자력 현미경

자기력 현미경법(MFM)은 날카롭게 자화된 팁이 자성 샘플을 스캔하는 다양한 원자력 현미경법입니다. 팁-샘플 자기 상호작용이 검출되어 샘플 표면의 자기 구조를 재구성하는 데 사용됩니다.MFM은 자기 쌍극자-다이폴 상호작용을 포함하여 많은 종류의 자기 상호작용을 측정한다.MFM 스캔에서는, 비접촉 AFM(NC-AFM) 모드를 사용하는 경우가 많습니다.

개요

MFM 측정에서 샘플과 팁 사이의 자력은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

${\displaystyle {F}}=\mu _{o}({\vec {m}}\cdot \cdla}){\vec {H}},\!}$

$여기$서 m ${\displaystyle \to }$ ${{displaystyle {m}},\!}$은 팁의 자기 모멘트(약칭 점 $쌍극자{\displaystyle \stackrel{}{}}$), H${\displaystyle }{\displaystyle \stackrel{}{\to }}$ ${{displaystyle {H}},\!}$는 샘플 표면으로부터의 자기 유영, δ는₀ 자유 공간의 자기 투과율입니다.

샘플로부터의 부유 자기장은 팁의 자기 상태에 영향을 줄 수 있고, 반대로도 마찬가지이기 때문에 MFM 측정의 해석은 간단하지 않습니다.예를 들어 정량 분석을 위해서는 팁 자화의 형상을 알아야 합니다.

분해능은 10~20nm로 ^[4]낮아도 일반적인 분해능은 30nm로 ^[3]달성할 수 있습니다.

중요 날짜

MFM에 대한 관심이 높아진 것은 다음과 같은 ^[1][5][6]발명이 있었기 때문입니다.

신호로서 주사 터널링 현미경(STM) 1982, 팁과 샘플 사이의 터널링 전류를 이용한다.팁과 샘플은 모두 전기 전도성이 있어야 합니다.

원자력 현미경법(AFM) 1986, 팁과 샘플 사이의 힘(원자/정전기)은 플렉시블 레버(칸타일레버)의 편향으로부터 검출된다.캔틸레버 팁은 샘플 위를 수십 나노미터의 일반적인 거리로 비행합니다.

MFM(Magnetic Force Microscopy), 1987년^[7] AFM에서 파생되었습니다.팁과 샘플 사이의 자기력이 ^[8][9]감지됩니다.래스터 ^[10]주사 시에 시료 표면상에 자화된 팁을 주사함으로써 자기부유장의 화상을 얻을 수 있다.

MFM 컴포넌트

MFM 시스템의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 압전 주사
• 샘플을 x, y 및 z 방향으로 이동합니다.
• 전압이 다른 방향으로 분리된 전극에 인가됩니다.일반적으로 1V 전위가 발생하면 1~10nm의 변위가 발생합니다.
• 샘플 표면을 래스터 방식으로 천천히 스캔하여 이미지를 합성합니다.
• 스캔 영역의 범위는 수 마이크로미터에서 200 마이크로미터입니다.
• 이미지 작성 시간은 몇 분에서 30 분까지입니다.
• 캔틸레버의 재질에 따라 캔틸레버의 힘 상수 복원 범위는 0.01 ~ 100 N/m입니다.
• 플렉시블 레버(칸타일레버)의 한쪽 끝에 자화된 팁.일반적으로 자기 코팅이 되어 있는 AFM 프로브입니다.
• 과거에 팁은 니켈과 같은 식각된 자성 금속으로 만들어졌다.
• 오늘날 팁은 마이크로머시닝과 포토 리소그래피의 조합을 사용하여 배치 제작(팁 캔타일레버)됩니다.그 결과, 보다 작은 팁이 가능해져, 팁 캔타레버의 보다 뛰어난 기계적 제어를 ^[11][12][13]얻을 수 있다.
• 캔틸레버: 단결정 실리콘, 이산화규소(SiO₂) 또는 질화규소(SiN₃₄)로 만들 수 있습니다.SiN₃₄ 캔틸레버 팁 모듈은 일반적으로 내구성이 더 높고 복원력 상수(k)가 더 작습니다.
• 팁 자성 상태(또는 자화 M)가 촬상 중에 변화하지 않도록 팁은 보통 높은 보자기력의 얇은(50nm 미만) 자성 필름(예를 들어 Ni 또는 Co)으로 코팅됩니다.
• 팁 칸타일레버 모듈은 10kHz에서 1MHz ^[5]사이의 일반적인 주파수의 압전 결정에 의해 공진 주파수에 가깝게 구동됩니다.

스캔 순서

종종 MFM은 소위 "리프트 높이"^[14] 방식으로 운영됩니다.팁이 가까운 거리(< 10 nm)에서 샘플 표면을 스캔하면 자기력뿐만 아니라 원자력과 정전기력도 감지됩니다.리프트 높이 방법은 다음을 통해 자기 대비를 향상시키는 데 도움이 됩니다.

• 우선, 각 스캔 라인의 지형 프로파일을 측정한다.즉, 팁은 AFM 측정을 위해 샘플에 근접합니다.
• 그런 다음 자화된 팁이 샘플에서 더 멀리 들어 올려집니다.
• 두 번째 패스에서는 자기신호를 ^[15]추출한다.

동작 모드

스태틱(DC) 모드

검체의 부유장이 자기 팁에 힘을 가합니다.힘은 캔틸레버의 레이저 빔을 반사하여 캔틸레버의 변위를 측정하여 검출합니다.캔틸레버 끝은 δz = F_z/k(표면에 수직) 거리만큼 표본 표면 쪽으로 꺾입니다.

정적 모드는 캔틸레버 편향 측정에 해당합니다.일반적으로 수십 피코뉴턴 범위의 힘이 측정됩니다.

다이내믹(AC) 모드

작은 편향의 경우 팁 캔타일레버는 유효질량(m)이 [kg], 이상적인 스프링 상수(k)가 [N/m], 댐퍼(D)가 [N·s/m]^[16]인 감쇠 고조파 발진기로 모델링할 수 있다.

외부 진동력_z F가 캔틸레버에 가해질 경우 팁이 z만큼 변위됩니다.게다가 변위도 조화롭게 진동하지만,^[5][6][9] 가해진 힘과 변위 사이의 위상 변화는 다음과 같습니다.

$\displaystyle F_{z}=F_{o}\cos(\omega t),\;z=z_{o}\cos(\omega t+\theta),\!}$

여기서 진폭 및 위상 이동은 다음과 같이 제공됩니다.

${\displaystyle z_{o}=frac {F_{o}}{m}}{{{\ofa_{n}-\ofa^{2}+({\frac {n}\opha }{Q}}){2}},\;\theta =\arctan \left[{\frac }{{{{{{frac}{{n}{{n}}{{{{{\Omega}}}}}}}{{{{{{{{{{}}}}}}}}}}}$

여기에서는 공진, 공진각 주파수 및 감쇠 계수의 품질 계수는 다음과 같습니다.

${\displaystyle Q=2\pi {{\frac {1}{2}kz_{o}^{2}\obmega_{n}}=blashrt {frac {2\blac}{m}},\;\blash {frac {m}},\clash ={dAC} {frac} {fr}$

동적 작동 모드는 공진 주파수의 변화를 측정하는 것입니다.캔틸레버가 공진 주파수로 구동되고 주파수 이동이 감지됩니다.1차 근사치에 대해 작은 진동 진폭(MFM 측정에서 일반적으로 해당)을 가정할 때, 공진 주파수는 고유 주파수 및 힘 구배와 관련될 수 있습니다.즉, 공진 주파수의 변화는 팁에 작용하는 (반발 및 인력) 힘에 의해 스프링 상수가 변화한 결과입니다.

$\displaystyle \mega _{r}=\operrt {1-{\frac {1}{k}}{\frac {z}}{\partial z}}}{\frac {n}\left(1-{\frac {1}{k}}}{\frac {{{z}}}}{\partial!{\frac {\frac F_{\frac}}}}}{\frac {\f}}}}{\frac F_{\f}{\f}}}{\f}}}}$

자연 공진 주파수의 변화는 다음과 같습니다.

${\displaystyle \mathrm{display}{}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ -${\displaystyle {}_{}}$f n${\displaystyle \frac{{display}_{}}{}}$ - ${\displaystyle \frac{{}_{}}{\mathrm{}}}$ ${\displaystyle \frac{n}{}}$ 2${\displaystyle \frac{}{}\frac{\mathrm{}{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{f_{}}{\mathrm{}}}$F ${\displaystyle \frac{z}{}\frac{}{}}$$display{\displaystyle }$ z \ $display$ \$Delta f= f_{r}-f_{n} {2k} {\frac {\frac F_{z$}}{\partial$$z$\},\backslash !,$ ${\displaystyle 여기}$서${\displaystyle \frac{flac\mathrm{}}{}\frac{}{}}$= ${\displaystyle \frac{\mathrm{fstyle}}{}}$ $fstyle$ 。

예를 들어 좌표계는 양의 z가 시료표면에서 멀어지거나 수직이 되도록 하여 흡인력이 음의 방향(F<0)이 되도록 하여 기울기가 양이다.따라서 인력에 대해서는 캔틸레버의 공진 주파수가 감소한다(방정식에 기재되어 있다.이미지는 일반적으로 매력적인 힘이 검은색으로 표현되는 반면, 반발하는 힘은 흰색으로 코딩되는 방식으로 인코딩됩니다.

이미지 형성

자기 팁에 작용하는 힘 계산

이론적으로 팁 샘플 시스템의 자기 정적인 에너지(U)는 다음 두 가지 방법 ^{[1][5][6][17]}중 하나로 계산할 수 있습니다.팁의 자화(M)는 샘플의 인가된 자기장($\displaystyle$ H$)$이 있을 때 계산하거나 팁의 인가된 자기장($\displaystyle$ M$)$이 있을 때 계산할 수 있습니다.다음으로, 자화와 부유장의 (도트) 곱을 상호작용 볼륨(${\displaystyle }$ $\displaystyle$ V$)$에 통합합니다.

${\displaystyle U=-\mu _{o}\int _{V}}\cdot {\vec {H}},dV},\!}$

거리별 에너지 기울기를 계산하여 힘 ^[18]F를 구한다.캔틸레버가 z축을 따라 꺾이고 팁이 특정 방향(예: z축)을 따라 자화된다고 가정하면 방정식은 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.

${displaystyle F_{i}=\mu _{o}\int _{V}{\vec {M}}\cdot {frac {\vec {H}}{\partial x_{i}},dV},\!}$

팁은 특정 방향을 따라 자화되므로 동일한 방향으로 정렬된 시료의 자기부유장 성분에 민감합니다.

이미징 샘플

MFM은 도메인 벽(Blockh and Neel), 폐쇄 도메인, 기록된 자기 비트 등을 포함한 다양한 자기 구조를 촬영하는 데 사용할 수 있습니다.또, 외부 자기장에서도 영역벽의 움직임을 연구할 수 있다.다양한 소재의 MFM 이미지는 박막, 나노 입자, 나노 배선, 퍼머로이 디스크, 기록 매체 등의 책과 저널 ^[5][6][19]출판물에서 볼 수 있습니다.

이점

MFM의 인기는 다음과 같은 ^[2]몇 가지 이유에서 비롯됩니다.

• 샘플은 전기적으로 전도될 필요가 없습니다.
• 측정은 주변 온도, 초고진공(UHV), 액체 환경, 다양한 온도 및 다양한 외부 자기장이 존재하는 환경에서 수행할 수 있습니다.
• 측정은 결정 격자 또는 구조에 파괴되지 않습니다.
• 장거리 자기 상호작용은 표면 오염에 민감하지 않습니다.
• 특별한 표면 준비나 코팅이 필요하지 않습니다.
• 시료에 얇은 비자성층을 부착해도 결과는 변경되지 않습니다.
• 검출 가능한 자기장 강도 H는 10 A/m 범위입니다.
• 감지 가능한 자기장 B는 0.1가우스(10마이크로테슬라) 범위입니다.
• 일반적인 측정 힘은 10N⁻¹⁴, 공간 분해능은 20nm까지 낮습니다.
• MFM은 STM 등의 다른 스캔 방법과 조합할 수 있습니다.

제한 사항

MFM을 사용할 때 몇 가지 단점이나 어려움이 있습니다. 예를 들어 팁-샘플 상호 작용으로 인해 기록된 이미지는 팁의 유형과 자기 코팅에 따라 달라집니다.팁과 샘플의 자기장은 서로의 자화 M을 변화시켜 비선형 상호작용을 일으킬 수 있습니다.이로 인해 이미지 해석이 방해됩니다.비교적 짧은 가로 방향 스캔 범위(수백 마이크로미터).스캔(리프트) 높이가 이미지에 영향을 줍니다.MFM 시스템의 하우징은 샘플의 전자 노이즈(패러데이 케이지), 음향 노이즈(방진 테이블), 공기 흐름(공기 차단) 및 정적 충전을 차폐하는 데 중요합니다.

어드밴스

위에서 언급한 한계를 극복하고 MFM의 분해능 한계를 개선하기 위한 여러 시도가 있었습니다. 예를 들어, ^[20]진공 상태에서 작동하는 MFM에 의해 공기 흐름의 한계가 극복되었습니다.팁-표본 효과는 몇 가지 접근법에 의해 이해되고 해결되었습니다.Wu 등은 정점에서만 ^[21]쌍극자를 생성하기 위해 반강자성 결합 자성층이 있는 팁을 사용했다.

레퍼런스

외부 링크

• 자기 측정 적용 참고 사항
• Ultra MFM 프로젝트