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

44 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

30455. Избирательный процесс в зарубежных странах 16.53 KB
  Избирательный процесс это урегулированная нормами избирательного права деятельность по подготовке и проведению выборов. Назначение выборов т. Временные рамки проведения выборов устанавливаются обычно законом. В некоторых странах закон устанавливает точную дату проведения выборов.
30456. Референдум в зарубежных странах, его виды, процедура и правовые последствия 16.76 KB
  Своеобразной разновидностью референдума является плебисцит но это голосование населения по наиболее важным для страны вопросам: по территориальным международным проблемам. Вопрос выносимый на референдум называется формулой референдума . Как правило в законодательстве устанавливаются пределы допустимого использования института референдума. Виды референдума: общенациональный и местный; обязательный и факультативный; конституционный и обыкновенный; допарламентскийпослепарламентский внепарламентский; утверждающий и...
30457. Парламентарии, их статус и объединения в зарубежных странах 15.99 KB
  Парламентарии их статус и объединения в зарубежных странах Современный парламент это общегосударственный представительный орган главная функция которого в системе разделения властей заключается в осуществлении законодательной власти. Чаще всего Объединения парламентариев создаются и действуют на политической базе общей партийной принадлежности. Эти объединения все чаще институционализируются в законах и регламентах даже конституционализируются и приобретают определенные права на представительство в руководящих органах...
30458. Парламентское право в зарубежных странах, его содержание и источники 16.1 KB
  Скрупулезно разбираются процедуры ведения дел на собраниях от внесения предложений при их классификации на главные побочные и привилегированные до этикета прений и порядка голосования права собраний их рабочих органов комитеты комиссии должностных лиц председатель секретарь казначей и т. Само понятие парламентского права не получило скольконибудь развернутого толкования. Между тем нормативный массив парламентского права как бы велика ни была в нем доля процедурных правил складывается под определяющим воздействием...
30460. Глава государства в зарубежных странах 16.16 KB
  Глава государства в зарубежных странах. Во всех современных государствах имеется институт главы государства. Глава государства рассматривается как высшее должностное лицо считающееся носителем исполнительной власти и верховным представителем государства в сфере международных отношений. Обычно главой государства выступает либо выборный президент в республиках либо наследственный монарх.
30461. Правительство в зарубежных странах 15.82 KB
  В зависимости от формы правления правительства формируются двумя основными способами: парламентским право на формирование правительства в этих странах получает та политическая партия которая имеет большинство мест в нижней палате парламента страны.; внепарламентским право на формирование правительства в этих странах имеет не парламент а избирательный корпус. Состав и структура правительства очень разнообразны и в ряде стран Великобритании никак не регулируются что позволяет каждому новому...
30462. Функции и структура судебной власти в зарубежных странах 15.31 KB
  Суды первой инстанции рассматривающие дела по существу: мировые судьи полицейские суды районные суды суды судебных округов и др. Суды второй инстанции особые апелляционные или высокие суды в странах тоталитарного социализма такого звена нет куда можно обращаться с жалобой на решение суда первой инстанции. Суды кассационной инстанции. Это либо вышестоящий суд либо верховные суды иногда официально называющиеся кассационными.
30463. Принципы судоустройства и судопроизводства в зарубежных странах 14.95 KB
  Ни один государственный орган должностное или иное лицо не вправе указывать суду как ему следует решить то или иное дело; судьи решают дело на основе закона и личного убеждения. Нельзя отказывать в приеме дела по причинам отсутствия закона или его неясности. возможность обжалования и пересмотра судебного решения путем апелляции повторное рассмотрение дела по существу по процедуре первой инстанции кассации проверка выполнения закона судом. К числу особых принципов в сфере уголовного процесса относятся: право обвиняемого на...