Магнитно-силовая микроскопия (МСМ). Сканирование поверхности

Сканирование магнитных свойств высокой чувствительности и разрешения

Почти все свойства поверхности, измеренные АСМ, укладываются в процесс, приведенный на рисунке 1. Измерения магнитно-силовой микроскопии (МСМ) в АСМ серии XE выполняются по аналогичной процедуре. Для МСМ свойствами поверхности являются магнитные свойства, а силой взаимодействия между намагниченным зондом (иглой) и магнитным образцом – магнитная сила. Но, помимо магнитных сил всегда присутствуют между иглой (зондом) и образцом силы Ван Дер Вальса. Эти силы изменяются в зависимости от дистанции «зонд-образец» и поэтому используются для получения топографии поверхности.

Рисунок 1. Схема измерения поверхностных свойств в режиме XE

Магнитно-силовая микроскопия (magnetic force microscopy) отображает пространственный рисунок магнитных сил на поверхности образца с помощью зонда МСМ, покрытого тонкой ферромагнитной пленкой. В серии XE АСМ поверхностная топография выполняется в неконтактном режиме. В тоже время, изображение МСМ получается путем измерения сдвига амплитуды или фазы при колебании кантилевера, который происходит под действием магнитной силы между поверхностью образца и намагниченным кантилевером МСМ. Изображения магнитно-силовой микроскопии содержат информацию о расположении магнитных доменов на поверхности образца. Магнитно-силовая микроскопия используется для точной записи доменных структур в магнитных материалах.

В процессе измерения МСМ на зонд действуют две силы: магнитная сила и сила Ван Дер Вальса. Следовательно, в МСМ получаются два изображения – поверхностная топография (или «топографический сигнал») и магнитные свойства поверхности (или «МСМ-сигнал»), которые генерируются соответственно силами Ван Дер Вальса и магнитными силами.  Какая сила будет преобладающей, зависит от дистанции между зондом и поверхностью образца, так как по мере увеличения расстояния межатомная магнитная сила оказывает более сильное действие по сравнению с силой Ван Дер Вальса. Силы Ван Дер Вальса меняются в зависимости от дистанции «зонд-образец» и поэтому используются для получения изображения поверхностной топографии. Если зонд находится рядом с поверхностью, в зоне работы неконтактного АСМ, то изображение будет преимущественно топографическим. По мере увеличения расстояния между зондом и образцом магнитные эффекты выходят на первый план. Поэтому для разделения магнитных и топографических эффектов на скане меняют высоту расположения зонда над поверхностью образца.  

Четкое МСМ изображение получается в том случае, если магнитный сигнал выделен из общего сигнала. В магнитно-силовой микроскопии применяются две методики: распределение силы магнитного взаимодействия и двухпроходная методика.

Методика распределения силы магнитного взаимодействия

Сила Ван Дер Вальса действует на коротком расстоянии между зондом и образцом, а магнитная сила – на увеличенном расстоянии. В первом проходе  зонд располагается в зоне, где сила Ван Дер Вальса доминирует – получается топографическое изображение. Затем зонд перемещается в зону, в которой доминирует магнитная сила: сканируется МСМ изображение, как показано на рисунке 2 (a).

Рисунок 2. Схема метода распределения силы магнитного взаимодействия (a) и двухпроходная методика (b) и (c) сопоставление сигналов

Двухпроходная методика

В данном МСМ режиме АСМ-ХЕ образец сканируется дважды для разделения сигналов, как показано на рисунке 2(b).  При первом проходе зонд сканирует поверхность как в неконтактном режиме для получения топографии образца. Во втором проходе дистанция «зонд-образец» увеличивается и смещенный зонд сканирует поверхность по «топографической траектории», которая была реализована при первом сканировании, как показано на рисунке 2(c). В этом случае на зонд оказывает влияние только магнитная сила и получается МСМ изображение.

Рисунок 3. Топография (a) и фаза МСМ (b)

Рисунок 4. Фазное изображение МСМ (Co84Cr16)100-xPtx X=13 (a) и X=28 (b)

МСМ с регулируемым магнитным полем (TM-MFM)

При помощи дополнительного генератора магнитного поля и используя режим магнитно-силовой микроскопии (МСМ) можно наблюдать за изменениями магнитного состояния образца, вызванными магнитным полем.

Микроскопы, работающие в режиме магнитно-силовой микроскопии: