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

39 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

53379. Игры и игровые приемы на уроках ритмики 96 KB
  Одобрено на кафедре ритмики и хореографии В данной разработке раскрывается значение игры и ее роль в развитии познавательной активности на ребенка представлены варианты музыкальных игр и игровых ситуаций проводимых студентами на пробных уроках ритмики а также на внеклассных мероприятиях. Музыкальные игры пользуются у детей с большой любовью вызывают веселое бодрое настроение ибо в них наряду с музыкально – двигательными заданиями присутствует элемент занимательности а не редко и соревнования кто скорее кто лучше кто более...
53380. Використання інформаційно-телекомунікаційних технологій в навчальному процесі 11.85 MB
  Рецензент: Кучерявенко Олена Петрівна викладач вищої категорії викладач методист Педагогічне дослідження проведено шляхом вивчення професійної діяльності викладачів ВНЗ та вчителів шкіл моделей ефективного використання інформаційнокомунікаційних та дистанційних технологій навчання у вищому навчальному закладі. Інформаційна технологія навчання ІТН. Яку форму навчання обрати . На сучасному етапі уже визначені і сформульовані головні завдання освіти підвищення рівня якості навчання трудового і морального...
53381. Використання ІКТ на уроках рідної мови 292 KB
  Сьогодні використання вчителем ІКТ в його професійній діяльності вже не розглядається як інновація – в сучасній школі це є необхідний обов’язковий засіб навчання, бо ці технології можна використовувати на будь-якому етапі уроку: і у процесі перевірки домашньої роботи, і для актуалізації знань, і під час вивчення нового матеріалу, і для закріплення, повторення вивченого, контролю та оцінювання.
53382. Компетентнісне навчання за допомогою ІКТ на уроках української мови та літератури 22.04 MB
  Завідуюча шкільним методичним кабінетом учитель української мови та літератури спеціаліст вищої категорії вчительметодист Соледарської загальноосвітньої школи ІІІІ ступенів № 13 Артемівської міської ради Донецької області На одній зі стін древнього монастиря в Англії був напис: Бачення без завдань залишається лише мрією. Мій вибір науковометодичної теми Використання інформаційнокомунікаційних технологій на уроках української мови та літератури як засіб формування ключових компетентностей не випадковий не є це також і...
53383. Наши загадочные имена 50.5 KB
  Что радует слух лучше любой музыки Конечно же собственное имя. Иногда имя выбирают по вполне конкретным соображениям иногда – просто потому что родителям одно имя нравится другое – раздражает. Бывает имя дается из ближайших ко дню рождения имен по святцам. Так одни народы считают что называть детей в честь недавно умерших родственников нельзя а другие наоборот верят что имя нужно срочно передать следующему чтобы не прерывалась связь времен.
53384. Учет реконструкции и модернизации основных средств 26.18 KB
  Порядок формирования и использования резерва сводится к следующему: отчисления в резерв списываются на расходы равными долями на последний день соответствующего периода. Затем сумма фактически осуществленных затрат на проведение ремонта списывается за счет средств резерва.
53385. Понятие дебиторской и кредиторской задолженности и порядок их списания 24.2 KB
  В своей хозяйственной деятельности предприятие вступает в отношение с другими организациями, несет обязательства по уплате налогов, сборов, а также выступает в качестве субъекта трудовых отношений. При этом возникают кредиторская и дебиторская задолженность.
53387. Класичне, статистичне означення імовірності 1.82 MB
  Узагальнити і систематизувати знання, вміння та навички учнів; навчити застосовувати їх при розв’язуванні прикладних задач з біології; ознайомити з історичним матеріалом. Розвивати творчі здібності учнів. Організація робочих місць учителя та учнів. Заповнює кросворд один з учнів класу працюючи за комп’ютером.