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要約

透過型電子顕微鏡のナノスケール材料およびデバイス中の磁場の定量的画像を提供するために、軸外電子ホログラムを記録および解釈するためのガイドラインが示されています。

要約

軸外電子線ホログラフィーは、透過型電子顕微鏡(TEM)において、電子波の2つの部分(一方は試料上の関心領域を通過し、もう一方は参照波)を重ね合わせることで干渉縞を形成する強力な技術です。得られた軸外電子ホログラムは、デジタル解析して電子波の2つの部分間の位相差を回復し、それを解釈して、試料内および試料周辺の静電ポテンシャルと磁気誘導の局所的な変動に関する定量的情報を提供できます。軸外電子ホログラムは、試料が温度、電圧、光の昇降などの外部刺激にさらされている間に記録できます。ここで紹介するプロトコルでは、軸外電子ホログラムを記録、分析、解釈するために必要な実践的な手順を、主にナノスケールの材料やデバイス内および周囲の磁場の測定に焦点を当てています。ここでは、軸外電子ホログラムの記録、解析、処理、位相像の再構成と解釈、結果の可視化に関わる手順を紹介します。また、試料の形状、顕微鏡の電子光学配置、電子ホログラム取得パラメータの最適化の必要性、および複数のホログラムからの情報を使用して記録された信号から目的の磁気寄与を抽出する必要性についても議論されています。このステップは、磁性スキルミオンを含み、集束イオンビーム(FIB)で調製されたB20型FeGeの試料の研究を通じて示されています。この技術の将来の開発の見通しについて説明します。

概要

磁性ナノ構造は、ナノスケールのロジック、ストレージ、およびスピントロニクスデバイス1,2,3,4,5などのアプリケーションでますます使用されています。構成材料の磁気特性を局所的に理解するには、投影と3次元の両方で、理想的には試料が高温または低温、印加電圧、光などの外部刺激にさらされている間に、ナノメートル(nm)の空間分解能で磁気特性評価を行う技術の開発が必要です。現在利用可能な磁気特性評価技術には、磁気光学カー効果顕微鏡法、磁力顕微鏡法、スピン偏極走査トンネル顕微鏡法、スピン偏極低エネルギー電子顕微鏡法、X線磁気円二色性、X線ホログラフィー、および走査型透過X線顕微鏡法6,7,8,9,10,11が含まれます。

透過型電子顕微鏡では、磁気特性評価技術には、ローレンツ顕微鏡のフレネルモードとフーコーモード、軸外電子ホログラフィー、微分位相コントラスト(DPC)イメージング、および電子磁気円二色性(EMCD)が含まれます6,7,12,13,14。この論文の焦点は、投影および電子トモグラフィーと組み合わせた場合、3次元13,14の両方で、ナノスケール材料の内部および周囲の磁場の実空間定量的測定を5nm未満の空間分解能で提供できる軸外電子ホログラフィーの技術にあります。

TEMでは、高度に加速された電子ビームが電子透過性(通常は固体)試料を通過し、原子スケールに達することができる空間分解能でその結晶学的、化学的、電子的、および/または磁気構造へのアクセスを提供します。通常、薄い(<100 nm)試料に、電子銃から放出された電子を照射し、高真空(<10-5 Pa)カラムで60〜300 kV加速します。電磁レンズは、電子を試料に集束させ、続いて1つ以上の検出器に集束させるために使用されます。電子は、試料内の原子電位や、試料内および試料周囲の電磁場と強く相互作用します。この情報は電子波動関数にエンコードされていますが、焦点の合った明視野または暗視野TEM画像は、検出器に到達する電子の強度の変化のみを記録し、それらの位相シフトに関する情報は失われます。このいわゆる「位相問題」は、X線や中性子の実験でも遭遇します。

電子波動関数の位相シフトを測定できる技術の1つが、軸外電子ホログラフィーです。電子波動関数の基本的な側面に関する詳細は、他の場所で入手可能です15。電子線ホログラフィーの概念は、1948年にDennis Gaborによって最初に提案され、顕微鏡の主イメージングレンズの収差による電子顕微鏡の空間分解能の制限を克服するために16。この技術により、電子波の振幅と位相の両方に関する情報を記録できます。1990年代以降、電界放出型電子銃技術の発展もあって、市販の電子顕微鏡で容易に利用できるようになりました。電子線ホログラフィーの20以上のバリエーションが記載されているが、最も一般的で汎用性の高いタイプは、現在、高空間分解能18,19,20,21,22,23の電磁場マッピング用の軸外電子ホログラフィー17のTEMモードである。

軸外電子ホログラフィーのTEMモードは、電子波の2つの部分(図1A)を重ね合わせることによる干渉パターンまたはホログラムの形成を含み、そのうちの1つは試料上の関心領域を通過し、もう1つは参照波24である。位相シフト Φは、記録された軸外電子ホログラムからデジタル的に取得でき、 式125を使用して、静電ポテンシャルと磁気ベクトルポテンシャルの局所的な変動に関する定量的情報を提供するように解釈できます。

figure-introduction-2651(1)

ここで、C Eは顕微鏡の加速電圧に依存する相互作用パラメータ(CE = 6.53 × 106 rad /(Vm)、V(x,y,z)は静電ポテンシャル、Az(x,y,z)は磁気ベクトルポテンシャルのz成分、zは入射電子ビーム方向に平行、eは電荷の基本単位です。 h はプランク定数です。位相シフトに対する静電的および磁気的寄与は、例えば、試料をひっくり返す前後に記録された電子ホログラムからの情報、試料の磁気キュリー温度より上方で記録された電子ホログラムからの情報、または異なる顕微鏡加速電圧13,26で記録された電子ホログラムからの情報を組み合わせることによって分離することができる。位相シフトΦm(すなわち、式1の右側の第2項)に対する磁気寄与が取得されると、電子ビーム方向に投影された面内磁気誘導Βpは、式2を使用してその最初の導関数から求めることができます。

figure-introduction-3427, (2)

ここでfigure-introduction-3531 と figure-introduction-3603。

次いで、磁気誘導マップを等高線および色を用いて表示し、以下に説明するように、薄膜またはナノ構造26、27、28、29、30、31の磁場を視覚的に表現することができる。磁気位相画像と磁気誘導マップは、常に細心の注意を払って解釈する必要があります:まず、それらは3次元(3D)磁気ベクトル場の2次元投影を表しているためです。第二に、彼らは磁場Βzの面外成分に鈍感であるため。そして第三に、それらは標本の内部と外部の両方に存在する磁場からの情報を組み合わせるためです。幸いなことに、バックプロジェクションベースの32,33,34,35,36,37またはモデルベースの38,39,40再構成アルゴリズムのいずれかを使用して、磁気位相画像の断層撮影傾斜シリーズから3D磁気情報を回復することが可能になりました。

材料の磁気特性の透過型電子顕微鏡研究は、通常、磁場のない条件で試料を用いて、すなわち、従来の顕微鏡対物レンズをオフにし、非液浸ローレンツレンズまたは画像収差補正器の転写レンズを主要なイメージングレンズとして使用した後に行われます。コンデンサーと対物レンズ41 との間に位置する追加の試料ステージの使用、または試料位置42 での磁場を相殺するための二重対物レンズシステムの使用も、磁場のない状態を達成するのを助けることができる。試料を磁場のない条件で画像を記録することは、しばしばローレンツ顕微鏡法と呼ばれます。ローレンツ透過型電子顕微鏡は、外部刺激の存在下で試料の磁気状態を確認するための迅速な技術です。しかし、通常は定性的に適用されるだけであり、試料の厚さの局所的な変化によるフレネルフリンジの存在もあって、最小のナノ構造の磁場の研究には容易に適用できません。顕微鏡と目的の試料の仕様に応じて、さまざまなイメージング、回折、または分光法(DPCイメージングやEMCDなど)を使用して、透過型電子顕微鏡の磁気特性評価を行うことができます。

軸外電子ホログラフィーは、特に磁壁の研究のために、定量的ではないものの、より単純なフレネル焦点ぼけイメージング技術(すなわち、ローレンツ顕微鏡のフレネルモード)と組み合わせて適用されることがよくあります。軸外電子ホログラフィーと同様に、フレネル焦点ぼけ画像のコントラストは、試料内外の磁場の面内成分による電子の屈折から生じます。最初の近似では、厚さtの試料中の面内磁場Βxyは、入射電子ビームの偏向を角度figure-introduction-5370だけ引き起こします。ここで、λは(相対論的)電子波長です。フレネル焦点ぼけイメージングを使用すると、磁壁の位置は、焦点が合っていない明視野画像で暗いまたは明るい強度の線として明らかになります。位相情報は、強度の輸送方程式43を解くことにより、このような画像から復元することができる。ただし、視野の端にある境界条件に関する知識が不足していると、再構築フェーズでエラーが発生する可能性があります。

これに対し、ローレンツ顕微鏡法のフーコーモードを用いる場合、特定の方向に偏向した電子のみが像形成に寄与するように開口部が用いられます。走査型透過型電子顕微鏡のDPCイメージングとローレンツ顕微鏡のフレネルモードは、それぞれ電子波の位相シフトの1次微分と2次導関数にほぼ比例する信号を記録することに注意してください。その結果、試料の厚さと組成の局所的な変化による強い寄与を含むことができ、コントラスト6,7への磁気的寄与を支配する可能性があります。

実験的な観点から見ると、軸外電子線ホログラフィーのTEMモードでは、静電バイプリズムを使用する必要がありますが、これは通常、顕微鏡の共役像面の1つの近くに配置される細い導線の形をとります。物体と参照電子波(図1A)に重なるようにバイプリズムに電圧を印加すると、電子ホログラムが形成され、これは電荷結合素子(CCD)カメラまたは直接電子計数検出器44に記録することができる。

集光器レンズスティグメータの設定は、通常、電子ビームを高度に楕円にして、十分な数の電子数を保持しながら、バイプリズムに垂直な方向のビームの横方向のコヒーレンスを最大化するように調整されます。試料上の関心領域は、視野の一部を覆うように配置されますが、参照ホログラムは通常、隣接する真空領域または薄いクリーンサポートフィルムの領域から取得されます。以下に述べる実験は、300kVで作動する画像収差補正TEMで行った。この顕微鏡は、大きな(11 mm)ポールピースギャップを持ち、2つの電子バイプリズムを備えています(図1B)。これらの実験では、電子ホログラムを記録するためにバイプリズムの1つだけが使用されました。複数のバイプリズムを使用する利点は、他の場所で説明されています45,46。フレネルデフォーカス画像と軸外電子ホログラムは、従来の2k x 2k CCDカメラまたは4k x 4kの直接電子計数検出器を使用して記録されました。ローレンツモードは、対物レンズを小さな負の励起に調整することで設定され、対物レンズと近傍レンズの残留磁場を補償することにより、試料位置で磁場のない環境を実現しました。その後、画像補正ユニットの最初の転写レンズを非液浸イメージングレンズとして使用しました。試料は、残留磁気(ゼロ磁場中)または予め較正された磁場47の存在下で画像化することができ、これは従来の顕微鏡対物レンズを励起することによって適用することができる。この顕微鏡の対物レンズのツイン構造により、-150 mTから1.5 Tの範囲の磁場を負と正の両方の垂直方向に適用して、印加された垂直磁場の存在下で試料を傾けることにより、TEM内でその場で磁化反転プロセスを研究できます。面内磁場は、原則として専用の着磁試料ホルダーを使用して印加できるが、本研究ではそのようなホルダーは使用しなかった。

プロトコル

1. 電子顕微鏡のアライメント

  1. 顕微鏡(詳細については 「Table of Materials 」、代表的な結果セクションの 図1B を参照)をローレンツモードに切り替えて、専用のアライメントファイルを読み込みます。
    1. 試料(例:直径3mmのCuグリッドに取り付けたミクロンサイズのラメラ、試料作製の詳細については代表的な結果セクションの 図1C を参照、ここでは調査した材料はスキルミオンをホストとするB20型FeGe)をTEM試料ホルダーにロードします(詳細については 、材料の表 を参照)。
    2. 顕微鏡の標準的な試料作製(コールドトラップの充填など)とアライメント(電子ビームシフト、ピボットポイント、回転中心、コンデンサーレンズ乱視、試料のユーセントリック高さなど)を行います。
      注:顕微鏡の設定(イメージングモード、対物レンズ電流、ガンレンズ、スポットサイズ)、バイプリズム、標本の位置、または温度を変更した後、顕微鏡の再調整が必要になる場合があります。
  2. ローレンツレンズの2倍非点収差を、検出器の制御に使用される画像記録および処理ソフトウェアを使用して、そのような領域のフーリエ変換をリアルタイムで監視することにより、試料上の薄いアモルファス領域を使用して補正します。
    注:試料にアモルファス領域がない場合は、この目的のために別のクロスグレーティングまたはアモルファスカーボン薄膜を使用することができます。次に、アライメントと収差補正が完了した後、目的の試料を顕微鏡にロードする必要があります。この注意事項は、手順 1.3 にも適用されます。
  3. 該当する場合は、適切なソフトウェアを使用して顕微鏡の画像収差補正器を調整します。
    注:nm空間分解能での電磁界マッピングには、高次収差補正が必要ない場合があります。
  4. 顕微鏡の倍率を目的の視野に合わせて調整し、理想的には画像の少なくとも10%に真空領域を含めます。
  5. 標本を視野から離します。
    1. バイプリズムを挿入し、試験片に対して(通常は試験片の端に平行)向きを変えます。
    2. バイプリズムに所望の電圧を印加します。通常は1 V/s以下の速度で、損傷を回避します。
  6. コンデンサーレンズの非点収差を調整して楕円電子ビーム条件を設定し、電子ビームを中央に配置します。
    注意: 損傷を防ぐため、ビームをバイプリズムに集束させないでください。
  7. ホログラフィック干渉縞のコントラストを最大化するには、ガンとコンデンサー レンズの非点収差設定を微調整します。
    注:フリンジのコントラストと間隔は、取得制御ソフトウェアを使用してその場で監視できます。
  8. 電子ビーム、顕微鏡、バイプリズム、および試料が安定するまで15〜30分待ちます。
    注:倍率とバイプリズム電圧の選択は、再構築されたフェーズの目的の視野、空間分解能、および信号対雑音比によって異なります。
  9. 関心領域のサイズに応じて倍率を決定します。
    注: 小さな真空領域 (視野の ~10%) をホログラムに含めるのが理想的です。
  10. バイプリズム電圧は、目的のオーバーラップ幅と空間分解能に応じて調整します。
    注:電子光学空間分解能は、ホログラムの再構築に使用されるマスクサイズにもよりますが、ホログラフィック干渉フリンジ間隔のせいぜい2〜3倍です(詳細については、代表的な結果のセクションを参照してください)。倍率とバイプリズム電圧は、繰り返し最適化する必要がある場合があります。一般に、倍率が大きいほど、またはバイプリズム電圧が低いほど、再構成された位相のフリンジコントラストと信号対雑音比は良くなりますが、空間分解能は劣ります。

2. 関心領域

  1. 標本上の領域を選択するには、関心領域を視野に移動します。
    注:対象領域は、通常、試料の端(または薄いきれいな支持膜の領域)の近くに配置する必要があります。これは、試料上の対象領域を通過する物体波との干渉のために参照波が必要であり、真空領域(理想的には視野の~10%)をホログラムに含める必要があります。
  2. 必要に応じて、TEM試料ホルダーの温度コントローラーを使用して試料の温度を調整します。標本を冷却する前に、顕微鏡のコールドトラップを冷却してください。試料に汚染や氷が付着しないように、カラムが可能な限り最高の真空状態にあることを確認してください。
    注:試験片の温度を安定させるために、さらに待ち時間が必要になる場合があります。

3. Lorentz TEM(フレネルデフォーカスイメージング)

  1. 試料の残留磁気状態
    1. フレネルデフォーカスイメージングの場合は、丸型ビーム照明に戻します。必要に応じて、バイプリズムを視野から移動します。
      注:円形および楕円形のビーム照明用のコンデンサーレンズ設定は、通常、電子顕微鏡制御ソフトウェアを使用して保存および呼び出すことができます。
    2. ローレンツレンズのピンぼけを(例:±200μmの倍数で)変更して、フレネルの焦点ぼけ画像を記録します。顕微鏡制御ソフトウェアのスクリプトを使用して、焦点ぼけ画像の取得を制御します。
    3. 希望の露光時間を設定し、カメラ制御ソフトウェアを使用して、ピントが合っている画像、ピントが合っていない画像、ピントが合っている画像がオーバーフォーカスの画像を記録します(代表的な結果セクションの 図2 を参照)。
  2. 試料の磁場の進化
    1. ローレンツモードのままで従来の顕微鏡対物レンズの電流を調整するか、該当する場合は磁化TEM試料ホルダーのコイルの電流を調整することにより、試料に印加される磁場を変更します。
    2. 試料のユーセントリック高さと焦点ぼけを調整します。
    3. 顕微鏡の位置合わせを確認します(セクション1.1を参照)。
    4. 露光時間を設定し、カメラ制御ソフトウェアを使用して、ピントが合っている、ピントが合っていない、ピントが合っている画像を記録します。
    5. 必要に応じて、印加磁場、試料の傾き、および/または温度(TEM試料ホルダーの温度コントローラーを使用)を変更して、試料の磁気応答に追従し、軸外電子ホログラフィーに適した条件を選択します。

4. 軸外電子線ホログラフィー

  1. 試料のゼロ磁場磁気状態
    1. 楕円ビーム状態に切り替えて、バイプリズムを視野の中心に合わせます。
      1. 試料、バイプリズム、顕微鏡の位置合わせを確認します。
      2. 安定した状態のために10-30分待った後、標本に焦点を合わせます。
    2. 視野内の試料に関心領域を配置します(ステップ2.1を参照)。
    3. 希望の露光時間を設定し、カメラの制御ソフトウェアを使用して試料の単一または複数の電子ホログラムを記録します。
    4. 視野から試料の関心領域を平行移動し、カメラの制御ソフトウェアを使用して単一または複数の参照ホログラムを記録します。
      注: 手順 4.1.3 と 4.1.4 の露光時間とホログラムの数は、通常、同じになるように選択されます。
  2. 試料の磁場の進化
    1. 試料に印加する磁場を変更します(ステップ3.2.1を参照)。
    2. 楕円ビーム条件を設定しますが、これは通常、対物レンズの設定によって異なります。
    3. 試料、バイプリズム、顕微鏡を再調整します(ステップ1.6を参照)。試験片の焦点を合わせます。
    4. 視野内に関心領域を配置します。
    5. 希望の露光時間を設定し、カメラの制御ソフトウェアを使用して試料の単一または複数の電子ホログラムを記録します。
    6. 視野から試料の関心領域を平行移動し、カメラの制御ソフトウェアを使用して単一または複数の参照ホログラムを記録します。
      注: 手順 4.2.5 と 4.2.6 の露光時間とホログラムの数は、通常、同じになるように選択されます。
    7. 印加磁場および/または印加電圧または試験片温度の所望の値ごとに、および試験片を裏返す前後に、上記の手順を繰り返します。
      1. 外部刺激の変化が顕微鏡、ビーム、バイプリズム、および/または試料の不安定性をもたらすかどうか、また、安定性を達成するために追加の待ち時間が必要かどうかを確認します。
      2. 位相への磁気寄与を静電寄与から分離するために使用できる実験の設計には特に注意してください。
        注:この分離を実現するには、いくつかの方法があります13。ここでは、試料の温度を使用して試料を常磁性状態に切り替え、その後、異なる試料温度で記録された位相画像間の違いを評価しています。
  3. 記録した電子ホログラムをデジタル処理します。
    1. 電子ホログラムを再構築して、商用ソフトウェアまたは自家製ソフトウェアを使用して振幅と位相の画像を計算します。
      注: 通常、フーリエ変換ベースの再構成アプローチが使用されます (ホログラム再構成の詳細については、代表的な結果のセクションを参照してください)。
    2. 画像を倍率、位置、角度に合わせ、必要に応じて幾何学的な歪みを取り除きます。複数の位相画像からの情報を組み合わせて、磁性体を位相への静電寄与から分離します(詳細については、代表的な結果セクションの 図3 を参照してください)。

結果

以下に示す結果は、ローレンツ顕微鏡法と単結晶FeGe試料中の磁気スキルミオンの軸外電子ホログラフィー研究から得られたものです。

TEM試料作製。単結晶B20型FeGeの電子透過性試料をTEM試験用に作製し、Ga FIBを搭載したデュアルビーム走査電子顕微鏡、マイクロマニピュレータ、ガス注入装置を用いてTEM試験を行った。FIBミリングは、6.5nA〜47pAの電流で30kVおよび5kVのイオンビームを使用して実行しました。リフトアウト法48 を用いてラメラを作製し、ラメラをCuグリッドに取り付けた(図1C)。カーテン加工による厚さのばらつきを減らすために、FIBフライス加工の前にアモルファスCを結晶上に堆積させました。残存するイオンビームによる損傷は、低エネルギー(<1 keV)のArイオンビームスパッタリング49を用いることで低減された。最終的な試験片の幅、高さ、厚さの近似値は、それぞれ15、10、0.1μmでした。

磁気イメージング-ローレンツ顕微鏡。図4Aに示す磁場対温度の位相図に従うと予想されるFeGe試料の磁気状態は、最初にローレンツ顕微鏡を使用して、室温と低温(FeGeのキュリー温度未満)の両方でフレネル焦点ぼけ画像を記録することにより研究されました。

B20型FeGeは室温で常磁性体です。278Kの転移温度(すなわち、キュリー温度)の下では、印加された磁場50に応じて、異なる磁気構成が形成され得る。本研究では、ダブルチルトの液体窒素冷却TEM試料ホルダーを使用して、室温と低温の両方で画像を記録しました。試験片の温度は、温度コントローラーとカメラの制御ソフトウェアを使用して監視および制御されました。転移温度より下では、FeGeは通常、ゼロ印加磁場の中にらせん状の磁気構造を含んでいます。この磁気テクスチャは、 図 4B に示すように、薄い TEM 試料のローレンツ (フレネル焦点ぼけ) 画像に黒と白のコントラストの迷路のような線を生成します。

FeGeの交換定数、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用定数、飽和磁化 Mなどの特性磁気パラメータは、らせん相の平衡周期(~70 nm)と磁気飽和の臨界磁場(320 mT)を決定します。ブロッホ型スキルミオンの格子は、物体レンズのわずかな励起を利用して試料に面外磁場を印加することにより、らせん状態から形成することができる。本研究で使用した顕微鏡では、6% の励起で ~100 mT の磁場が得られます。らせん構造やスキルミオンの格子を画像化するために必要な一般的な焦点ぼけ値は、TEM試料の厚さに応じて300 μm〜1 mmの範囲です。

図2は、100 mTの面外磁場の存在下で試料温度100 Kで記録されたブロッホ型スキルミオンのフレネル焦点ぼけ画像を示しています。これは、従来の顕微鏡対物レンズを使用して適用されました。印加磁場の存在下で試料を冷却すると、ブロッホ型スキルミオン51の規則的な密集格子が形成される。焦点ぼけの符号に応じて、各スキルミオンのコントラストは、 それぞれ図2A と 図2Bに示すように、強度の最大値または最小値として表示されます。

磁気イメージング-軸外電子線ホログラフィー。 FIBマイリングを使用して調製したFeGeラメラの軸外電子ホログラムを、上記の手順を使用して室温と臨界温度未満の両方で記録しました。

図3A は、100mTの印加磁場の存在下で冷却した後、試料温度200KでB20型FeGeから記録された軸外電子ホログラムを示しています。バイプリズムに120Vの電圧を印加すると、ホログラフィック干渉フリンジ間隔は2.69nm、ホログラフィック干渉フリンジコントラストは~25%になりました。

振幅と位相の再構築には、ホログラムのフーリエ変換(図3B)でサイドバンドの1つをデジタル選択し、サイドバンドを中心とするソフトエッジを持つ円形マスクの外側のすべてをゼロにマスクし、マスクされたサイドバンドをフーリエ空間の中央に配置し、その逆フーリエ変換を計算して、振幅と位相の両方の情報を含む実空間の複素波像を提供する必要がありました。実空間複素波動関数の位相Φ=アークタン(i/r)と振幅figure-results-2553は、その実数部rと虚数部iから評価した。位相(図3C)は最初にモジュロ2πで評価されたため、位相の不連続性が含まれていました。これは、適切なアルゴリズムを使用してアンラップされた位相イメージを提供することができました(図3D)。再構築手順と対応するオープンソースソフトウェアの詳細については、他の場所52,53,54を参照してください。

同様のアプローチを使用して、真空のみからの参照ホログラムを記録しました。参照ホログラムの再構成された位相を標本ホログラムの位相から差し引いて、顕微鏡のイメージングおよび記録システムに関連する位相アーチファクトを除去しました。次に、試料を室温まで加熱し、試料ホログラム(図3E)と真空基準ホログラムの両方を、低温と同じ手順で記録しました。FeGeは室温で常磁性であるため、電子光学位相シフトは純粋に位相への静電(平均内部電位)の寄与に起因します。室温で記録された整列位相画像と低温で記録された位置合わせされた位相画像(真空基準ホログラムを使用した補正後)の差を使用して、磁気位相シフトのみを提供しました(図3F)。位相画像の減算には、サブピクセルの位置合わせが必要でした。最終的な磁気位相像は、電子ビーム方向に積分された試料内および試料周辺の磁気誘導の面内成分に関する情報を提供します( 式2を参照)。

投影された面内磁気誘導の視覚的表現は、磁気位相像に等高線を追加することによって得ることができる(例えば、その選択された倍数の余弦を評価することによって)。その導関数は、色を生成するためにも使用できます。また、色相と強度は、投影された面内磁気誘導の方向と大きさをそれぞれ表すために使用できます。 図5A は、 図3に示す軸外電子ホログラフィーの結果から得られたFeGe中のブロッホ型スキルミオンの代表的な磁気位相像を示しています。対応する磁気誘導マップを 図5Bに示します。

磁気位相像をさらに分析して、モデルに依存しない55 またはモデルベースの40 アルゴリズムを使用して、試料に投影された面内磁化を決定することができる。 図5C は、 図5A に示す磁気位相像から決定された面内磁化のマップを、モデルベースの反復再構成アルゴリズム40を用いて示し、電子エネルギー損失分光法を用いてTEM試料の厚さを独立して測定したものである。磁化はkA / mの単位で示され、スキルミオンの六角形の形状が明らかになります。スピンが電子ビーム方向と平行に配向しているスキルミオンコアのサイズは~8nmです。測定された磁化は、~135kA/mの値でピークに達し、これは、表面のねじれおよび非磁性損傷試料表面層56の存在を考慮した平均値とよく一致している。同様のアプローチを使用して、印加された磁場と温度の関数としてスピンテクスチャの進化を体系的に研究できます。

figure-results-4449
図1:基本的な軸外電子線ホログラフィーのセットアップと試料形状の例(A)軸外電子線ホログラフィーの概略的な光路。(B)本研究で使用した透過型電子顕微鏡の写真。この顕微鏡は、電界放出型電子銃、画像収差補正器、ローレンツレンズ、2つの電子バイプリズムを搭載し、300kVで運転しました。(C)FIBミリングを用いて作製し、Cu TEM支持格子に取り付けたB20型FeGeのTEM試料の二次電子走査電子顕微鏡像(試料のTEM像については図2Bを参照)。スケールバー = 500 μm。略語:OA =開口;Ltz = ローレンツ;SA = 選択されたエリアe- = 電子;TEM=透過型電子顕微鏡。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-5141
図2:B20型FeGeのブロッホ型スキルミオンのフレネル焦点ぼけ画像。 (A)FIBマイリングを使用して調製し、100mTの面外磁場の存在下で100Kの試料温度で記録されたFeGeラメラ中のブロッホ型スキルミオンの焦点不足および(B)過焦点画像。ボケ値は±500μmです。波状で暗いコントラストの広い帯は、回折コントラストから生じる結晶性の曲げ輪郭です。インセットは、画像の拡大された領域を示します。スケールバー = 2 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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図3:軸外電子ホログラムの再構成。 (A)100mTの面外磁場印加の存在下で試料温度200Kで記録されたB20型FeGeラメラの実験的な軸外電子ホログラム。挿入図は、ホログラムの拡大された領域を示しています。スケールバー = 200 nm。(B)バイプリズムの端にあるフレネルフリンジに由来する縞模様の中央バンド、2つのサイドバンド、およびストリークを含むホログラムのフーリエ変換。サイドバンドの1つを拡大すると、スキルミオンの整然とした配置に関連するスポットが明らかになります。スケールバー = 0.4 nm-1。(C)側バンドの1つの逆フーリエ変換によって得られたラップ位相画像。スケールバー = 200 nm。(D)アンラップされたフェーズ画像。スケールバー = 200 nm。(E)ゼロ面外印加磁場中で室温で記録された同じ領域のアンラップされた位相画像。スケールバー= 200 nm (F) 室温で記録された位相像を200 Kで記録された位相像から差し引いて得られた最終的な磁気位相像の一部で、それらをサブピクセル精度で整列させた後、スケールバー = 200 nm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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図4:FeGeの磁界対温度の位相図。 (A)B20型FeGeの磁気状態と温度の関係を示す状態図。(B)FIBマイリングを使用して調製し、試料温度260Kのゼロ印加磁場で記録したFeGeラメラの代表的ならせん磁気状態のフレネルデフォーカス画像。スケールバー = 2 μm。略語:PM =常磁性相;Tc = キュリー温度;FIB = 集束イオンビーム。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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図5:磁気位相シフトの定量解析 (A)100mTの面外磁場印加下で試料温度200Kで記録されたB20型FeGe中のブロッホ型スキルミオンの磁気位相シフトΦm。(B)磁気位相像の倍数の余弦を表示し、その導関数から生成された色を加算して作成した磁気誘導マップ。位相輪郭の間隔は 2π/20~0.314 ラジアンです。(C) (A) モデルベースの反復再構成アルゴリズムを使用して、(A) に示す磁気位相画像から得られる投影面内磁化。スケールバー = 50 nm。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

軸外電子線ホログラフィーは、ナノスケール材料の磁気特性をnmの空間分解能で、投影または電子線トモグラフィーと組み合わせて3次元で完全に定量的に測定します。これらの利点により、この技術は、磁性ナノ構造の高空間分解能特性評価のためのX線および中性子ベースの技術とは異なります。ただし、実験の設計と実行、およびデータ解析には注意が必要です。ここでは、考慮すべき要素のいくつかについて説明します。まず、磁性材料は一般に、イオンビームスパッタリングによるアーチファクトに敏感であり、TEM試料の表面に欠陥層、非晶性層、および/または非磁性層が形成される可能性があります。また、酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気または真空に保管する必要がある場合もあります。さらに、FIBミルディングを使用して作製されたTEM試料は小さくて繊細です。したがって、ピンセットなどの機械工具は一般的に推奨されません。代わりに、真空ピンセットを使用して、TEM試料ホルダーに試料を挿入できます。

次に、本研究で使用したような従来の冷却TEM試料ホルダーは、試料クレードル、ネジ、熱輸送ワイヤの温度変化により試験片のドリフトを引き起こす可能性がありました。試料のドリフトは、通常、10〜40分で許容可能な速度まで減速します。第三に、冷却実験中に、特に絶縁材料を含む試料を研究するときに、電子ビーム誘起電荷が存在する可能性があります。帯電は、記録された位相像への静電寄与にゆっくりと変化する寄与をもたらす可能性があり、これは試料の温度、電子ビームの照明、試料の位置によっても変化する可能性があります。場合によっては、試料をCの薄層でコーティングすると、電子ビームによる電荷を減らすのに役立つ場合があります。

第4に、TEMで行われる磁気イメージング実験には、電子透過性のある試料が必要です。このような標本の調製は、上記の代表的な結果のセクションで簡単に説明されています。実験を計画、実施、解釈する際には、「薄膜」から得られる結果がバルクサンプルから得られる結果と異なる場合があるため、試料の形状を考慮する必要があります。たとえば、磁区は多くの場合、磁区が小さく、磁界はバルク材料よりもTEM試料の方が強くなります。それにもかかわらず、薄いTEM試料から測定された飽和磁化や磁壁幅などの磁気特性は、通常、バルク材料から得られた値と一致します。

第5に、従来の顕微鏡対物レンズを使用して標本に垂直磁場を印加すると、画像の倍率と回転が変化するため、デジタル画像の位置合わせの前に補正する必要があります。位相イメージ間のわずかなミスアライメントは、ミスアライメントアーティファクトを磁気コントラストとして誤って解釈する可能性があります。

将来を見据えて、電子線ホログラフィック断層撮影法は、バックプロジェクションベースの34 またはモデルベースの40 断層撮影再構成アルゴリズムに基づいて、材料内の磁場と磁化分布の3D再構成への道筋を提供します。このような実験では、各試料の傾斜角度における位相への平均内部電位寄与の減算を含む、多数の画像の取得と処理が必要です。断層撮影実験は、長時間の実験中にサンプルが変化したり、試料の傾斜角の関数としての動的回折の変化、不完全なデータセットの取得によるアーティファクト、ミスアライメントや画像の歪みの影響などの影響を受けやすくなります。データ取得と解析のためのワークフローの自動化は、これらの問題のいくつかを克服することを約束します。その他の将来の実験的開発には、高度な磁化コイルの設計や、試料に複数の外部刺激を印加する際の磁気スイッチングの時間分解軸外電子ホログラフィー実験を実行するためのアプローチが含まれる可能性があります。

開示事項

著者は何も開示していません。

謝辞

貴重な議論、アドバイス、サポート、標本の提供、継続的な協力、および欧州連合のHorizon 2020研究およびイノベーションプログラム(Grant No. 856538、プロジェクト「3D MAGiC」)に基づく欧州研究会議への資金提供、Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG、ドイツ研究財団)-プロジェクトID 405553726-TRR 270、欧州連合のHorizon 2020研究およびイノベーションプログラム(Grant No.823717、 プロジェクト「ESTEEM3」)から欧州連合のHorizon 2020研究およびイノベーションプログラム(助成金番号766970、プロジェクト「Q-SORT」)、および助成金MIPR#HR0011831554を通じてDARPATEEプログラムに。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Materials
B20-type iron germanium single crystalInvestigated material
Software
Aberration correction softwareCEOS2.21.49Software for aberration corrections
Gatan microscopy suite (GMS)Gatan3.41Software for controlling Gatan K2 IS camera
HoloworksHolowerk6.0 betaSoftware for hologram reconstruction
Technical equipment
Cu Omniprobe gridOmniprobeAGJ420Support grid for TEM lamella
DC high voltage power supplyFug ElektronikHCL 14M-1250Biprism voltage supply and controller
Direct electron counting detectorGatanGATAN K2 ISLorentz images and hologram acqusition
Double tilt liquid-nitrogen-cooled TEM specimen holderGatanGATAN model 636Specimen holder
Focused ion beam scanning electron microscopeThermo Fisher ScientificFEI Helios NanoLab 460F1 FIB-SEMSpecimen preparation
Temperature controller for liquid-nitrogen-cooled TEM specimen holderGatanGATAN model 1905Specimen temperature controller
Transmission electron microscopeThermo Fisher ScientificFEI Titan G2 60-300 FEG TEMLorentz microscopy and electron holography

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