2.7.8 Методы экспериментального определения параметров магнитного кантилевера

В настоящее время существует огромное множество МСМ зондов различных типов [1]. Правильный выбор зонда для исследования конкретной микроструктуры зачастую является самостоятельной достаточно сложной задачей и определяется опытом оператора. Тем не менее, для упрощения этой задачи необходимо иметь методики, позволяющие количественно определять магнитные свойства зондов, основными из которых являются магнитный момент на единицу объема пленки (намагниченность) и коэрцитивная сила магнитного покрытия.

Для исследования зондов предложено много способов, начиная с анализа взаимодействия с поверхностью жесткого диска или магнитной ленты [2], включая измерение полей магнитных головок [3], и даже очень экзотичные методы связанные с исследованием магнитотактных бактерий [4]. Однако более простым с точки зрения интерпретации следует признать метод измерения взаимодействия с магнитным полем, создаваемым микропроводниками с током. Для таких систем магнитное поле с высокой точностью может быть вычислено методами обычной магнитостатики в большинстве случаев даже аналитически.

В работе [5] было предложено использовать для этих целей линейный проводник с током. При этом сканирование выполнялось поперек дорожки с током в присутствии внешнего магнитного поля. Было определено коэрцитивное поле (вдоль и поперек острия) для покрытий , (150Е, 400Е), , . Также авторам [5] удалось оценить эффективный магнитный момент. Однако в работе [6] было указано на роль электростатического взаимодействия с проводником и предложен способ разделения электростатического и магнитного взаимодействий. Хотя в работе [5] учет электростатического взаимодействия и не производился, но образец был изготовлен очень тщательно. В частности над поверхностью проводника был нанесен тонкий слой изолятора и слой золота несколько десятков ангстрем. Золотое покрытие подключалось к нулевому потенциалу, что, повидимому, минимизировало электростатическое взаимодействие зонда и проводника с током.

Дальнейшее развитие методики калибровки магнитных зондов привело к использованию токового -кольца. В работе [7] в первые кольца диаметром 1-5 мкм и ширина полоски 200 нм, полученные методом субмикронной литографии, были использованы для калибровки магнитного зонда. Однако количественный анализ эксперимента был выполнен не вполне корректно, в частности из-за того, что авторы использовали модель точечного диполя, полагая, что он расположен точно на конце зонда. Как показано в работе [8] такое предположение при аккуратной обработке эксперимента приводит к неразумным значениям эффективного монополя и диполя. Более аккуратный эксперимент [8] позволил определить величину магнитного диполя и его расположение внутри образца. Экспериментально было показано, что эффективный диполь должен располагаться приблизительно в центре области, вертикальный размер которой зависит от характерного расстояния спадания магнитного поля. Последнее пропорционально радиусу кольца с током. Величина магнитного момента кантилевера в этом случае становится зависящей от радиуса кольца, на котором выполнен эксперимент. Теоретический расчет путем интегрирования по области взаимодействия в предположении, что магнитный момент единицы объема пленки равен макроскопической намагниченности насыщения для материала покрытия, обеспечивает разумное согласование с результатами измерений.

Таким образом, эффективный момент зонда с магнитным покрытие зависит от того, что за магнитная структура исследуется. Поэтому для таких зондов разумнее измерять и табулировать не магнитный момент зонда, а магнитный момент на единицу площади пленки покрытия. С другой стороны для магнитных зондов с локализованным магнитным моментом [9-12] определение полного магнитного момента зонда вполне разумно и в этом случае вполне однозначно определено его пространственное расположение.

Для определения кривой гистерезиса магнитных покрытий зондов в работе [13] предложено помещать кантилевер целиком в магнитное поле с изменяющимся градиентом (внешняя катушка создает поле около 0.2 эрстеда) на частоте близкой к резонансной частоте кантилевера. По амплитуде колебаний судят о величине силы и определяют магнитный момент в относительных единицах, а, варьируя внешнее поле с помощью постоянного магнита (до 280 эрстед), авторы определили кривую гистерезиса для покрытий , , .

В пунктах 2.7.4 и 2.7.5 описана методика определения эффективного значения точечного диполя и монополя. Однако, как уже было сказано, количественное значение точечного диполя (монополя) и его пространственное расположение в зонде существенно зависит от длины затухания магнитного поля исследуемого образца. Поэтому для однозначной калибровки магнитного зонда необходимо измерить намагниченность ферромагнитного магнитожёсткого материала зонда.

Для этих целей была разработана специальная Flash модель, которая теоретически вычисляет изменение амплитуды, фазы, частоты колебаний зонда в процессе второго прохода стандартного динамического МСМ режима над поверхностью образца. В качестве исследуемого образца в приложении выступает прямоугольный проводник, по которому протекает постоянный ток. Пространственное распределение магнитного поля, создаваемого прямоугольным проводником вычислено в пункте 2.7.9.

Используя общий случай модели взаимодействия магнитожёсткого зонда с магнитным полем образца (см. пункт 2.7.3) выполнен теоретический расчёт взаимодействия с магнитным полем проводника магнитных зондов следующих типов: цилиндрический зонд, сферический зонда, конический зонда и диамагнитный конический зонда, покрытый ферромагнитной плёнкой (подробнее см. пункт 2.7.9 и приложения к нему). Причём, геометрические размеры исследуемых образцов, параметры зонда (линейные размеры, намагниченность, коэффициент жёсткости, резонансная частота, добротность) и параметры режима измерений можно варьировать в допустимых пределах. Расчёт изменения амплитуд, фазы и частоты колебаний выполняется в соответствии с формулами (18), (16), (11) пункта 2.3.4.

Таким образом, подставляя значение экспериментальных параметров при МСМ исследовании магнитного поля проводника в динамическом режиме МСМ в данную Flash модель, можно сравнивать экспериментальные данные с теоретическими в зависимости от параметров зонда и образца. Соответственно, с помощью этой модели можно определить неизвестные параметры зонда, в частности (намагниченность), варьируя их до совпадения теоретических результатов с практическими данными. Кроме этого, можно подобрать теоретически оптимальный набор экспериментальных параметров, обеспечивающих максимальное изменение регистрирующих сигналов на данных образцах.

 

---

Выводы.

• Представлен обзор о методах и проблемах калибровки магнитных зондов.
• Наиболее распространенный и достаточно простой способ определения магнитных характеристик зонда, заключается в калибровки магнитного зонда в магнитном поле создаваемом микропроводником с током.
• Представлены теоретические аспекты Flash модели, позволяющие в зависимости от параметров исследуемого образца (проводник или -кольцо) и зонда теоретически вычислить регистрируемые параметры в стандартном динамическом МСМ режиме.
• С помощью разработанной Flash модели, можно определить неизвестные параметры зонда, фигурирующие в эксперименте и оптимальный набор теоретически параметров системы, обеспечивающие максимальное изменение регистрируемых сигналов

Литература.

1. P. Grutter, H.J. Mamin, D. Rugar, in Scanning Tunneling Microscopy II, edited by R. Wiesendanger and H.-J. Guntherodt (Springer, Berlin, 1992) pp. 151-207.
2. D. Rugar, H.J. Mamin, P. Guethner et al, J. Appl. Phys. 68, 1169 (1990).
3. S. Khizroev, W. Jayasekara, J. Bain et al, IEEE Trans. Magn. 34, 2030 (1998).
4. R.B. Proksch, T.E. Shaffer, B.M. Moskowitz, Appl. Phys. Lett. 66, 2582 (1995).
5. K.L. Babcock, V.B. Elings, J. Shi et al, Appl. Phys. Lett. 69, 705 (1996).
6. T. Alvarez, S.V. Kalinin, D.A. Bonnell, Appl. Phys. Lett. 78, 1005 (2001).
7. L. Kong, S.Y. Chou, Appl. Phys. Lett. 70, 2043 (1997).
8. J. Lohau, S. Kirsch, A. Carl et al, J. Appl. Phys. 86, 3410 (1999).
9. M.R. Koblischka, U. Hartmann, T. Sulzbach, Thin Solid Films 428, 93 (2003).
10. T. Arie, H. Nishijima, S, Akita et al, J. Vac. Sci. Technol. B 18, 104 (2000).
11. T. Arie, N. Yoshida, S. Akita et al, J. Phys. D 34, L34 (2001).
12. N. Yoshida, T. Arie, S. Akita, Y. Nakayama, Physica B: Cond. Matt. 323, 149 (2002).
13. J. Lohau, S. Kirsch, A. Carl et al, J. Appl. Phys. 86, 3410 (1999).