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

34 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

83110. Свойства воды. Круговорот воды в природе 73.5 KB
  Цели: - формировать у учащихся представление о круговороте воды в природе; закрепить знания о разнообразии состояний воды в окружающей среде; свойствах воды; развивать логическое мышление, исследовательские навыки, умение наблюдать и делать выводы; воспитывать познавательный интерес.
83111. Робота з природним матеріалом. Створення композиції «Осінній вернісаж» 32.5 KB
  Мета: навчальна: вчити працювати з природним матеріалом; продовжувати вдосконалювати вміння та навички виготовляти композиції з листя, трав, квітів розвивальна: розвивати художній смак, мислення, пробуджувати пізнавальні інтереси виховна: виховувати любов до природи, рідного краю, мистецтва.
83112. Таблиця ділення на 4. Усне розвʼязування рівнянь методом підбору. Виконання творчих завдань 53 KB
  Удосконалювати навички обчислення прикладів на множення та розвʼязування задач на конкретний зміст дії множення. Формувати вміння з рівностей на множення числа 4 складати рівностіщо містять ділення на 4 розв’язувати рівняння на знаходження невідомого множника.
83113. В.Струтинський «Казка про хлопчика Абихто». М.Сингаївський «Дощ із краплі починається» 203.5 KB
  Вітання: пошлемо одне одному добрі думки і добрі відчуття посміхніться один одному. Мотивація навчальна діяльності Слайд 4 Вчитель: А я дарую вам маленькі серця із побажаннями діти вибирають різнокольорові 4 кольори серця і зачитують побажання Приємно тебе бачити у тебе гарна посмішка...
83114. Цікаві «підказки» братів наших менших 108.5 KB
  Правила за якими будемо працювати на уроці: слайд про правила роботи в групах поважати думку кожного; говорити по черзі. Вправи на вдосконалення читацьких навичок Одним із важливих винаходів яким зараз дуже поширено користується людство є Загадка про метро Дві змії в землі лежать Табуни по них біжать...
83115. Додавання виду 37+6. Розв’язування простих та складених задач 139.5 KB
  Мета уроку. Ознайомити учнів з прийомом усного додавання з перехо дом через розряд, коли в одному з доданків відсутні де сятки. Удосконалювати вміння розв’язувати прості та складені задачі; знаходити числові значення буквених виразів. Розвивати навички усного рахунку.
83116. УКРАЇНСЬКІ ПИСЬМЕННИКИ ДІТЯМ 112.5 KB
  Поширити знання учнів про життя і творчість українських письменників які писали для дітей. А хто створює книги Ми можемо уявити своє життя без книги Чому Відповіді дітей Книга має величезне значення в житті людини. І сьогодні ми поведемо розмову про письменників України які писали для дітей.
83117. Як тварини готуються до зими? Комахи восени 141.5 KB
  Мета: встановлювати причинно-наслідкові зв’язки між змінами в неживій природі в житті рослин та тварин восени; формувати уявлення про комах про їхню поведінку восени; співставляти відповідність між зображенням комахи і способом в який вона готується до зими; збагачувати словник дітей новими словами...
83118. ПКРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ. ПРИРОДОВЕДЕНИЕ 1.01 MB
  Цели урока: Формировать представление о процессах испарения конденсации замерзания и таяния воды о связи с сезонными изменениями в природе. Базовые понятия на уроке: вещество газообразное состояние твёрдое состояние круговорот воды конденсация испарение гипотеза.