetiske dipoler og dermed en netto nul magnetisk ladning ved tetraedercentrene²³ . Afhængigt af justeringen af et påført magnetfelt i forhold til prøveoverfladen blev der observeret signifikante forskelle i den magnetiske rækkefølge og korrelationslængden. Justeringen og kontrollen af ASI-dipoler berettiger derfor til yderligere undersøgelser. Metoder til måling af ASI-magnetfeltfordelinger har inkluderet anvendelse af et magneto-optisk støjspektrometer²⁹ eller røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme fotoemission elektronmikroskopi (XMCD-PEEM)²⁵; men for at opnå rumlige opløsninger, der er lig med eller større end MFM med XMCD-PEEM, kræves ekstremt korte bølgelængder (dvs. røntgenstråler med høj energi). MFM tilbyder en meget enklere karakteriseringsteknik, der ikke kræver eksponering af prøver for potentielt skadelige røntgenstråler med høj energi. Derudover er MFM blevet brugt til ikke kun at karakterisere ASI-mikrostater^21,23,27, men også til topologisk defektdrevet magnetisk skrivning ved hjælp af høje magnetiske momentspidser³⁰. Derfor kan MFM spille en afgørende rolle i at fremme ASI-forskning og -udvikling, specifikt gennem dets evne til at korrelere prøvetopografi med magnetfeltstyrke og orientering og derved afsløre de magnetiske dipoler, der er forbundet med specifikke topografiske træk (dvs. ASI-gitterelementer).

MFM med høj opløsning giver ligeledes betydelig indsigt i forholdet mellem strukturen af ferromagnetiske formhukommelseslegeringer og deres nanoskala magnetomekaniske egenskaber 14,17,31,32,33. Ferromagnetiske form hukommelseslegeringer, almindeligvis benævnt magnetisk form hukommelseslegeringer (MSMA’er), udviser store (op til 12%) magnetfeltinducerede stammer, båret gennem dobbelt grænsebevægelse 29,33,34,35. MFM-teknikker er blevet brugt til at undersøge de komplekse forhold mellem twinning under deformation og martensitisk transformation, indrykning, mikrosøjledeformation og nanoskala magnetiske reaktioner af MSMAs^15,16,17,36. Af særlig opmærksomhed er MFM blevet kombineret med nanoindentation for at skabe og læse en fire-state nanoskala magnetomekanisk hukommelse¹⁷. På samme måde forfølges næste generations magnetiske optagelsesteknologier via varmeassisteret magnetisk optagelse (HAMR), der opnår lineære tætheder på 1975 kBPI og sportætheder på 510 kTPI³⁷. Den øgede arealtæthed, der kræves for at muliggøre større, mere kompakt datalagring, har resulteret i en betydelig reduktion i den definerede sporhøjde for HAMR-teknologier, hvilket understreger behovet for MFM-billeddannelse i høj opløsning.

Ud over ASI’er og MSMA’er er MFM med succes blevet brugt til at karakterisere forskellige magnetiske nanopartikler, nanoarrays og andre typer magnetiske prøver 3,38,39. Imidlertid er ultimativ MFM-opløsning og følsomhed begrænset både af ting uden for brugerens kontrol (f.eks. AFM-detektionselektronik, MFM-sondeteknologi, underliggende fysik osv.) og af valg af billedparametre og miljø. I mellemtiden fortsætter funktionsstørrelser i magnetiske enheder med at falde^40,41, hvilket skaber mindre magnetiske domæner^, hvilket gør MFM-billeddannelse stadig mere udfordrende. Derudover er de magnetiske dipoler af interesse ikke altid orienteret ud af plan parallelt med sondens magnetiseringsvektor. Højopløsningsbilleddannelse af de omstrejfende felter, der stammer fra enderne af in-plane eller næsten in-plane orienterede dipoler, som det er tilfældet i ASI-strukturerne vist her, kræver større følsomhed. Opnåelse af MFM-billeder i høj opløsning, især af sådanne magnetiserede prøver i plan sammensat af magnetiske domæner i nanoskala, afhænger således af passende valg af MFM-sonde (f.eks. tykkelse, tvang og moment af den magnetiske belægning, som til tider kan være i modstrid med forbedring af følsomheden eller lateral opløsning¹⁸ eller bevarelse af prøvens magnetiske justering³⁰ ), billeddannelsesparametre (f.eks. løftehøjde og svingningsamplitude som nævnt ovenfor samt minimering af slid på spidsbelægning under topografilinjebilleddannelse) og prøvekvalitet (f.eks. overfladeruhed og forurening, herunder polering af snavs eller overfladevand på grund af omgivende fugtighed). Især kan tilstedeværelsen af vand, der adsorberes på prøveoverfladen på grund af den omgivende fugtighed, indføre stærke tip-sample van der Waals-kræfter, der i væsentlig grad kan forstyrre måling af magnetiske kræfter og begrænse den mindste opnåelige løftehøjde for MFM-målinger. MFM-drift i et handskerum i en inaktiv atmosfære eliminerer næsten alle overfladeforurenende stoffer, hvilket giver mulighed for lavere løftehøjder og højere opløsning kombineret med større følsomhed. I de eksempler på prøver, der er vist her, er der derfor anvendt et AFM-system, der er anbragt i et brugerdefineret inert atmosfærehandskerum fyldt med argon (Ar) indeholdende <0,1 ppm ilt_(O2) og vand (H₂O) for at muliggøre ekstremt lave løftehøjder (ned til 10 nm). Dette muliggør efterfølgende udsøgt højopløsnings MFM-billeddannelse, der er i stand til at løse skiftende magnetiske domæner <200 nm brede inden for en større krystallografisk tvilling og magnetiske dipoler (nanoskala stangmagneter) <100 nm brede og ~ 250 nm lange.

Denne artikel forklarer, hvordan man erhverver MFM-billeder i høj opløsning og høj følsomhed ved at kombinere brugen af et handskerum i inaktiv atmosfære med omhyggelig prøveforberedelse og optimalt valg af billedparametre. De beskrevne metoder er især værdifulde til billeddannelse af planorienterede dipoler, som traditionelt er vanskelige at observere, og derfor præsenteres eksemplariske MFM-billeder i høj opløsning af både Ni-Mn-Ga MSMA-krystaller, der udviser forskellige magnetiske nanoskala-domæner inden for krystallografiske tvillinger og på tværs af tvillingegrænser samt nanomagnetiske ASI-arrays fremstillet med en magnetisk dipolorientering i plan. Forskere inden for en lang række områder, der ønsker MFM-billeddannelse i høj opløsning, kan have stor gavn af at anvende den protokol, der er skitseret her, samt diskussionen om potentielle udfordringer såsom topografiske artefakter.

Protocol

BEMÆRK: Ud over protokollen nedenfor er en detaljeret trin-for-trin MFM standardoperationsprocedure (SOP), der er specifik for det instrument, der bruges her, og rettet mod generel MFM-billeddannelse inkluderet som supplerende fil 1. For at supplere videodelen af dette manuskript indeholder SOP’et billeder af sondeholderen, tip magnetisator og magnetiseringsprocedure, softwareindstillinger osv. 1. Forberedelse og installation af MFM-sonde Åbn AFM-k…

Representative Results

Kunstige spin-ice (ASI) gitterKunstige spin-is er litografisk definerede todimensionelle netværk af interagerende nanomagneter. De udviser frustration over design (dvs. eksistensen af mange lokale minima i energilandskabet)21,42,43. MFM-billeddannelse i høj opløsning for at belyse de magnetiske konfigurationer og interaktioner mellem arraykomponenterne giver den unikke mulighed for bedre at forstå gitter…

Discussion

MFM-billeddannelse i høj opløsning kræver, at der først anskaffes en tilsvarende high-fidelity-topografiscanning med høj opløsning for hver linje. Denne topografiscanning opnås typisk gennem intermitterende kontakt- eller tryktilstand AFM, som anvender et amplitudemodulationsfeedbacksystem til billedprøvetopografi⁴⁷. Nøjagtigheden af topografiscanningen kan optimeres ved at justere amplitude-sætpunktet for cantileveren og feedbackgevinster som beskrevet i protokollen. Amplitude-sætpunkt…

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.