Магнитная силовая микроскопия

Магнитная силовая микроскопия (МСМ) - это одна из самых «молодых» технологий визуализации магнитных полей и, в то же время, одна из наиболее перспективных. Несмотря на сложность используемых физических принципов, работу магнитного силового микроскопа можно легко объяснить, проведя аналогию с патефоном. Как и в патефоне, в таком микроскопе тонкая игла движется по некой «дорожке», цепляясь за «неровности» магнитного рельефа образца. Но, в отличие от патефона, отклонения иглы скрывают в себе не музыку, а картину поля рассеяния.

Магнитно-силовой микроскоп устроен следующим образом. Микромагнит (рис.1.5.) в виде заостренной иглы перемещают вблизи поверхности образца, регистрируя силы взаимодействия с образцом.

Рис.1.5. Схематическое изображение магнитно-силового микроскопа.

Для перемещения острия относительно исследуемой поверхности используется прецизионный трехкоординатный микроманипулятор. Обычно в зондовой микроскопии такой манипулятор изготавливают из пьезокерамической трубки с системой электродов. При подаче напряжения на электроды трубка может изгибаться, удлиняться или укорачиваться, производя тем самым перемещение образца (или иглы) по трем координатам X, Y и Z. В зависимости от размеров пьезотрубки максимальное перемещение образца может быть обеспечено в диапазоне от единиц до сотни микрон. Точность позиционирования такого манипулятора достигает сотых долей нанометра. Зондирующее острие располагают на упругой микроминиатюрной консоли (кантилевере), по изгибу которой, регистрируемому, например, с помощью оптической системы, можно определять силу взаимодействия между острием и поверхностью. В магнитносиловом микроскопе при сканировании образца игла проходит по одному и тому же месту дважды. Первый раз она движется по поверхности образцав контакте с ним, при этом компьютер запоминает ее траекторию, которая в этом случае соответствует профилю исследуемой поверхности. Магнитные свойства образца, если пренебречь деформациями поверхности (они обычно невелики), не оказывают влияния на наблюдаемую траекторию. Второй раз микроконсоль проходит по той же траектории над тем же участком поверхности, но на некотором удалении от нее. При таком движении на иглу, расположенную на микроконсоли, действуют уже не контактные силы, как в первом случае. Если иглу отвести на расстояние 10—50 нм, то универсальное ван-дер-ваальсово притяжение затухает и остаются только более дальнодействующие магнитные силы, так что отклонение иглы от заранее обусловленной траектории будет определяться именно магнитными свойствами образца (рис.1.6.) [5].

Рис.1.6. Получение «магнитного» изображения. 1 – запись профиля поверхности с помощью специальной иглы; 2 – при следующем проходе задается та же траектория, но на высоте 10 – 50 нм от поверхности образца; 3 – отклонение иглы от выбранной траектории в результате действия магнитных сил.

На пространственное разрешение магнитного силового микроскопа влияют множество факторов: выбор зонда, чувствительность электронной схемы, используемый режим измерений и др. Типичные магнитносиловые микроскопы имеют разрешение 30 нм, некоторые модели позволяют достичь значения 10 нм. Но такое высокое разрешение имеет и негативную сторону - довольно сложно позиционировать участок измерения на образце, а размеры получаемых изображений составляют всего от единиц до десятков микрон.

Рис. 1.7. МСМ изображение поверхности жесткого диска. Размер «скана» 70х70мкм.

Метод не обеспечивает высокую скорость получения результатов, но дает возможность их количественной оценки. Поскольку магнитная силовая микроскопия изображения содержит информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности, то для правильной их интерпретации необходимо выделить из общей картины магнитную составляющую. Эта задача требует сложных вычислений, но в большинстве современных микроскопов она решается во встроенном контроллере.

В настоящее время благодаря высокой чувствительности и разрешению магнитная силовая микроскопия становится одним из наиболее популярных инструментов для исследования ферромагнитных материалов. Единственным сдерживающим фактором является высокая стоимость измерительных устройств, которая может доходить до полумиллиона долларов.

Магнитооптические методы

Магнитооптические методы визуализации основаны на явлении поворота плоскости поляризации отраженного от намагниченного материала (эффект Керра) или проходящего через магнитооптическую среду (эффект Фарадея) света. Среди них наиболее перспективными для исследования магнитных носителей являются методы визуализации магнитных полей носителей при использовании пленок феррит-гранатов [1].

Основным элементом устройства визуализации на феррит-гранатовых пленках является магнитооптический кристалл, осуществляющий преобразование магнитных полей рассеяния носителя в световое распределение, соответствующее их величине и положению в пространстве [6]. Его структура приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Структура магнитооптического кристалла

Пленка феррит-гранатов выращивается на подложке из галий-гадолиниевого граната, верхняя грань которого просветляется для увеличения контраста наблюдаемой картины. Снизу на кристалл наносится зеркальнозащитный слой для увеличения его износостойкости и коэффициента отражения. В отсутствие внешнего магнитного поля в магнитооптическом кристалле существует пространственная лабиринтная доменная структура, причем направления намагниченности в соседних доменах противоположны и перпендикулярны поверхности кристалла. Локальное намагничивание пленки феррит-гранатов во внешнем поле происходит путем вращения вектора магнитного момента. Поэтому при помещении кристалла в магнитное поле он быстро перестраивается в соответствии с его пространственными и амплитудными характеристиками, а после снятия поля возвращается в невозмущенное (исходное) состояние [7].

На рис. 1.9. представлен вариант схемы магнитооптической визуализации, работающей в отраженном свете.

Рис. 1.9. Магнитооптическая визуализация в отраженном свете

Свет от источника собирается конденсорной линзой, проходит через поляризатор и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, попадает на магнитооптический кристалл, прижатый к поверхности исследуемого носителя. Его поле рассеяния воздействует на феррит-гранатовую пленку и перестраивает в ней лабиринтную доменную структуру в соответствии со структурой сигналограммы. Поэтому поляризованный свет, проходя через магнитооптический кристалл, вследствие эффекта Фарадея поворачивает плоскость поляризации в зависимости от того, через какой домен кристалла проходит свет. После отражения от зеркальнозащитного слоя свет снова проходит через кристалл, и плоскость его поляризации опять поворачивается на тот же угол и в ту же сторону, что и при первом прохождении. Таким образом, двойное прохождение света через магнитооптический кристалл удваивает угол поворота плоскости поляризации света, увеличивая тем самым чувствительность к магнитному полю. Отраженный от зеркальнозащитного слоя свет проходит через полупрозрачное зеркало и анализатор (поляризационный фильтр), преобразующий модуляцию света по плоскости поляризации в модуляцию света по интенсивности, которая затем регистрируется оптическим устройством наблюдения.

Пространственное разрешение магнитооптического метода визуализации на пленках феррит-гранатов лежит в пределах от долей до единиц микрон и достигает максимума при минимальном расстоянии между кристаллом и поверхностью носителя, что объясняется быстрым затуханием поля рассеяния при увеличении этого расстояния. Из-за достаточно высокой жесткости магнитооптического кристалла метод используется преимущественно для изучения низкоплотных гибких магнитных носителей, таких как дискеты и магнитные ленты.

Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Следующая