磁力顯微鏡

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3.2 GB 和 30 GB 电脑硬盘表面的磁力显微镜图像

磁力显微镜(Magnetic force microscope.MFM)是一种原子力显微镜,通过磁性探针扫描磁性样品,检测探针和磁性样品表面的相互作用以重构样品表面的磁性结构。很多种类的磁性相互作用可以通过磁力显微镜测量,包括磁偶相互作用。磁力显微镜扫描经常使用非接触式的模式。

概述[编辑]

在磁力显微镜的测量中,样品和探针之间的磁力可表述为[1][2]

\vec F=\mu_o (\vec m \cdot \nabla ) \vec H \,\!

其中\vec m \, \!是探针的磁矩\vec H \, \!是样品表面杂散磁场的磁,µ0是自由空间的磁导率

由于样本的杂散磁场可以影响探针的磁性状态,而探针的磁场也影响样本,磁力显微镜测量的解释并不是简单。例如,磁化探针的几何形状必须确定以便做定量分析。

典型的分辨率可以达到30 nm ,[3] 尽管 10 到 20 nm 也可以实现。[4]

重要日期[编辑]

磁力显微镜的发展基于以下发明的推动[1][5][6]:

1982 - 扫描隧道显微镜 (STM)

  • 探针和样品之间的隧道电流被用作信号。
  • 探针和样品必须都是导体。

1986 - 原子力显微镜 (AFM)

  • 探针和样品之间的力 (原子/静电) 可以通过一个灵敏的杠杆(悬臂)的偏转检测。
  • 悬臂探针通常悬挂在样品相距几十纳米的上方。

1987 - 磁力显微镜 (MFM)[7]

  • 源于原子力显微镜。探针和样品之间的磁力可以测量。[8][9]
  • 杂散磁场的图像可以通过磁化探针在样品表面进行的光栅扫描获得。[10]

磁力显微镜结构[编辑]

磁力显微镜的主要结构: 压电扫描仪

  • x, yz 方向上移动样品。
  • 通过不同方向上的电极施加电压。通常,每1到10 nm 1伏特。
  • 图像通过在样品表面进行缓慢的光栅扫描得以形成。
  • 扫描区域从几个到200微米。
  • 成像时间从几分钟到30分钟。
  • 根据悬臂材料的不同,悬臂恢复力常数从0.01到100N/m。

磁性探针在灵敏的杠杆(悬臂)的一端,通常是涂油磁性材料的AFM探针。

  • 在过去,探针通过蚀刻之类的磁性材料获得。
  • 现在, 探针(探针悬臂)通过结合微加工和光刻技术来制造。因此,更小的探针得以制造,并且具有更好的操控性。[11][12][13]
  • 悬臂可以由单晶硅, 二氧化硅 (SiO2), 或 氮化硅 (Si3N4)制造。 氮化硅悬臂探针模块通常更耐用,并且有更小的恢复力常数 (k)。
  • 探针被一层很薄(< 50 nm) 的磁性薄膜(比如镍或钴),通常具有高抗磁性,因此探针的磁性状态(磁化强度M)不会在成像过程中改变。
  • 探针悬臂模块由共振频率相近的压电晶体以通常10K赫兹到1M赫兹的频率驱动。[5]

扫描过程[编辑]

磁力显微镜的扫描方法被称为“提升高度”法。[14]当探针以小距离(< 100 nm)扫描样品表面时, 检查到的不仅有磁力,还有原子力和静电力。 提升高度法通过如下手段提高磁力的精确度:

  • 首先,各条扫描线测量生成剖面。探针的测的的是样品接近于AFM测量的结果。
  • 提升磁性探针高度,离样品更远一些。
  • 重复测量, 从中提取出磁性信号.[15]

操作模式[编辑]

静态(DC)模式[编辑]

动态(AC)模式[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 D.A. Bonnell, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. 7. 2. Wiley-VCH. 2000. ISBN 047124824X. 
  2. ^ D. Jiles. 15//Introduction to Magnetism and Magnetic Materials 2. Springer. 1998. ISBN 3540401865. 
  3. ^ L. Abelmann, S. Porthun, et al.. Comparing the resolution of magnetic force microscopes using the CAMST reference samples. J. Magn. Magn. Mater. 1998, 190: 135–147. Bibcode:1998JMMM..190..135A. doi:10.1016/S0304-8853(98)00281-9. 
  4. ^ Nanoscan AG, Quantum Leap in Hard Disk Technology
  5. ^ 5.0 5.1 H. Hopster, and H.P. Oepen, Magnetic Microscopy of Nanostructures. 11-12. Springer. 2005. 
  6. ^ M. De Graef, and Y. Zhu. 3//Magnetic Imaging and Its Applications to Materials: Experimental Methods in the Physical Sciences 36. Academic Press. 2001. ISBN 0124759831. 
  7. ^ Magnetic Force Microscopy
  8. ^ Y. Martin and K. Wickramasinghe. Magnetic Imaging by Force Microscopy with 1000A Resolution. Appl. Phys. Lett. 1987, 50 (20): 1455–1457. Bibcode:1987ApPhL..50.1455M. doi:10.1063/1.97800. 
  9. ^ U. Hartmann. Magnetic Force Microscopy. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999, 29: 53–87. Bibcode:1999AnRMS..29...53H. doi:10.1146/annurev.matsci.29.1.53. 
  10. ^ History of Probing Methods
  11. ^ L. Gao, L.P. Yue, T. Yokota, et al.. Focused Ion Beam Milled CoPt Magnetic Force Microscopy Tips for High Resolution Domain Images. IEEE Transactions on Magnetics. 2004, 40 (4): 2194–2196. Bibcode:2004ITM....40.2194G. doi:10.1109/TMAG.2004.829173. 
  12. ^ A. Winkler, T. Mühl, S. Menzel, et al.. Magnetic Force Microscopy Sensors using Iron-filled Carbon Nanotubes. J. Appl. Phys. 2006, 99 (10): 104905. Bibcode:2006JAP....99j4905W. doi:10.1063/1.2195879. 
  13. ^ K. Tanaka, M. Yoshimura, and K. Ueda. High-Resolution Magnetic Force Microscopy Using Carbon Nanotube Probes Fabricated Directly by Microwave Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition. J. NanoMaterials. 2009, 2009: 147204. doi:10.1155/2009/147204. 
  14. ^ Magnetic Force Microscopy (MFM) manual
  15. ^ I. Alvarado, "Procedure to Perform Magnetic Force Microscopy (MFM) with VEECO Dimension 3100 AFM", NRF, 2006

外部链接[编辑]