Магнито-силовая микроскопия

Разновидностью атомно-силового микроскопа является магнито-силовой микроскоп (МСМ), который был изобретен И. Мартином и К. Викрамасингхом в 1987 году. В нем в качестве зонда используется намагниченная проволока из железа, никеля или зерно ферромагнитного материала с намагниченностью М(r). Принцип действия МСМ иллюстрирует рис. 1.43. При сканировании зонда с намагниченным покрытием по поверхности образца, на которой имеются локальные магнитные поля, на зонд будет действовать сила, вызывающая деформацию кантилевера. Это позволяет в конечном итоге воспроизвести распределение магнитного поля на поверхности образца. С помощью МСМ можно регистрировать магнитные микрополя, создаваемые образцом и получать, например, изображение доменной структуры. МСМ применяется для исследования тонких пленок, композитных материалов и магнитных носителей информации. Разрешение различных МСМ варьируется в диапазоне от единиц до десятков нанометров.

Рис 1.43. Принцип действия МСМ

Для получения МСМ-изображений образцов применяются квазистатические и колебательные способы измерений. Квазистатический способ используется для исследования поверхности образцов, имеющих слабо развитый рельеф поверхности. МСМ-изображение в этом способе получают за один проход в режиме постоянной высоты. 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.

Колебательные способы используются для исследования поверхности магнитных образцов, имеющих сильно развитый рельеф поверхности. Также, как и при использовании квазистатического способа измерений, применяется двухпроходная методика. 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. 1.44). Расстояние z₀ выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была меньше силы магнитного взаимодействия. 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.

Рис. 1.44. Двухпроходная методика получения МСМ-изображения

При использовании колебательных способов измерения можно реализовать чувствительность более высокую, чем при использовании квазистатических способов, и получать более качественные МСМ-изображения образцов. В этом случае наличие градиента силы, действующей на зонд со стороны магнитного поля образца, приводит к изменению резонансной частоты, а, следовательно, и к сдвигу амплитудно-частотной характеристики и фазо-частотной характеристики системы зонд-образец. Данные изменения резонансных свойств системы используются для получения информации о неоднородном распределении намагниченности на поверхности образцов.

Как уже отмечалось, для получения МСМ-изображения поверхности с использованием колебательных способов применяется двухпроходная методика. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте ω, примерно совпадающей с резонансной частотой. 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 постоянно. МСМ-изображение формируется посредством регистрации изменений амплитуды или фазы колебаний кантилевера. Примеры изображений поверхности различных объектов, полученные с помощью МСМ, представлены на рис. 1.45.

а) б)

Рис. 1.45. МСМ-изображение различных объектов: а) жесткий диск (размер скана 2,5×2,5 мкм²); б) магнитные наночастицы, полученные лазерным отжигом пленок Fe-Cr (размер скана 8×8 мкм²)