Исследование магнитных свойств материалов, микроскопия магнитных сил, принцип работы

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РЕФЕРАТИВНАЯ РАБОТА

Исследование магнитных свойств материалов, микроскопия магнитных сил, принцип работы

Воронеж 2013

Введение

микроскопия магнитный силовой Магнитно-силовая микроскопия (МСМ) является эффективным средством исследований магнитных структур на субмикронном уровне. Получаемые с помощью МСМ изображения являются пространственным распределением некоторого параметра, характеризующего магнитное взаимодействие зонд-образец, например, силу взаимодействия, амплитуду колебаний магнитного зонда и т. д.

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. В общем случае описание взаимодействия зонда МСМ с полем образца представляет собой достаточно сложную задачу.

1. Микроскопия магнитных сил Является уникальным инструментом для исследования микрои наномагнитных структур, благодаря возможности измерения пространственного распределения намагниченности материала вблизи исследуемой поверхности. С этой целью для работы в MFM моде используются зонды с тонкопленочным ферромагнитным покрытием. Измерения производятся в бесконтактном AFM режиме, при этом система микроскопа в процессе сканирования поверхности регистрирует вызванные магнитным взаимодействием изменения в резонансной частоте или относительном сдвиге фазы механических колебаний кантилевера относительно опорного сигнала, возбуждающего эти колебания. 4]

2. Магнитно-силовая Микроскопия (МСМ) Является эффективным средством исследований магнитных структур на субмикронном уровне. Получаемы с помощью МСМ изображения являются пространственным распределением некоторого параметра, характеризующего магнитное взаимодействие зонд-образец, например, силу взаимодействия, амплитуду колебаний магнитного зонда и т. д. Магнитный зондовый датчик является стандартным кремниевым (или изготовленным из нитрида кремния) зондовым датчиком, покрытым пленкой из магнитного материала. МСМ измерения позволяют проводить исследования магнитных доменных структур с высоким пространственным разрешением, записи и считывания информации в магнитной среде, процессов перемагничивания и т. д.

При проведении магнитных исследований на субмикронном уровне прежде всего необходимо отделить «магнитные» изображения от изображений рельефа. Для решения этой проблемы магнитные измерения проводятся по двухпроходной методике. На первом проходе определяется рельеф поверхности по Контактному или Прерывисто-контактному («полуконтактному») методам. На втором проходе каждой линии сканирования (или изображения в целом) кантилевер приподнимается над поверхностью и сканирование осуществляется в соответствии с запомненным рельефом. В результате на втором проходе расстояние между сканируемой поверхностью и закрепленным концом кантилевера поддерживается постоянным. При этом расстояние зонд-поверхность должно быть достаточно большим, чтобы пренебречь силами Ван-дер-Ваальса, так что на втором проходе кантилевер подвергается воздействию только дальнодействующей магнитной силы. В соответствии с этим методом и изображение рельефа, и магнитное изображение могут быть получены одновременно[2].

В динамической МСМ (Д МСМ) на втором проходе для детектирования магнитного поля используется колеблющийся с резонансной частотой кантилевер (как при использовании Бесконтактного или Прерывисто-контактного методов). В Д МСМ детектируется производная магнитной силы.

Рисунок 1. Определение рельефа с использованием контактного или прерывисто-контатного методов

2.1 Многопроходные методики Многопроходные Методики обычно используются в задачах, где необходимо определять иные, чем рельеф данные, и при этом необходимо исключить влияние рельефа поверхности. В качестве примера приведено изображение линий сканирования поперек одного магнитного домена для различных начальных расстояний зонд-образец. Аналогичные методики использовались для определения толщины пленки жидкости на поверхности твердой подложки, для наноманипуляций (т.е. для перемещения отдельных атомов), при проведении нанолитографических операций.

Первый проход может быть проведен с применением Контактного или Прерывисто-контактного Методов. На втором проходе можно проводить измерения электрических сил или потенциалов, магнитных полей, диссипаций, распределений емкости. В некоторых случаях может быть необходимым и третий проход для исключения влияния не только рельефа, но и поверхностного электрического поля.

Рисунок 2. Линии сканирования вдоль одиночного магнитного домена при постоянных градиентах сил, соответствующих различным начальным расстояниям зонд-образец

3. Магнитное взаимодействие Атомно-силовой микроскоп может использоваться для исследования магнитных полей на поверхности образца. Такие методики объединяются под названием МСМ (магнитно-силовая микроскопия). В них используются специальные кантилеверы, которые покрыты магнитной пленкой. При взаимодействии с магнитным полем образца такой кантилевер отклоняется. Могут существовать следующие типы кантилеверов: диамагнитные, парамагнитные, суперпарамагнитные и ферромагнитные (магнитожесткие и магнитомягкие).

Атомы многих веществ не имеют постоянных магнитных моментов, или, вернее, все спиновые и орбитальные магнитные моменты внутри атома уравновешены так, что суммарный магнитный момент равен нулю. Если наложить магнитное поле, то внутри атома будут генерироваться слабые дополнительные токи. В соответствии с законом Ленца они будут индицироваться так, чтобы уменьшить магнитное поле, и наведенный магнитный момент атомов направлен навстречу магнитному полю. Таков механизм диамагнетизма. К диамагнетикам относятся, например, кислород, алюминий, платина, хлористое железо, благородные газы и т. д.

Однако существуют такие вещества, атомы которых обладают магнитным моментом, спиновым или орбитальным. Таким образом, кроме диамагнитного эффекта (а он всегда присутствует) есть возможность выстраивания индивидуальных атомных моментов в одном направлении. Магнитные моменты ориентируются в направлении магнитного поля, усиливая его.

3.1 Парамагнетизм Вообще говоря, довольно слаб, потому что выстраивающие силы относительно малы по сравнению с силами теплового движения, которые стараются разрушить упорядочивание. Отсюда следует, что парамагнетизм особо чувствителен к температуре. Эффект парамагнетизма тем сильнее, чем ниже температура.

Так как диамагнетизм проявляется во всех веществах, он частично или полностью компенсирует парамагнетизм за счет противоположного по знаку вклада в восприимчивость. Поэтому для материалов с атомами, имеющими магнитный момент, можно говорить лишь о преобладании диаили парамагнитных свойств в веществе, причем их баланс зависит от температуры. К парамагнетикам относятся, например, азот, углекислота, вода, серебро, висмут и т. д.

3.2 Ферромагнетизм В ферромагнетиках эффект упорядочения магнитных моментов проявляется во много раз сильнее, чем в диаи парамагнетиках. Ферромагнетизм определяется коллективным взаимодействием атомных магнитных моментов, находящимися в состоянии с нарушенной симметрией (фазовый переход второго рода) и образующих магнитные домены. Ферромагнетиками называются тела, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, то есть намагничены уже в отсутствие магнитного поля. Типичными представителями ферромагнетиков являются переходные металлы: железо, кобальт, никель и многие их сплавы. Ферромагнетизмом обладают некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий).

Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между I и H или между B и H. Характер этой зависимости представлен на рисунке 3 и 4.

Рисунок 3. Зависимость намагничивания от напряженности магнитного поля Рисунок 4. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля По мере возрастания H, намагниченность I сначала быстро увеличивается, а затем приходит к насыщению и остается практически постоянной. Магнитная индукция B также растет с увеличением поля H, а в состоянии насыщения переходит в прямую, наклоненную под углом 45°.

4. Квазистатические методики МСМ МСМ изображение поверхности образцов, имеющих слабо развитый рельеф 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 МСМ 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 (рисунок 5). 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.

Рисунок 5. Двухпроходная методика получения МСМ изображения

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.

5. Колебательные методики МСМ 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 щ 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.

Заключение

В институте проблем сверхпластичности металлов, проводятся исследования магнитных свойств наноструктурированных деформационными методами магнитоупорядоченных металлов и сплавов. Установлено, что формирование наноструктуры ведет к существенному изменению как гистерезисных, так и фундаментальных магнитных свойств материалов, таких как намагниченность насыщения и точки магнитных фазовых переходов. Значительный интерес представляет обнаруженный эффект исчезновения ферромагнитного упорядочения и мартенситного перехода в наноструктурном сплаве с эффектом памяти формы системы Ni-Mn-Ga. Прикладные исследования связаны с разработкой постоянных магнитов с повышенными прочностью, пластичностью и механической обрабатываемостью. Предложены новые методы повышения прочности промышленных сплавов системы Fe-Cr-Co за счет деформационного наноструктурирования и создания градиентных структур с наноразмерными зернами в периферийной части. Разрабатываемые методы открывают новые пути создания магнитных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками для промышленного применения.

Список использованных источников

1. Магнитно-силовая микроскопия

http://www.nanoscopy.org/tutorial/nanoscopy_course/dolganov/Dolganov-MFM.htm

2. Динамическая МСМ

http://www.ntmdt.ru/spm-principles/view/ac-mfm

3. Инструменты нанотехнологии

http://rudocs.exdat.com/docs/index-290 076.html#9 278 378

4. Scanning Probe Microscopy

http://spm-nano.ins.urfu.ru/rus/methods.php

5. Магнитное взаимодействие

http://www.ntmdt.ru/spm-basics/view/magnitnoe-vzaimodejstvie