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

43 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

22640. Міжмолекулярна взаємодія та її прояви 49.5 KB
  Міжмолекулярна взаємодія та її прояви. Міжмолекулярна взаємодія це взаємодія електричнонейтральних молекул або атомів. Взаємодія молекул визначається потенціалом взаємодії для сферично симетричних молекул. На великих відстанях визначальною є слабка взаємодія.
22641. Р-ня стану реальних газів 97 KB
  Рня ВандерВаальса де а константа взаємодії b поправка на обєм. Для реальних газів застосовується наближення : Газ досить розріджений використовуємо тільки парну взаємодію; Молекули рухаються згідно з законом класичної механіки; Зіткнення між молекулами пружне; Сили взаємодії центральні діють між центрами молекул тому використовуємо сферично симетричний потенціал. радіуса взаємодії де одна молекула відчуває іншу. область взаємодії.
22642. Явища переносу в газах, рідинах і твердих тілах 44.5 KB
  Явища переносу в газах рідинах і твердих тілах Якщо виникає grad якоїсь величини G енергія імпульс конц. заряд то виникає потік JG направлений на зменшення цього grad. Оскільки температура газу вирівнюється повільно теплопровідність газу мала gradT  0. Дифузія вирівнювання концентрації домішки переміщення молекул домішки в напрямку меншої концентрації відбувається перенесенням маси домішаного газу  = const gradn = const.
22643. Фазові переходи першого і другого роду 51.5 KB
  Фазові переходи першого і другого роду. Фазовий перехід першого роду фазовий перехід при якому питомий обєм та питома ентропія змінюється стрибкоподібно. Отже коли стрибком змінюється перші похідні функцій фазові переходи першого роду а якщо залишаються неперервними а другі похідні змінюються стрибком то такі фазові переходи називаються переходами другого роду. Звідси випливає що фазовий перехід другого роду супроводжується стрибком наступних величин : питомої теплоємності ; ізобаричного коефіцієнту теплового розширення ;...
22644. Рівняння Максвелла як узагальнення експериментальних фактів 77 KB
  при наявності і руху зарядів і змінного електричного поля. Струм провідності 0 повязаний з рухом зарядів а струм зміщення із зміною напруженості електричного поля. Вивчення магнітного поля магнітів та струмів показало що силові лінії магн. поля: ; потік вектора напруженості ел.
22645. Магнітні властивості речовини. Пара-, діа- , феромагнетики 304 KB
  Якщо намагнічування припиняється і при забиранні заліза від магніту то воно називається тимчасовим намагніченням. Ця величина називається вектором намагнічення . Якщо довести намагнічення до насичення точка 1 на мал. 2 і потім зменшувати напруженість магнітного поля то намагнічення випливає не первісної кривої 01 а змінюється відповідно до кривої 1 2.
22646. Поширення електромагнітної хвиль в металевих середовищах. Скін ефект 94.5 KB
  Тоді в 1 покладемо : розвязок 5 шукаємо у вигляді: 6 звідки підставивши 6 в 5 отримаємо: звідси дисперсійне рня: 8 де n показаник заломлення показник затухання. Розглянемо квазістаціонарний випадок тобто коли і тоді для провідника маємо наступні рівняння Максвела: звідси: 12 Застосувавши до 2го з системи рівнянь 12 оператор rot маємо : де оператор Лапласа. для монохроматичних коливань тоді 13 . Шукаємо розвязок у вигляді: тоді отримаємо: 14 тобто комплексне тоді з 14 ...
22647. Електропровідність газів, рідин і твердих тіл 51 KB
  Електропровідність газів рідин і твердих тіл. Провідність визначається наявністю рухомих зарядів. Відрізняють електронну провідність в тв. тілі вакуумі і йонну провідність рідини гази.
22648. Предмет, структура і функції етики як науки 90 KB
  Поняття «етика» походить з давньогрецького «ethos», що спочатку позначало спільне місце мешкання. У епоху давньогрецької архаїки це слово набуло значення звичаю, характеру, темпераменту, образу думок. Рання грецька філософія надала поняттю «етика» термінологічний сенс, позначивши ним «природу», «натуру», «сталий характер»