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

41 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

66424. Клініко-патогенетичні особливості перебігу ревматоїдного артриту за наявності ендотеліальної та субклінічної гіпотиреоїдної дисфункції 214 KB
  Не дивлячись на дуже часте співіснування цих нозологічних одиниць клінічна діагностика уражень ЩЗ у хворих на РА достатньо складна особливо у випадках мякої клінічної маніфестації. У хворих із ревматичними захворюваннями ЕД відіграє не менш важливу роль у розвитку та прогресуванні...
66425. Виховання соціальної усталеності особистості старшокласника в навчально-виховному процесі 211 KB
  У Законі Про соціальне становлення та розвиток молоді в Україні Національній доктрині Державній національній програмі Діти України Національній концепції виховання актуалізується проблема виховання особистості здатної на активну роль...
66426. СТАНОВЛЕННЯ ТА РОЗВИТОК БДЖІЛЬНИЦТВА В УКРАЇНІ 372.5 KB
  Сучасна наука акцентує увагу до проблеми власного самопізнання, розглядаючи її як своєрідний ключ для розв’язання багатьох актуальних дослідницьких проблем. Реалізація потенціалу сільськогосподарської науки, її завдань та цілей, місця в загальній системі знань про закономірності...
66427. ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ВИРОБНИЧОГО ПОТЕНЦІАЛУ ПІДПРИЄМСТВ ПЕРЕРОБНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ СИСТЕМИ АПК 269 KB
  Ефективність діяльності переробних підприємств в умовах ринкової конкуренції залежить в основному від якості формування та рівня використання виробничого потенціалу. Розвиток економіки регіону на довгострокову перспективу повязаний саме з цими...
66428. ОСОБЛИВОСТІ ПРАВОВОГО РЕГУЛЮВАННЯ ПРАЦІ СУДДІВ В УКРАЇНІ 159.5 KB
  Правове регулювання відносин найманої праці здійснюється зазвичай загальними нормами трудового законодавства України. Проте трудова діяльність окремих категорій працівників має суттєві особливості, що зумовлює наявність спеціальних норм щодо її регламентації.
66429. УПРАВЛІННЯ КОНКУРЕНТОСПРОМОЖНІСТЮ ПРОМИСЛОВОЇ ПРОДУКЦІЇ З УРАХУВАННЯМ ЕКОЛОГІЧНОЇ СКЛАДОВОЇ 474.5 KB
  Формування відкритої економіки, членство України в СОТ супроводжується не тільки позитивними, але і негативними явищами, серед яких слід відзначати жорсткі конкурентні умови, особливо для країн із застарілою технологією та виробництвом екологічно неякісної продукції.
66430. Внутрішні перенапруги в електричних мережах з ізольованою нейтраллю, їх обмеження та основи моделювання 4.68 MB
  Головним призначенням систем пересилання, розподілу та споживання електроенергії є ефективне забезпечення потреб національного господарства в енергії відповідної якості за мінімальних витрат і достатньому рівні надійності. Принципи побудови, розвитку сучасних і перспективних систем енергопостачання...
66431. Особенности корректировки таможенной стоимости товаров 203.5 KB
  Необходимо проанализировать изменения, связанные с образованием Таможенного союза; Выявить принципиально новые особенности Таможенного кодекса Таможенного союза; Рассмотреть что такое таможенная стоимость товаров, как она контролируется и в связи, с чем может корректироваться.
66432. Некоторые вопросы практики вексельного обращения 116.82 KB
  Наименование вексель включенное в самый текст документа и выраженное на том языке на котором этот документ составлен; простое и ничем не обусловленное предложение уплатить определенную сумму; 3 наименование того кто должен платить плательщика; указание срока платежа; указание места в котором должен быть совершен платеж; наименование того кому или приказу кого платеж должен быть совершен; указание...