19857

Принцип действия магнитно-силового микроскопа (МСМ). Квазистатические методики в МСМ

Лекция

Физика

Лекция 22 Принцип действия магнитносилового микроскопа МСМ. Квазистатические методики в МСМ. Колебательные методики в МСМ. Магнитносиловой микроскоп МСМ был изобретен И. Мартином и К. Викрамасингхом в 1987 г. для исследования локальных магнитных свойств образцов. Дан...

Русский

2013-07-18

1.67 MB

36 чел.

Лекция 22

Принцип действия магнитно-силового микроскопа (МСМ). Квазистатические методики в МСМ. Колебательные методики в МСМ.

Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) был изобретен И. Мартином и К. Викрамасингхом в 1987 г. для исследования локальных магнитных свойств образцов. Данный прибор представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала с удельной намагниченностью M(r). Принцип действия МСМ проиллюстрирован на рис. 22.1.

Рис. 22.1

В общем случае описание взаимодействия зонда МСМ с полем образца H(r) представляет собой достаточно сложную задачу. В качестве простейшей модели рассмотрим зонд МСМ в виде одиночного магнитного диполя, характеризующегося магнитным моментом .

Потенциальная энергия такой системы

U = –H.

В поле H на магнитный диполь действует сила

f = –gradU

и момент сил

N = [H].

В однородном магнитном поле сила f = 0, так что на диполь действует лишь момент сил, который разворачивает магнитный момент вдоль поля. В неоднородном поле диполь втягивается в область с большей напряженностью H.

В общем случае магнитный момент зонда МСМ можно представить как суперпозицию диполей вида M(r)dV, где M(r) – удельная намагниченность магнитного покрытия.

Взаимодействие зонда МСМ с магнитным полем образца показано на рис. 22.1.

Рис. 22.1

Полная энергия магнитного взаимодействия зонда и образца в соответствие с рис. 22.1 может быть представлена в следующем виде:

,

где интегрирование проводится по магнитному слою зонда.

Отсюда сила взаимодействия зонда с полем образца

.

Соответственно z-компонента силы:

.    (22.1)

Для получения МСМ изображений образцов применяются квазистатические и колебательные методики.

Квазистатические методики

Для образцов, имеющих слабо развитый рельеф поверхности, МСМ изображение поверхности получают следующим образом. Во время сканирования зондовый датчик перемещается над образцом на некотором расстоянии h = const. При этом величина изгиба кантилевера, регистрируемая оптической системой, записывается в виде МСМ изображения F(x,y), представляющего собой распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

Для исследований магнитных образцов с сильно развитым рельефом поверхности применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования производится следующая процедура. На первом проходе снимается АСМ изображение рельефа в контактном или полуконтактном режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние z0, и осуществляется повторное сканирование (рис. 22.2). Расстояние z0 выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была меньше силы магнитного взаимодействия.

Рис.22.2

На втором проходе датчик перемещается над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в этом случае локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения изгиба кантилевера в процессе сканирования связаны с неоднородностью магнитных сил, действующих на зонд со стороны образца. Таким образом, итоговый МСМ кадр представляет собой двумерную функцию F(x,y), характеризующую распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

Колебательные методики

Применение колебательных методик в магнитно-силовой микроскопии позволяет реализовать большую (по сравнению с квазистатическими методиками) чувствительность и получать более качественные МСМ изображения образцов. Как было показано в разделе, посвященном бесконтактной методике АСМ, наличие градиента силы приводит к изменению резонансной частоты, а следовательно, к сдвигу АЧХ и ФЧХ системы зонд-образец. Данные изменения резонансных свойств системы используются для получения информации о неоднородном распределении намагниченности на поверхности образцов. В случае магнитного взаимодействия зонда с поверхностью сдвиг резонансной частоты колеблющегося кантилевера будет определяться производной по координате z от величины Fz 

.

Для получения МСМ изображения поверхности используется двухпроходная методика. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте ω вблизи резонанса. На первом проходе в полуконтактном режиме записывается рельеф поверхности. На втором проходе зондовый датчик движется над образцом по траектории, соответствующей рельефу, так, что расстояние между ним и поверхностью в каждой точке равно величине z0 = const, определяемой оператором. МСМ изображение формируется посредством регистрации изменений амплитуды или фазы колебаний кантилевера.

Изменения амплитуды и сдвиг фазы колебаний, связанные с вариациями градиента силы, при условии, что изменения Fz' вдоль поверхности невелики, будут равны

Коэффициенты перед ΔFz' определяют чувствительность амплитудного и фазового методов измерения. Максимум чувствительности достигается при определенных частотах возбуждения кантилевера.

В качестве примера на рис. 22.3 приведены МСМ изображения поверхности магнитного диска, полученные с помощью различных методик.

Рис. 22.3

(а) – АСМ изображение рельефа поверхности;

(б) – МСМ изображение фазового контраста;

(в) – МСМ изображение амплитудного контраста;

(г) – МСМ изображение распределения силы взаимодействия зонда с поверхностью.

На рис. 22.4 приведено МСМ изображение массива магнитных наночастиц, сформированных методом интерференционного лазерного отжига пленок Fe-Cr.

Рис. 22.4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41886. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАСТВОРИМОСТЬ БЕЛКОВ (НА ПРИМЕРЕ БЕЛКОВ МЯСА, РЫБЫ, МУКИ) 135.38 KB
  При жарке мяса температура в центре куска может быть 60 С полусырой бифштекс или ростбиф или 80 85 С полностью прожаренное мясо а при варке 94 96 С. При нагревании мяса и рыбы до более высокой температуры уменьшается растворимость мышечных белков уплотняются белковые студни снижается влагоудерживающая способность мяса и рыбы уменьшается сочность изделий и повышается их жесткость. Поэтому при тепловой обработке мяса и рыбы следует применять мягкие режимы тепловой кулинарной обработки стремиться сокращать продолжительность хранения...
41887. Знакомство с основными понятиями Microsoft PowerPoint и приемами создания и оформления презентаций 3.27 MB
  Следующим шагом окажется появление окна Разметка слайда на котором представлены различные варианты разметки слайдов рисунок 1. рисунок 2. Щелкните правой кнопкой мыши по заголовкам столбцов B C D – и выберите режим удалить или вырезать посмотрите что у вас получилось рисунок 3. Упражнение: Добавление графических объектов на слайд Задание: Разместите на титульном слайде рисунок.
41888. Создание базы данных «Накладные» 239.81 KB
  Имя поля Тип данных Размер поля ИНН Текстовый 15 Получатель Текстовый 25 Адрес Текстовый 50 ключевое поле в таблице 6 Определите ключи таблиц для чего выделите ключевое поле поля и щелкните мышью по кнопке Ключевое поле на вкладке Конструктор. Таблица Товар Имя поля Тип данных Размер поля Товар Текстовый 15 Ед_измерения Текстовый 8 Цена денежный Таблица Накладные Имя поля Тип данных Размер поля Номер Счетчик Дата дата время ИНН Текстовый 15 Таблица Отпущено Имя поля Тип данных Размер поля Номер Числовой...
41890. Программы – архиваторы ОС MS-DOS (zip, arj,rar) и ОС семейства WINDOWS(winzip, winrar) 724.5 KB
  Функции архивирования и разархивирования встроены в файловую систему компьютера и доступны из программы «Проводник». На Вашем компьютере должна быть установлена одна из выше перечисленных программ-архиваторов. Обычно это WinRAR или WinZIP.
41891. Информатика и вычислительная техника. Информационные технологии и системы 92.45 KB
  Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов высших учебных заведений обучающихся по направлениям 230100 Информатика и вычислительная техника и 230200 Информационные технологии и системы Москва 2013 Оглавление Лабораторная работа № 1 Стандартные типы данных и выражения 3 Задание 1 3 Задание 2 4 Лабораторная работа № 2 Алгоритмизация линейных вычислительных процессов 10 Задание 1. 10 Задание 2. 10 Задание 3. 10 Задание 4.
41892. Структура документа и ввод данных. Лабораторные работы в MS Excel 2007 610.52 KB
  На втором листе книги расположите таблицу приведенную на рис. На третьем листе книги разместите таблицу приведенную на рис. Занесите информацию о расширениях файлов Excel в Office 2007 в табличную область первого листа книги и запомните эти расширения. После открытия окна "Microsoft Excel" активизируйте справочную систему (F1) и выберите в Обзоре справки Excel пункты Управление книгой – Управление файлами - Общие сведения о новых расширениях имен файлов и XML-форматов Office.
41893. Таблицы MS Excel 2007. Лабораторные работы в MS Excel 2007 403.81 KB
  Заполните диапазон А1:F10 данными по образцу приведенному на рис. Рис.а Рис. После преобразования в таблицу диапазон представлен на рис.
41894. Списки. Фильтрация данных. Связывание таблиц. Лабораторные работы в MS Excel 2007 1.43 MB
  Введите таблицу приведенную на рис. Рис. Введите таблицу представленную на рис. Активизируйте лист с исходной таблицей рис.