miniatura|360x360px|Imatges MFM de superfícies de discs durs d'ordinador de 3,2 Gb (esquerra) i 30 Gb (dreta). La microscòpia de força magnètica (MFM) és una varietat de microscòpia de força atòmica, en què una punta magnetitzada afilada escaneja una mostra magnètica; les interaccions magnètiques punta-mostra es detecten i s'utilitzen per reconstruir l'estructura magnètica de la superfície de la mostra. Molts tipus d'interaccions magnètiques es mesuren mitjançant MFM, inclosa la interacció dipol-dipol magnètic. L'escaneig MFM sovint utilitza microscòpia de força atòmica sense contacte (NC-AFM) i es considera que no és destructiu respecte a la mostra de prova. En MFM, la mostra o mostres de prova no cal que siguin conductores elèctricament per ser imatges.
Visió general miniatura|360x360px|Comparació de la imatge d'efecte Faraday (esquerra) i la imatge MFM (inserida, a la part inferior dreta) d'una pel·lícula magnètica En les mesures MFM, la força magnètica entre la mostra de prova i la punta es pot expressar com a
on és el moment magnètic de la punta (aproximat com un dipol puntual), és el camp magnètic dispers de la superfície de la mostra, i μ0 és la permeabilitat magnètica de l'espai lliure.
Com que el camp magnètic dispers de la mostra pot afectar l'estat magnètic de la punta i viceversa, la interpretació de la mesura MFM no és senzilla. Per exemple, la geometria de la magnetització de la punta ha de ser coneguda per a l'anàlisi quantitativa.
Resolució típica de 30 nm es pot aconseguir, tot i que resolucions tan baixes com 10 a 20 nm són assolibles.Nanoscan AG, Quantum Leap in Hard Disk Technology
Dates importants Un augment de l'interès per la MFM va ser el resultat dels següents invents:
Microscopi de túnel de rastreig (STM) 1982. El corrent de túnel entre la punta i la mostra s'utilitza com a senyal. Tant la punta com la mostra han de ser conductores elèctricament.
Microscòpia de força atòmica (AFM) 1986, les forces (atòmiques/electrostàtiques) entre la punta i la mostra es detecten a partir de les desviacions d'una palanca flexible (en voladís). La punta en voladís vola per sobre de la mostra a una distància típica de desenes de nanòmetres.
Microscòpia de força magnètica (MFM), 1987Magnetic Force Microscopy Derivada de l'AFM. Es detecten les forces magnètiques entre la punta i la mostra. La imatge del camp magnètic dispers s'obté escanejant la punta magnetitzada sobre la superfície de la mostra en un escaneig rasteritzat.History of Probing Methods
Components MFM Els components principals d'un sistema MFM són:
Escaneig piezoelèctric Mou la mostra en les direccions x, y i z. El voltatge s'aplica a elèctrodes separats per a diferents direccions. Normalment, un potencial d'1 volt resulta d'1 a 10 desplaçament de nm. La imatge es crea escanejant lentament la superfície de la mostra de manera ràster. Les àrees d'escaneig van des d'uns pocs fins a 200 micròmetres. Els temps d'imatge poden variar des d'uns minuts fins a 30 minuts. Les constants de força de restauració de la voladura oscil·len entre 0,01 i 100 N/m, depenent del material de la voladura. Punta magnetitzada en un extrem d'una palanca flexible (en voladís); generalment una sonda AFM amb un recobriment magnètic. Antigament, les puntes es feien de metalls magnètics gravats com el níquel. Avui dia, les puntes es fabriquen per lots (punta en voladís) utilitzant una combinació de micromecanitzat i fotolitografia. Com a resultat, són possibles puntes més petites i s'obté un millor control mecànic de la voladís de la punta. En voladís: pot estar fet de silici monocristal·lí, diòxid de silici (SiO2) o nitrur de silici (Si3N4). Els mòduls de punta en voladís de Si3N4 solen ser més duradors i tenen constants de força de restauració (k) més petites. Les puntes estan recobertes amb una fina (< 50 nm) pel·lícula magnètica (com ara Ni o Co), generalment d'alta coercitivitat, de manera que l'estat magnètic de la punta (o magnetització M) no canvia durant la imatge. El mòdul de punta en voladís és accionat a prop de la freqüència de ressonància per un cristall piezoelèctric amb freqüències típiques que oscil·len entre 10 kHz a 1 MHz.
Procediment d'escaneig Sovint, l'MFM s'opera amb el mètode anomenat "alçada d'elevació". Quan la punta escaneja la superfície d'una mostra a curta distància (< 10 nm), no només es detecten forces magnètiques, sinó també forces atòmiques i electrostàtiques. El mètode d'alçada d'elevació ajuda a millorar el contrast magnètic mitjançant el següent:
Primer, es mesura el perfil topogràfic de cada línia d'escaneig. És a dir, la punta s'acosta molt a la mostra per prendre mesures AFM. La punta magnetitzada s'aixeca més lluny de la mostra. En la segona passada, s'extreu el senyal magnètic.
Modes de funcionament Mode estàtic (CC) El camp dispers de la mostra exerceix una força sobre la punta magnètica. La força es detecta mesurant el desplaçament de la voladís reflectint un feix làser. L'extrem en voladís es desvia o bé allunya't o bé cap a la superfície de la mostra una distància Δz = Fz/k (perpendicular a la superfície).
El mode estàtic correspon a les mesures de la deflexió del voladís. Normalment es mesuren forces en el rang de desenes de piconewtons.
Mode dinàmic (AC) Per a petites deflexions, la voladís de punta es pot modelar com un oscil·lador harmònic esmorteït amb una massa efectiva (m) en [kg], una constant de ressort ideal (k) en [N/m] i un amortidor (D) en [N·s/m].
Si s'aplica una força oscil·lant externa Fz al cantilever, la punta es desplaçarà en una quantitat z. A més, el desplaçament també oscil·larà harmònicament, però amb un canvi de fase entre la força aplicada i el desplaçament donat per:
on els canvis d'amplitud i de fase es donen per:
Aquí el factor de qualitat de la ressonància, la freqüència angular de ressonància i el factor d'amortiment són:
El mode de funcionament dinàmic fa referència a les mesures dels canvis en la freqüència de ressonància. El cantilever es condueix a la seva freqüència de ressonància i es detecten canvis de freqüència. Assumint petites amplituds de vibració (cosa que generalment és certa en les mesures MFM), amb una aproximació de primer ordre, la freqüència de ressonància es pot relacionar amb la freqüència natural i el gradient de força. És a dir, el canvi en la freqüència de ressonància és el resultat de canvis en la constant de la molla a causa de les forces (de repel·lència i d'atracció) que actuen sobre la punta.
El canvi en la freqüència de ressonància natural ve donat per , on
Per exemple, el sistema de coordenades és tal que z positiva està allunyada de o perpendicular a la superfície de la mostra, de manera que una força atractiva seria en la direcció negativa (F <0), i per tant el gradient és positiu. En conseqüència, per a forces atractives, la freqüència de ressonància del cantilever disminueix (tal com descriu l'equació). La imatge està codificada de manera que les forces atractives es representen generalment en color negre, mentre que les forces repel·lents es codifiquen en blanc.
Formació d'imatges Càlcul de forces que actuen sobre puntes magnètiques Teòricament, l'energia magnetostàtica (U) del sistema punta-mostra es pot calcular de dues maneres: Es pot calcular la magnetització (M) de la punta en presència d'un camp magnètic aplicat () de la mostra o calcular la magnetització () de la mostra en presència del camp magnètic aplicat a la punta (el que sigui més fàcil). A continuació, integra el producte (escalaret) de la magnetització i el camp de dispersió sobre el volum d'interacció () com a
i calculeu el gradient de l'energia al llarg de la distància per obtenir la força F. Suposant que el cantilever es desvia al llarg de l'eix z i la punta està magnetitzada al llarg d'una determinada direcció (per exemple, l'eix z ), les equacions es poden simplificar a
Com que la punta està magnetitzada al llarg d'una direcció específica, serà sensible al component del camp magnètic dispers de la mostra que estigui alineat en la mateixa direcció.
Mostres d'imatge L'MFM es pot utilitzar per obtenir imatges de diverses estructures magnètiques, incloent-hi parets de domini (Bloch i Neel), dominis de tancament, bits magnètics enregistrats, etc. A més, el moviment de la paret del domini també es pot estudiar en un camp magnètic extern. Les imatges MFM de diversos materials es poden veure als següents llibres i publicacions en revistes: pel·lícules primes, nanopartícules, nanofils, discs de permalloy i suports d'enregistrament.
Avantatges La popularitat de l'MFM prové de diverses raons, entre les quals hi ha:
No cal que la mostra sigui conductora elèctricament. Les mesures es poden realitzar a temperatura ambient, en ultra alt buit (UHV), en un entorn líquid, a diferents temperatures i en presència de camps magnètics externs variables. La mesura no és destructiva per a la xarxa cristal·lina ni per a la matriu material de la mostra de prova. Les interaccions magnètiques de llarg abast no són sensibles a la contaminació superficial. No cal cap preparació ni recobriment especial de la superfície. La deposició de capes primes no magnètiques sobre la mostra no altera els resultats. La intensitat detectable del camp magnètic, H, es troba en el rang de 10 A/m El camp magnètic detectable, B, es troba en el rang de 0,1 gauss (10 microtesles). Les forces mesurades típiques són tan baixes com 10−14 N, amb resolucions espacials tan baixes com 20 nm. MFM es pot combinar amb altres mètodes d'escaneig com l'STM.
Limitacions Hi ha algunes deficiències o dificultats quan es treballa amb un MFM, com ara: la imatge enregistrada depèn del tipus de punta i del recobriment magnètic, a causa de les interaccions punta-mostra. El camp magnètic de la punta i la mostra pot canviar la magnetització mútua, M, cosa que pot donar lloc a interaccions no lineals. Això dificulta la interpretació de les imatges. Abast d'escaneig lateral relativament curt (de l'ordre de centenars de micròmetres). L'alçada d'escaneig (elevació) afecta la imatge. La carcassa del sistema MFM és important per protegir el soroll electromagnètic (gàbia de Faraday), el soroll acústic (taules antivibracions), el flux d'aire (aïllament d'aire) i la càrrega estàtica de la mostra.
Avanços Hi ha hagut diversos intents per superar les limitacions esmentades anteriorment i millorar els límits de resolució de l'MFM. Per exemple, les limitacions del flux d'aire s'han superat amb els MFM que operen al buit. Els efectes punta-mostra s'han entès i resolt mitjançant diversos enfocaments. Wu et al. han utilitzat una punta amb capes magnètiques acoblades antiferromagnèticament en un intent de produir un dipol només a l'àpex.
Referències
Categoria:Microscopis Categoria:Magnetisme