En protokol til fabrikation af magnetiske mikro- og nanostrukturer med spin konfigurationer danner magnetiske hvirvler egnet til transmissions elektronmikroskopi (TEM) og magnetisk transmission x-ray mikroskopi (MTXM) undersøgelser er præsenteret.
Elektron og x-ray magnetiske microscopies giver mulighed for høj opløsning magnetiske imaging ned til snese nanometer. Prøverne skal dog være forberedt på gennemsigtige membraner, som er meget skrøbelig og vanskelig at manipulere. Vi præsenterer processer til fremstilling af prøver med magnetisk mikro- og nanostrukturer med spin konfigurationer danner magnetiske hvirvler egnet til Lorentz transmissions elektronmikroskopi og magnetiske transmission x-ray mikroskopi undersøgelser. Prøverne forberedes på silicon nitride membraner og fabrikation består af en spin belægning, UV og electron-beam litografi, den kemiske udvikling af modstå, og fordampning af den magnetiske materiale efterfulgt af en lift-off proces danner den endelige magnetiske strukturer. Prøver til Lorentz transmissions Elektron Mikroskopi består af magnetisk nanodiscs udarbejdet i et enkelt litografi skridt. Prøverne for magnetisk x-ray transmission mikroskopi anvendes til tidsopløst magnetisering dynamisk eksperimenter, og magnetiske nanodiscs er placeret på en bølgeleder, der bruges til generation af gentagelig magnetfelt pulser af passerer en elektrisk strømmen gennem bølgeleder. Bølgeleder er lavet i et ekstra litografi skridt.
Magnetisme af nanostrukturer var intensivt undersøgt i de sidste to årtier efter teknologiske tendenser mod miniaturisering. Som de laterale dimensioner af strukturerne, der bliver mindre og mindre, de magnetiske egenskaber af ferromagnetisk strukturer begynder at være underlagt struktur geometri ud over den magnetiske materialets egenskaber. Funktionsmåden for forskellige magnetiske elementer fra bulk materialer til mikrostrukturer er blevet gennemgået i detaljer (f.eks. af Hubert og Schäfer)1. En af de mest kendte eksempler på ikke-trivielle magnetisering grundtilstand er magnetisk hvirvler-curling magnetisering strukturer i mikro – og submicron-størrelse tynde magnetiske diske og polygoner. Magnetisering her er curling i flyet omkring en ud af flyet vortex core2,3. Magnetisering tilbageførsel af magnetiske hvirvler er blevet grundigt undersøgt i både statiske4,5,6 og dynamisk7,8,9,10 regimer. De mulige anvendelser af magnetiske hvirvler er, fx multi-bit hukommelse celler11, logiske kredsløb12, radiofrekvens enheder13eller spin-bølge udledere14.
For at en magnetisk vortex og især vortex kernen billedet den rumlige opløsning af mikroskopi teknik skal være så tæt som muligt til grundlæggende magnetiske længdeskalaer (under 10 nm). Lorentz transmissions Elektron Mikroskopi15 (LTEM) og magnetisk transmission x-ray mikroskopi16 (MTXM) er ideelle kandidater til billeddannelse af magnetiske hvirvler, som de tilbyder en høj rumlige opløsning og MTXM tilbyder også en høj tidsmæssige opløsning til magnetisering dynamics undersøgelser. Ulempen ved disse teknikker er de komplicerede prøveforberedelse, som er genstand for den præsenteres papir.
De processer, der præsenteres her forklare fabrikation af prøver anvendes til imaging magnetiske hvirvler af TEM17 og MTXM10,11. Begge teknikker er transmission karakter, og på grund af, at det er nødvendigt at fremstille strukturer på tynde membraner. Membraner er typisk lavet af silicon nitride og deres tykkelse varierer fra snese nanometer til et par hundrede af nanometer. Hver af disse to metoder kræver en anden støtte stel geometri. I forbindelse med MTXM, rammen er 5 x 5 mm2 og vinduet er stor, 2 x 2 mm2. For TEM er stel geometri en cirkel med 3 mm i diameter med vinduesstørrelse afhængig af eksperimentet, typisk 250 x 250 µm2. Membraner bringe yderligere udfordringer sværere prøve behandlinger med risiko for bryde vinduer i alle processerne, litografi.
Fabrikation af prøverne kan gøres både positive og negative modstå litografi teknikker18. Positive modstå litografi processen bruger en positiv modstå; den kemiske struktur af modstå ændringer ved bestråling og den udsatte del vil blive opløseligt i kemiske udvikleren. Det udsatte område vil vaskes væk, mens det eksponerede område vil forblive på underlaget. I tilfælde af en negativ modstå litografi proces, bestråling hærder modstå og det udsatte område vil forblive på bærematerialet, mens det eksponerede område vil vaske væk i kemiske udvikleren. Begge teknikker kan bruges til fabrikation af prøverne, men vi foretrækker positive modstå litografi, fordi det kræver færre fabrikation skridt i forhold til negativt modstå litografi teknik. Det er også nemmere at håndtere, hurtigere, og ofte giver bedre resultater.
Vi har demonstreret fabrikation af prøver til LTEM og MTXM magnetiske microscopies. Disse prøver skal være fabrikeret på tynde synd membraner, således at elektroner, for LTEM, og de bløde røntgenstråler, for så vidt angår MTXM, kan trænge igennem prøverne. Disse prøver kan være fremstillet enten 1) en positiv modstå litografi eller 2) en negativ modstå litografi.
Vi brugte positive modstå litografi teknik, fordi det kræver mindre prøveforberedelsen og færre fabrikation trin og giver mulighed for lettere behandling. Det giver også forsker til at bruge den shadowing virkning, som vi brugte til kontrolelementet præcise disk form (en tilspidset i den ene side af disken). Denne form blev brugt til at styre cirkulation af de magnetiske hvirvler under Nukleering10,11.
Ulempen ved denne teknik er kompliceret lift-off procedure, fordi det tynde filmmateriale er undertiden deponeret udkanten modstå og derefter ikke kan fjernes ved en lift-off. Vi løst problemet ved hjælp af en dobbelt modstå lag. Dette lidt begrænser opløsningen (ca. 20 nm) af den litografiske proces, men forbliver tilstrækkeligt med henblik på magnetisk billeddannelse.
Negative modstå litografi teknikken tilbyder en højere opløsning som strukturer med opløsning ned til 7 nm kan skrives til at modstå. Materialet er derefter ætset væk enten ved våd ætsning eller ion stråle ætsning. Problemet med denne tilgang er, at modstå er vanskeligt at fjerne efter ætsning. Almindeligt anvendte ilt plasma modstå stripping er ikke mulig i tilfælde af tynde permalloy strukturer, som de oxidere nemt. Dette faktum, samt behovet for at bruge den shadowing teknik, favoriserer den positive litografi proces, som blev brugt i hele dette arbejde.
Vi brugte prøver udarbejdet af metoderne beskrevet i denne hvidbog for observation af dynamikken i magnetiske hvirvler under et omløb skifte ved en MTXM10,11 og observation af forskellige Nukleering stater17 . Dette kan omfatte flere typer af forsøg, der kræver lithographically rede strukturer på membraner.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning er blevet økonomisk støttet af Grant agenturet af Den Tjekkiske Republik (projekt nr. 15-34632L) og CEITEC Nano +-projekt-ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. Prøven fabrikation og LTEM måling blev udført i CEITEC Nano forskningsinfrastruktur (ID LM2015041, MEYS CR, 2016-2019). Meena Dhankhar blev støttet af en Brno Ph.D. talent legat.
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 |