Регистрация инверсии намагниченности в магнитном структурированном массиве с помощью магнитной силовой микроскопии

ИЮН292018

Инверсия намагниченности играет важнейшую роль в разработке механизмов переключения магнитных наноструктур в устройствах хранения высокой плотности. В этой работе описано успешное исследование инверсии намагниченности (перемагничивания) в магнитном структурированном массиве с помощью атомно-силового микроскопа методом магнитной силовой микроскопии (MFM). Магнитные свойства и структура топографии поверхности исследованного образца были получены одновременно и данные показывают, что оба сигнала хорошо обособлены друг от друга за счет двухпроходного метода сканирования.

Магнитные изображения показали, что подавляющее большинство круглых точек (доменных структур) шириной 148 нм на поверхности образца испытали инверсию намагниченности во время сканирования, но также присутствовали домены, оставшиеся в своем исходном состоянии. Некоторые из точек, испытавших инверсию намагниченности, с легкостью изменяли свою намагниченность, тогда как другие точки изменяли свое состояние постепенно, когда магнитное поле между образцом и кантилевером менялось со временем. Также на полученных изображениях был обнаружен единичный дефект.

Полученные результаты говорят о том, что данный метод исследования может предоставлять надежные данные для понимания процессов намагничивания, а также использоваться для обнаружения дефектов в магнитных образцах.

Введение

В современную эру цифровых устройств магнитные хранилища жизненно важны, поскольку применяются во всевозможных сферах и приборах, включая компьютеры, мобильные телефоны, серверы данных и т.п. Способность магнитных хранилищ хранить большое количество информации на маленькой площади, оставаясь при этом недорогими и доступными, делает их наиболее привлекательными, по сравнению с другими устройствами хранения высокой плотности [1]. Поддержание высокого отношения сигнал/шум (SNR) стало большим вызовом при записи информации на подобные устройства хранения.

Одним из наиболее эффективных методов получения приемлемого SNR стала методика хранения данных в магнитных структурированных массивах. В данном методе данные хранятся в литографически созданном магнитном массиве в форме магнитных доменов, где каждый домен представляет собой единичный бит данных, который может являться либо логической 1, либо логическим 0. Магнитные свойства наноструктур, такие как намагниченность доменов, форма, размер, структура массива и т.п. значительно влияют на производительность магнитных хранилищ. Таким образом, технология, которая может измерять подобные характеристики и позволяет исследовать образцы с нанометровыми структурами, должна использоваться при оценке надежности подобных устройств.

Существует несколько методов, которые могут использоваться для исследования и анализа магнитных доменов. Например, фотоэлектронная эмиссионная микроскопия (PEEM), сканирующая электронная (растровая) микроскопия (SEM), рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD), керровская микроскопия и прочие [2, 3, 4, 5]. Однако, некоторые из этих методов не обеспечивают необходимого пространственного разрешения, другие требуют длительной подготовки образцов перед измерениями, третьи являются разрушающими для образцов, а какие-то и вовсе не могут работать при нормальных условиях окружающей среды. В силу данных причин была разработана технология магнитной силовой микроскопии (MFM), реализованная на атомно-силовом микроскопе и позволяющая преодолеть все вышеупомянутые трудности. В дополнение, объединение сразу двух методов измерения в одном приборе позволяет пользователю получать данные как о топографии поверхности исследуемого образца, так и о магнитных свойствах вблизи поверхности, и при этом не требует замены образца или сканирующего зонда во время измерений.

В связи с этим MFM была использована для исследования магнитного структурированного массива и полученные данные показали, что данный метод применим и эффективен для изучения магнитных свойств различных магнитных запоминающих устройств.

Эксперимент

Магнитный структурированный массив исследовался с помощью атомно-силового микроскопа NX10 компании Park Systems. Магнитные свойства образца измерялись при нормальных внешних условиях методом MFM. Рабочий кантилевер, игольчатый наконечник которого был покрыт специальным магнитным материалом (Nanosensors, PPP-MFMR), был предварительно намагничен и использовался в течение всего эксперимента. Для оптимизации измерений и минимизации перекрестных помех также использовался немагнитный держатель образца. Измерения методом MFM проводились путем стандартной бесконтактной двухпроходной сканирующей микроскопии (см. рис. 1). Было получено четыре изображения одной и той же области с 4-минутными интервалами с целью наблюдения изменений в магнитных доменах с течением времени.

Рис. 1. Двухпроходной метод сканирования режима MFM.

В режиме измерений методом MFM между поверхностью исследуемого образца и кантилевером присутствуют две силовые составляющие: силы межатомного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) и магнитные силы. Силы Ван-дер-Ваальса отвечают за построение карты топографии поверхности, тогда как магнитная составляющая предоставляет данные о магнитных свойствах образца. Данные о колебаниях кантилевера содержат в себе оба типа информации, однако ключом к успешной интерпретации результатов и получению качественных изображений является методология отделения этих данных друг от друга.

Одним из таких методов является двухпроходная сканирующая микроскопия – во время первого прохода микроскоп получает информацию о топографии поверхности, а во время второго прохода регистрируются MFM данные. Кантилевер немного приподнимается по высоте перед вторым проходом, а его траектория движения соответствует топографии, полученной во время первого прохода – это сделано для того, чтобы силы Ван-дер-Вальса (слабые на большей высоте) не оказывали влияние на колебания кантилевера и единственной составляющей оставалось все еще сильное влияние магнитного поля (см. рис. 1) [6].

В данном эксперименте оптимальная высота для получения качественных MFM данных составила 50 нм. Для анализа колебаний кантилевера во время измерений использовался встроенный в АСМ синхронный усилитель. В режиме MFM доменные структуры и их полярность регистрировались путем анализа изменений в амплитуде колебаний кантилевера, вызванных магнитным полем образца. В данном случае величина изменения амплитуды колебаний пропорциональна интенсивности магнитного поля – во время сканирования игольчатый наконечник либо притягивался к поверхности, либо отталкивался от нее в зависимости намагниченности доменов образца.

Результаты и выводы

Полученные топографические данные показывают, что структура массива с круглыми точками была успешно создана на заводе-изготовителе, однако именно эти данные не несут никакой информации о магнитных свойствах образца. Наоборот, MFM данные четко отображают доменную структуру и намагниченность образца, но не несут никакой информации о физической структуре поверхности образца. Полученные данные были обработаны в специальном программном обеспечении XEI компании Park Systems.

По полученным изображениям видно, что данные о топографии и магнитных свойствах согласуются между собой и что структурированный массив действительно обладает круглыми точками, которые и являются доменными структурами. На рис. 2 представлены обработанные изображения, полученные в первой временной точке. Топографическое изображение было использовано для предоставления более подробной информации о геометрической форме доменов – анализ поперечного сечения проводился вдоль красной горизонтальной линии. Было измерено, что диаметр одной точки составляет 148 нм (красные стрелочки), высота точки 44 нм (синие стрелочки), а расстояние между соседними точками составляет примерно 71 нм (зеленые стрелочки).

Магнитное изображение также подтверждает, что каждый домен имеет круглую форму. Все домены представлены как более светлые – такой контраст обусловлен намагниченностью этих доменов. В данном случае яркий цвет означает, что магнитный диполь направлен вверх относительно поверхности образца, а темный цвет означает, что магнитный диполь направлен вниз. Таким образом, MFM изображение показывает, что во время измерения в первой временной точке массив доменов находится в одном состоянии, в котором вектор намагниченности направлен вверх.

Рис. 2. Топография (слева) и MFM данные (справа) магнитного образца + профиль поперечного сечения вдоль красной линии (красный: диаметр домена, зеленый: расстояние между доменами, синий: высота домена).

На рисунке 3 представлены MFM изображения той же области исследуемого образца, полученные во второй, третьей и четвертой временных точках с интервалом 4 минуты. На основании окраски круглых точек рисунок 3а) показывает, что подавляющее большинство доменов полностью сменили свою поляризацию намагниченности, а некоторая часть осталась неизменной или изменилась наполовину. Частично изменившиеся домены представляют собой магнитное мульти-доменное состояние, тогда как домены, полностью испытавшие инверсию намагниченности или не испытавшие ее совсем, представляют собой однодоменное состояние [7].

Данный результат говорит о том, что через 4 минуты магнитный массив почти полностью состоит из однодоменных состояний, которые испытали полную инверсию намагниченности. Такая же интерпретация может быть сделана и для рисунка 3б), однако заметно существенно изменение, показывающее, что практически все мульти-доменные состояния, наблюдаемые во второй временной точке, также полностью изменили свою намагниченность во время измерения в третьей временной точке. В последней, четвертой, временной точке, полученное изображение 3в) показывает, что абсолютно все точки находятся в однодоменном состоянии. Большее количество данных однодоменных состояний представляют собой домены, полностью сменившие поляризацию намагниченности в обратном направлении.

Рис.3. MFM изображения с данными о состоянии доменов после 4 минут намагничивания (а); после 8 минут намагничивания (б); после 12 минут намагничивания (в).

Те точки, которые остались светлыми представляют собой домены, которые так и не сменили свою поляризацию в течение всего процесс намагничивания. Отсутствие наблюдаемого эффекта в данных точках может быть связано с неоднородностью поверхности образца [8]. Предполагается, что изменение намагниченности вызвано изменениями в магнитном поле между кантилевером и образцов во времени. Также на всех четырех полученных MFM изображениях и на топографическом изображении в нижнем левом углу наблюдается нарушение структуры массива. Данное нарушение рассматривается как одиночный дефект, появившийся в процессе технологического изготовления массива [9]. Такой одиночный дефект может значительно повлиять на свойства магнитной инверсии во всем образце.

Заключение

Периодическая структура магнитного массива была успешно охарактеризована с помощью атомно-силового микроскопа NX10 компании Park Systems с помощью метода MFM. Топографические данные показали, что массив представляет собой набор круглых точек диаметром 148 мм и высотой 44 нм, а MFM данные показали, что большинство данных точек, являющихся доменами, полностью сменили свою поляризацию намагниченности во время сканирования. Однако небольшое количество доменов осталось неизменным, не смотря на изменение магнитного поля между кантилевером и исследуемым образцом с течением времени.

Также был обнаружен поверхностный дефект, выраженный отсутствие круглой точки и, как следствие, данная область не обладала никакими магнитными свойствами – это может быть связано с технологическим процессом изготовления массива. Получение характеристик об инверсии намагниченности является важной задачей при производстве механизмов переключения в магнитных наноструктурах. Качественное производство такого отдельно взятого механизма особенно важно для реализации возможности записи информации в битовую ячейку магнитных запоминающих устройств. Ошибка во время записи с такую ячейку может привести к искажению информации или к потере всех данных.

Подводя итог можно сказать, что методология, описанная в данной работе, может использоваться в исследовании процессов инверсии намагниченности, а также для обнаружения дефектов в магнитных запоминающих устройствах высокой плотности.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. Z. Bandic, et al., Advances in Magnetic Data Storage Technologies. Scanning the issue
2. K. Koike, et al., Scanning Electron Microscope Observation of Magnetic Domains Using Spin-Polarized Secondary Electrons. Japanese Journal of Applied Physics, Volume 23, Part 2, Num. 3
3. P. Kasiraj, et al., Magnetic domain imaging with a scanning Kerr effect microscope. IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 22, Issue: 5, Sep 1986
4. C. Schneider, et al., Investigating surface magnetism by means of photoexcitation electron emission microscopy. Reports on Progress in Physics, Volume 65, Number 12
5. P. Fischer, et al., Imaging of magnetic domains with the X-ray microscope at BESSY using X-ray magnetic circular dichroism. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter, December 1997, Volume 101, Issue 3, pp 313–316
6. Park MFM Technique: http://www.parkafm.com/images/spmmodes/magnetic/Magnetic-Force-Microscopy-(MFM).pdf
7. P. Krone, et al., Investigation of the magnetization reversal of a magnetic dot array of Co/Pt multilayers. Journal of Nanoparticle Research, November 2011, Volume 13, Issue 11, pp 5587–5593
8. A. Fraerman, et al., Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic nanoparticles. Institute for Physics of Microstructures RAS, Nizhny Novgorod, Russia
9. A. Manzin, et al., Influence of lattice defects on the ferromagnetic resonance behaviour of 2D magnonic crystals. Scientific Reports 6, Article number: 22004