투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)에서 축외 전자 홀로그래피를 사용한 자기장 매핑(Magnetic Field Mapping using Off-Axis Electron Holography in the Transmission Electron Microscope)

요약

투과 전자 현미경에서 나노 스케일 재료 및 장치의 자기장에 대한 정량적 이미지를 제공하기 위해 축외 전자 홀로그램을 기록하고 해석하기 위한 지침이 제시됩니다.

초록

축외 전자 홀로그래피는 투과 전자 현미경(TEM)에서 전자파의 두 부분을 겹쳐서 간섭 패턴을 형성하는 강력한 기술이며, 그 중 하나는 표본의 관심 영역을 통과하고 다른 하나는 기준파입니다. 그 결과로 생성된 축외 전자 홀로그램을 디지털 방식으로 분석하여 전자파의 두 부분 사이의 위상차를 복구할 수 있으며, 이를 해석하여 표본 내부 및 주변의 정전기 전위 및 자기 유도의 국부적 변화에 대한 정량적 정보를 제공할 수 있습니다. 축외 전자 홀로그램은 표본이 상승 또는 감소된 온도, 전압 또는 빛과 같은 외부 자극을 받는 동안 기록될 수 있습니다. 여기에 제시된 프로토콜은 축외 전자 홀로그램을 기록, 분석 및 해석하는 데 필요한 실용적인 단계를 설명하며, 주로 나노 크기 재료 및 장치 내부 및 주변의 자기장 측정에 중점을 둡니다. 여기에는 축외 전자 홀로그램의 기록, 분석 및 처리와 관련된 단계뿐만 아니라 위상 이미지의 재구성 및 해석과 결과의 시각화가 포함되어 있습니다. 또한 표본 형상의 최적화, 현미경의 전자 광학 구성 및 전자 홀로그램 획득 매개변수의 필요성과 기록된 신호에서 원하는 자기 기여도를 추출하기 위해 여러 홀로그램의 정보를 사용해야 할 필요성에 대해서도 논의합니다. 이 단계는 자기 스카이르미온을 포함하고 집속 이온 빔(FIB)으로 준비된 B20 유형 FeGe 표본에 대한 연구를 통해 설명됩니다. 이 기술의 향후 개발에 대한 전망이 논의됩니다.

서문

자기 나노 구조는 나노 스케일 로직, 스토리지 및 스핀 트로닉 장치 1,2,3,4,5를 포함하는 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 구성 물질의 자기 특성에 대한 지역적 이해를 위해서는 투영 및 3차원 모두에서 나노미터(nm) 공간 해상도로 자기 특성을 규명하는 기술을 개발해야 하며, 이상적으로는 시편이 상승 또는 감소된 온도, 인가 전압 또는 빛과 같은 외부 자극을 받는 동안 가능합니다. 현재 사용 가능한 자기 특성화 기술에는 자기 광학 Kerr 효과 현미경, 자기력 현미경, 스핀 편광 주사 터널링 현미경, 스핀 편광 저에너지 전자 현미경, X선 자기 원형 이색법, X선 홀로그래피 및 주사 투과 X선 현미경 6,7,8,9,10,11이 포함됩니다.

투과 전자 현미경에서 자기 특성화 기술에는 로렌츠 현미경의 프레넬 및 푸코 모드, 오프 축 전자 홀로그래피, 차동 위상 차 (DPC) 이미징 및 전자 자기 원형 이색성 (EMCD) ^{6 , 7 , 12 , 13 , 14} 가 포함됩니다. 이 논문의 초점은 축외 전자 홀로그래피 기술에 있으며, 이는 투영 및 전자 단층 촬영과 결합될 때 3차원에서 5nm 미만의 공간 분해능으로 나노 크기 물질 내부 및 주변의 자기장에 대한 실시간 정량 측정을 제공할 수 있습니다^13,14.

TEM에서 고도로 가속 된 전자빔은 전자 투명 (일반적으로 고체) 표본을 통과하여 원자 규모에 도달 할 수있는 공간 분해능으로 결정학적, 화학적, 전자 및 / 또는 자기 구조에 대한 액세스를 제공합니다. 일반적으로 얇은(<100nm) 시료에는 전자총에서 방출되는 전자가 조사되고 고진공(<^10-5Pa ) 컬럼에서 60-300kV 가속됩니다. 전자기 렌즈는 표본에 전자를 집중시킨 다음 하나 이상의 검출기에 집중시키는 데 사용됩니다. 전자는 표본의 원자 전위와 강하게 상호 작용하고 표본 내부와 주변의 전자기장과 강하게 상호 작용합니다. 이 정보는 전자파 함수로 인코딩되지만, 초점이 맞는 명시야 또는 암시야 TEM 이미지는 검출기에 도달하는 전자의 강도 변화만 기록하고 위상 변이에 대한 정보는 손실됩니다. 이 소위 "위상 문제"는 X선 및 중성자 실험에서도 발생합니다.

전자파 함수의 위상 이동을 측정할 수 있는 기술 중 하나는 축외 전자 홀로그래피입니다. 전자파 함수의 근본적인 측면에 대한 자세한 내용은 다른 곳에서 확인할 수 있습니다¹⁵. 전자 홀로그래피의 개념은 1948년 데니스 가버(Dennis Gabor)에 의해 처음 제안되었는데, 이는 현미경의 1차 이미징 렌즈의 수차로 인한 전자 현미경의 공간 해상도의 한계를 극복하기 위함이다(¹⁶). 이 기술을 사용하면 전자파의 진폭과 위상에 대한 정보를 모두 기록할 수 있습니다. 1990년대부터 상업용 전자 현미경에 쉽게 사용할 수 있었는데, 부분적으로는 전계 방출 총 기술의 발전 덕분입니다. 전자 홀로그래피의 20가지 이상의 변형이 설명되었지만, 가장 인기 있고 다재다능한 유형은 현재 높은 공간 해상도 18,19,20,21,22,23의 전자기장 매핑을 위한 축외 전자 홀로그래피 ¹⁷의 TEM 모드입니다.

축외 전자 홀로그래피의 TEM 모드는 전자파의 두 부분을 중첩하여 간섭 패턴 또는 홀로그램을 형성하는 것을 포함하며(그림 1A), 그 중 하나는 표본의 관심 영역을 통과하고 다른 하나는 기준파²⁴입니다. 위상 편이 Φ는 기록된 비축 전자 홀로그램으로부터 디지털 방식으로 검색될 수 있고, 수학식 1²⁵를 사용하여 정전기 전위 및 자기 벡터 전위의 국부적 변동에 대한 정량적 정보를 제공하도록 해석될 수 있습니다.

(1)

여기서, _CE는 현미경 가속 전압(C_E = 6.53 × 10⁶ rad/(Vm) at 300 kV)에 의존하는 상호 작용 매개변수이고, V(x,y,z)는 정전기 전위, AZ(x,y,z)는 자기 벡터 전위의 z 성분, z는 입사 전자빔 방향과 평행, e는 기본 충전 단위, h는 플랑크 상수입니다. 위상 변이에 대한 정전기 및 자기 기여도는, 예를 들어, 시편을 뒤집기 전과 후에 기록된 전자 홀로그램, 시편의 자기 퀴리 온도 아래 및 위에 기록된 전자 홀로그램, 또는 상이한 현미경 가속 전압^(13,26)에서 기록된 전자 홀로그램으로부터의 정보를 결합함으로써 분리될 수 있다. 위상 변이 _Φm(즉, 방정식 1의 우측에 있는 두 번째 항)에 대한 자기 기여도가 검색되면, 전자빔 방향으로 투영된 면내 자기 유도 Β_p는 방정식 2를 사용하여 1차 도함수로부터 얻을 수 있습니다.

, (2)

where 및 .

그런 다음 자기 유도 맵은 윤곽 및 색상을 사용하여 표시하여 박막 또는 나노 구조 26,27,28,29,30,31의 자기장을 시각적으로 표현할 수 있습니다. 자기 위상 이미지와 자기 유도 지도는 항상 매우 신중하게 해석되어야 합니다: 첫째, 그것들은 3차원(3D) 자기 벡터 필드의 2차원 투영을 나타내기 때문입니다. 둘째, 자기장 Β_z의 평면 밖 구성 요소에 둔감하기 때문에; 셋째, 표본 내부와 외부에 모두 존재하는 자기장의 정보를 결합하기 때문입니다. 다행히도 이제 역투영 기반 32,33,34,35,36,37 또는 모델 기반 38,39,40 재구성 알고리즘을 사용하여 단층 촬영 틸트 시리즈의 자기 위상 이미지에서 3D 자기 정보를 복구할 수 있습니다.

재료의 자기 특성에 대한 투과 전자 현미경 연구는 일반적으로 자기장이 없는 조건, 즉 기존 현미경 대물 렌즈를 끄고 비침수 로렌츠 렌즈 또는 이미지 수차 보정기의 전사 렌즈를 기본 이미징 렌즈로 사용한 후 표본을 사용하여 수행됩니다. 집광기와 대물렌즈(⁴¹ ) 사이에 위치한 추가적인 표본 스테이지 또는 이중 대물렌즈 시스템을 사용하여 표본 위치(⁴² )에서 자기장을 상쇄하는 것도 자기장이 없는 조건을 달성하는 데 도움이 될 수 있다. 자기장이 없는 조건에 위치한 표본으로 이미지를 기록하는 것을 종종 로렌츠 현미경이라고 합니다. 로렌츠 투과 전자 현미경은 외부 자극이 있는 상태에서 표본의 자기 상태를 확인하는 빠른 기술입니다. 그러나 일반적으로 정성적으로만 적용되며 표본 두께의 국부적 변화로 인한 프레넬 줄무늬의 존재로 인해 가장 작은 나노 구조의 자기장 연구에 쉽게 적용할 수 없습니다. 현미경 및 관심 표본의 사양에 따라 다양한 이미징, 회절 또는 분광학 기술(예: DPC 이미징 및 EMCD)을 사용하여 투과 전자 현미경에서 자기 특성화를 수행할 수 있습니다.

축외 전자 홀로그래피는 특히 자기 도메인 벽 연구를 위해 프레넬 디포커스 이미징(즉, 로렌츠 현미경의 프레넬 모드)의 더 간단하지만 정량적이기는 하지만 기술과 함께 적용되는 경우가 많습니다. 축외 전자 홀로그래피와 마찬가지로 Fresnel defocus 이미지의 대비는 표본 내부와 외부의 자기장의 평면 구성 요소에 의한 전자의 굴절로 인해 발생합니다. 첫 번째 근사치로, 두께 t의 표본에서 평면 자기장 Β_xy는 입사 전자빔이 각도만큼 편향되는 결과를 낳으며, 여기서 λ는 (상대론적) 전자 파장입니다. 프레넬 디포커스 이미징을 사용할 때 자기 도메인 벽의 위치는 초점이 맞지 않은 명시야 이미지에서 어둡거나 밝은 강도의 선으로 드러납니다. 위상 정보는 강도 수송 방정식⁴³을 풀음으로써 이러한 이미지로부터 복구될 수 있습니다. 그러나 시야의 가장자리에서 경계 조건에 대한 지식이 부족하면 재구성 단계에서 오류가 발생할 수 있습니다.

대조적으로, 로렌츠 현미경 검사의 푸코 모드를 사용할 때 조리개는 특정 방향으로 편향된 전자만 이미지 형성에 기여할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 주사 투과 전자 현미경의 DPC 이미징과 Lorentz 현미경의 프레넬 모드는 각각 전자파 위상 변이의 1차 및 2차 도함수에 대략 비례하는 신호를 기록한다는 점에 유의해야 합니다. 결과적으로, 그들은 표본 두께와 구성의 국부적 변화로 인한 강력한 기여를 포함 할 수 있으며, 이는 대비 ^6,7에 대한 자기 기여를 지배 할 수 있습니다.

실험적 관점에서 비축 전자 홀로그래피의 TEM 모드는 일반적으로 현미경의 공액 이미지 평면 중 하나에 가깝게 위치하는 얇은 전도성 와이어의 형태를 취하는 정전기 바이프리즘을 사용해야 합니다. 물체와 기준 전자파(도 1A)를 중첩시키기 위해 바이프리즘에 전압을 인가하면 전자 홀로그램이 형성되며, 이는 전하 결합 소자(CCD) 카메라 또는 직접 전자 계수 검출기(⁴⁴)에 기록될 수 있다.

condenser lens stigmator 설정은 일반적으로 전자빔을 고도로 타원형으로 만들어 바이프리즘에 수직인 방향으로 빔의 측면 일관성을 최대화하는 동시에 충분한 수의 전자 수를 유지하도록 조정됩니다. 표본의 관심 영역은 시야의 일부를 덮도록 배치되는 반면, 참조 홀로그램은 일반적으로 인접한 진공 영역 또는 얇고 깨끗한 지지 필름 영역에서 얻습니다. 아래에 설명된 실험은 300kV에서 작동하는 이미지-수차-보정된 TEM에서 수행되었습니다. 이 현미경은 11mm의 폴 피스 갭이 크며 두 개의 전자 바이프리즘이 장착되어 있습니다(그림 1B). 이 실험에서는 전자 홀로그램을 기록하기 위해 바이프리즘 중 하나만 사용되었습니다. 다중 바이프리즘을 사용하는 이점은 다른 문헌^45,46에 설명되어 있습니다. 프레넬 디포커스 이미지와 축외 전자 홀로그램은 기존의 2k x 2k CCD 카메라 또는 4k x 4k 직접 전자 계수 검출기를 사용하여 기록되었습니다. 로렌츠 모드는 대물렌즈와 주변 렌즈의 잔류 자기장을 보상하여 표본 위치에서 자기장이 없는 환경을 달성하기 위해 대물렌즈를 작은 음의 여기로 조정하여 설정되었습니다. 그런 다음 이미지 보정기 장치의 첫 번째 전사 렌즈를 비침수 이미징 렌즈로 사용했습니다. 표본은 잔류 잔류 효과(자기장이 없는 상태) 또는 사전 보정된 자기장⁽⁴⁷)이 있는 상태에서 이미지화할 수 있으며, 이는 기존 현미경 대물렌즈를 여기시켜 적용할 수 있습니다. 이 현미경에 있는 대물 렌즈의 트윈 구조는 -150 mT에서 1.5 T 범위의 자기장을 음의 수직 방향과 양의 수직 방향 모두에 적용할 수 있도록 하여 적용된 수직 자기장이 있는 곳에서 표본을 기울여 TEM의 자화 반전 과정을 현장에서 연구할 수 있습니다. 원칙적으로 전용 자화 표본 홀더를 사용하여 평면 자기장을 적용할 수 있지만 이러한 홀더는 본 작업에서 사용되지 않았습니다.

프로토콜

1. 전자 현미경 정렬

1. 전용 정렬 파일을 로드하여 현미경(자세한 내용은 재료 표 참조, 대표 결과 섹션의 그림 1B 참조)을 로렌츠 모드로 전환합니다.
   1. 시편(예: 직경 3mm Cu 그리드에 부착된 미크론 크기의 라멜라, 시편 준비 세부 사항은 대표 결과 섹션의 그림 1C 참조, 여기에서 조사된 재료는 skyrmion-hosting B20 유형 FeGe임)을 TEM 시편 홀더에 로드합니다(자세한 내용은 재료 표 참조).
   2. 현미경의 표준 준비(예: 콜드 트랩 채우기) 및 정렬(예: 전자빔 이동, 피벗 포인트, 회전 중심, 콘덴서 렌즈 난시 및 표본의 유센트릭 높이)을 수행합니다.
      알림: 현미경 설정(이미징 모드, 대물 렌즈 전류, 총 렌즈, 스폿 크기), 이중 프리즘, 표본 위치 또는 온도의 변경에 따라 현미경을 재정렬해야 할 수 있습니다.
2. 검출기를 제어하는 데 사용되는 이미지 기록 및 처리 소프트웨어를 사용하여 이러한 영역의 푸리에 변환을 실시간으로 모니터링하여 표본의 얇은 비정질 영역을 사용하여 Lorentz 렌즈의 이중 난시를 교정합니다.
   참고: 시편에 비정질 영역이 없는 경우 이를 위해 별도의 교차 격자 또는 비정질 탄소 박막을 사용할 수 있습니다. 그런 다음 관심 표본을 정렬 및 수차 보정이 완료된 후 현미경에 로드해야 합니다. 이 참고 사항은 1.3단계에도 적용됩니다.
3. 해당되는 경우 적절한 소프트웨어를 사용하여 현미경의 이미지 수차 보정기를 조정하십시오.
   참고: nm 공간 분해능을 사용한 전자기장 매핑에는 고차 수차 보정이 필요하지 않을 수 있습니다.
4. 원하는 시야에 맞게 현미경의 배율을 조정하며, 이상적으로는 이미지의 10% 이상에 걸쳐 진공 영역을 포함합니다.
5. 표본을 시야에서 멀리 이동합니다.
   1. 바이프리즘을 삽입하고 시편을 기준으로 방향을 지정합니다(일반적으로 시편 가장자리와 평행).
   2. 손상을 방지하기 위해 일반적으로 1V/s 이하의 속도로 바이프리즘에 원하는 전압을 적용합니다.
6. 집광기 렌즈 난시를 조정하여 타원형 전자빔 조건을 설정하고 전자빔을 중앙에 배치합니다.
   알림: 손상을 방지하려면 빔을 바이프리즘에 집중시키지 마십시오.
7. 홀로그램 간섭 무늬 대비를 최대화하려면 gun 및 condenser lens 난시 설정을 미세 조정하십시오.
   참고: fringe contrast 및 spacing은 획득 제어 소프트웨어를 사용하여 즉석에서 모니터링할 수 있습니다.
8. 전자빔, 현미경, 바이프리즘 및 표본이 안정화될 때까지 15-30분 동안 기다립니다.
   참고: 배율 및 바이프리즘 전압의 선택은 원하는 시야, 공간 해상도 및 재구성된 위상의 신호 대 잡음비에 따라 달라집니다.
9. 관심 영역의 크기에 따라 배율을 결정합니다.
   참고: 작은 진공 영역(시야의 ~10%)이 홀로그램에 이상적으로 포함되어야 합니다.
10. Biprism 전압을 원하는 오버랩 너비와 공간 해상도에 따라 조정합니다.
    참고: 전자 광학 공간 해상도는 홀로그램을 재구성하는 데 사용되는 마스크 크기에 따라 홀로그램 간섭 무늬 간격의 최대 2배 또는 3배입니다(자세한 내용은 대표 결과 섹션 참조). 배율 및 바이프리즘 전압은 반복적으로 최적화해야 할 수 있습니다. 일반적으로 배율이 크거나 바이프리즘 전압이 낮을수록 재구성 위상에서 fringe contrast와 signal-to-noise ratio는 더 좋지만 공간 해상도는 더 낮습니다.

2. 관심 지역

1. 관심 영역을 시야로 이동하여 표본의 영역을 선택합니다.
   참고: 관심 영역은 일반적으로 표본 가장자리(또는 얇고 깨끗한 지지 필름 영역)에 가까워야 하며, 표본의 관심 영역을 통과하는 물체 파동과의 간섭을 위해 기준파가 필요하고 진공 영역(이상적으로는 시야의 ~10%)이 홀로그램에 포함되어야 합니다.
2. 필요한 경우 TEM 시편 홀더의 온도 조절기를 사용하여 시편 온도를 조정합니다. 표본을 냉각하기 전에 현미경의 콜드 트랩을 식히십시오. 컬럼이 가능한 최상의 진공 상태에 있는지 확인하여 시료에 오염물이나 얼음이 침전되지 않도록 하십시오.
   알림: 시편 온도 안정화를 위해 추가 대기 시간이 필요할 수 있습니다.

3. 로렌츠 TEM (프레넬 디포커스 이미징)

1. 시편의 잔류 자기 상태
   1. 프레넬 디포커스 이미징의 경우 원형 빔 조명으로 다시 전환하십시오. 필요한 경우 시야에서 바이프리즘을 이동합니다.
      참고: 원형 및 타원형 빔 조명에 대한 집광 렌즈 설정은 일반적으로 전자 현미경 제어 소프트웨어를 사용하여 저장하고 불러올 수 있습니다.
   2. 로렌츠 렌즈의 디포커스를 변경하여(예: ±200 μm의 배수로) 프레넬 디포커스 이미지를 기록합니다. 현미경 제어 소프트웨어의 스크립트를 사용하여 초점이 흐려진 이미지의 획득을 제어합니다.
   3. 원하는 노출 시간을 설정하고 카메라 제어 소프트웨어를 사용하여 초점이 맞춰진 이미지, 낮은 초점 및 과초점 이미지를 기록합니다(대표적인 결과 섹션의 그림 2 참조).
2. 표본의 필드 진화
   1. 로렌츠 모드를 유지하는 동안 기존 현미경 대물 렌즈의 전류를 조정하거나 해당되는 경우 자화 TEM 표본 홀더의 코일에 있는 전류를 조정하여 표본에 적용되는 자기장을 변경합니다.
   2. 시편의 유센트릭 높이와 디포커스를 조정합니다.
   3. 현미경의 정렬을 확인하십시오(섹션 1.1 참조).
   4. 노출 시간을 설정하고 카메라 제어 소프트웨어를 사용하여 초점이 맞는 이미지, 언더포커스 및 오버포커스 이미지를 녹화합니다.
   5. 필요에 따라 적용된 자기장, 시편 기울기 및/또는 온도(TEM 시편 홀더의 온도 컨트롤러 사용)를 변경하여 시편의 자기 반응을 따르고 축외 전자 홀로그래피에 적합한 조건을 선택합니다.

4. 축외 전자 홀로그래피

1. 시편의 Zero-field magnetic state (시편의 0 필드 자기 상태)
   1. 다시 타원형 빔 조건으로 전환하고 바이프리즘을 시야의 중심으로 가져옵니다.
      1. 표본, 바이프리즘 및 현미경의 정렬을 확인합니다.
      2. 안정적인 상태를 위해 10-30분 동안 기다린 후 표본에 초점을 맞춥니다.
   2. 시야 내에서 표본의 관심 영역을 배치합니다(2.1단계 참조).
   3. 원하는 노출 시간을 설정하고 카메라의 제어 소프트웨어를 사용하여 표본의 단일 또는 다중 전자 홀로그램을 기록합니다.
   4. 시야에서 표본의 관심 영역을 변환하고 카메라의 제어 소프트웨어를 사용하여 단일 또는 다중 참조 홀로그램을 기록합니다.
      참고: 4.1.3 및 4.1.4 단계의 노출 시간과 홀로그램 수는 일반적으로 동일하게 선택됩니다.
2. 표본의 필드 진화
   1. 시편에 적용되는 자기장을 변경합니다(3.2.1단계 참조).
   2. 일반적으로 대물 렌즈 설정에 따라 달라지는 타원형 빔 조건을 설정합니다.
   3. 표본, 바이프리즘 및 현미경을 재정렬합니다(1.6단계 참조). 시편의 초점을 맞춥니다.
   4. 관심 영역을 시야 내에 배치합니다.
   5. 원하는 노출 시간을 설정하고 카메라의 제어 소프트웨어를 사용하여 표본의 단일 또는 다중 전자 홀로그램을 기록합니다.
   6. 시야에서 표본의 관심 영역을 변환하고 카메라의 제어 소프트웨어를 사용하여 단일 또는 다중 참조 홀로그램을 기록합니다.
      참고: 4.2.5 및 4.2.6 단계의 노출 시간과 홀로그램 수는 일반적으로 동일하게 선택됩니다.
   7. 적용된 필드 및/또는 적용된 볼륨의 원하는 각 값에 대해 위의 단계를 반복합니다.tage 또는 시편 온도, 시편을 뒤집기 전과 후.
      1. 외부 자극의 변화로 인해 현미경, 빔, 바이프리즘 및/또는 표본이 불안정해지는지, 그리고 안정성을 얻기 위해 추가 대기 시간이 필요한지 확인합니다.
      2. 위상에 대한 자기 기여도와 정전기 기여를 분리하는 데 사용할 수 있는 실험을 설계할 때 특히 주의하십시오.
         참고: 이러한 분리를 달성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다¹³. 여기에서 시편 온도는 시편을 상자성 상태로 전환하고 이후에 다른 시편 온도에서 기록된 상 이미지 간의 차이를 평가하는 데 사용되었습니다.
3. 기록된 전자 홀로그램을 디지털 방식으로 처리합니다.
   1. 전자 홀로그램을 재구성하여 상용 또는 자체 제작 소프트웨어를 사용하여 진폭 및 위상 이미지를 계산합니다.
      참고: 일반적으로 푸리에 변환 기반 재구성 접근 방식이 사용됩니다(홀로그램 재구성에 대한 자세한 내용은 대표 결과 섹션 참조).
   2. 이미지를 배율, 위치 및 각도에 정렬하고 필요한 경우 이미지에서 기하학적 왜곡을 제거합니다. 여러 위상 이미지의 정보를 결합하여 위상에 대한 정전기 기여도에서 자기를 분리합니다(자세한 내용은 대표 결과 섹션의 그림 3 참조).

결과

F아래에 표시된 결과는 단결정 FeGe 표본에서 자기 스카이르미온에 대한 로렌츠 현미경 및 축외 전자 홀로그래피 연구에서 가져온 것입니다.

TEM 시편 준비. 단결정 B20형 FeGe의 전자 투명 표본을 Ga FIB, 마이크로 매니퓰레이터 및 가스 주입 시스템이 장착된 이중 빔 주사 전자 현미경을 사용하여 TEM 검사를 위해 준비했습니다. FIB 밀링은 6.5nA에서 47pA 사이의 전류로 30 및 5kV 이온 빔을 사용하여 수행되었습니다. 리프트 아웃 방법(⁴⁸ )을 사용하여 Cu 그리드에 부착된 라멜라를 제작했습니다(그림 1C). 커튼으로 인한 두께 변화를 줄이기 위해 FIB 밀링 전에 비정질 C를 결정에 증착했습니다. 나머지 이온 빔 유발 손상은 저에너지(<1keV) Ar 이온 빔 스퍼터링⁴⁹를 사용하여 감소했습니다. 최종 시편은 너비, 높이 및 두께의 대략적인 값이 각각 15, 10 및 0.1μm였습니다.

자기 이미징 - 로렌츠 현미경. 그림 4A에 표시된 자기장 대 온도 위상 다이어그램을 따를 것으로 예상되는 FeGe 표본의 자기 상태는 먼저 로렌츠 현미경을 사용하여 실온과 저온(FeGe의 퀴리 온도 미만) 모두에서 프레넬 디포커스 이미지를 기록하여 연구했습니다.

B20 유형 FeGe는 실온에서 상자성입니다. 278K의 전이 온도(즉, 퀴리 온도) 이하에서는 적용된 자기장⁽⁵⁰)에 따라 다른 자기 구성이 형성될 수 있습니다. 본 연구에서는 이중 틸트, 액체-질소 냉각 TEM 표본 홀더를 사용하여 실온과 저온 모두에서 이미지를 기록했습니다. 표본 온도는 온도 컨트롤러와 카메라의 제어 소프트웨어를 사용하여 모니터링 및 제어되었습니다. 전이 온도 이하에서 FeGe는 일반적으로 적용된 자기장이 0인 나선형 자기 구조를 포함합니다. 이 자기 질감은 그림 4B와 같이 얇은 TEM 표본의 Lorentz(Fresnel defocus) 이미지에서 흑백 대비의 미로 같은 선을 생성합니다.

교환 상수, Dzyaloshinskii-Moriya 상호 작용 상수 및 포화 자화 M과 같은 FeGe의 특성 자기 매개변수는 나선형 위상의 평형 주기(~70nm)와 자기 포화(320mT)에 대한 임계장을 결정합니다. 블로흐 (Bloch) 유형의 skyrmions의 격자는 대물렌즈 (objection lens)의 약간의 여기(excitation)를 사용하여 표본에 면외 자기장을 가함으로써 나선형 상태에서 형성될 수 있습니다. 본 연구에 사용된 현미경에서 6%의 여기는 ~100mT의 자기장을 제공합니다. 나선형 구조 또는 스카이르미온의 격자를 이미지화하는 데 필요한 일반적인 디포커스 값은 TEM 시편 두께에 따라 300μm-1mm 범위입니다.

그림 2는 기존 현미경 대물렌즈를 사용하여 적용된 100mT의 면외 자기장이 있는 상태에서 100K의 표본 온도에서 기록된 Bloch-type skyrmions의 프레넬 디포커스 이미지를 보여줍니다. 적용된 자기장이 있는 상태에서 시편을 냉각하면 블로흐(Bloch)형 스카이르미온⁽⁵¹)의 규칙적이고 밀집된 격자가 형성됩니다. 디포커스의 기호에 따라 각 skyrmion의 대비는 각각 그림 2A 및 그림 2B와 같이 강도 최대 또는 최소로 나타납니다.

자기 이미징 - 오프 축 전자 홀로그래피. FIB 마일링을 사용하여 제조된 FeGe 라멜라의 축외 전자 홀로그램은 위에서 설명한 절차를 사용하여 실온 및 임계 온도 이하에서 모두 기록되었습니다.

그림 3A 는 100mT가 적용된 자기장이 있는 상태에서 냉각 후 200K의 시편 온도에서 B20 유형 FeGe에서 기록된 축외 전자 홀로그램을 보여줍니다. 120V의 전압이 바이프리즘에 적용되어 2.69nm의 홀로그램 간섭 무늬 간격과 ~25%의 홀로그램 간섭 무늬 대비가 생성되었습니다.

진폭과 위상의 재구성에는 홀로그램의 푸리에 변환에서 측면 대역 중 하나를 디지털 방식으로 선택하고(그림 3B), 측면 대역을 중심으로 하는 부드러운 가장자리가 있는 원형 마스크 외부의 모든 것을 0으로 마스킹하고, 마스킹된 측면 대역을 푸리에 공간의 중앙에 배치하고, 역 푸리에 변환을 계산하여 진폭과 위상 정보를 모두 포함하는 실제 공간 복합 파동 이미지를 제공하는 작업이 포함되었습니다. 실공간 복소 파동 함수의 위상 Φ = arctan(i/r) 및 진폭 은 실수 부분 r과 허수 부분 i에서 평가되었습니다. 위상(그림 3C)은 초기에 모듈로 2π로 평가되었기 때문에 위상 불연속성이 포함되어 있으며, 이는 래핑되지 않은 위상 이미지를 제공하기 위해 적절한 알고리즘을 사용하여 래핑을 해제할 수 있습니다(그림 3D). 재구성 절차 및 해당 오픈 소스 소프트웨어에 대한 자세한 내용은 다른 곳에서 확인할 수 있습니다 52,53,54.

유사한 접근 방식을 사용하여 진공에서만 참조 홀로그램을 기록했습니다. 현미경의 이미징 및 기록 시스템과 관련된 위상 아티팩트를 제거하기 위해 표본 홀로그램의 위상에서 참조 홀로그램의 복원된 위상을 뺍니다. 그런 다음 시편을 실온으로 가열하고 검체 홀로그램(그림 3E)과 진공 참조 홀로그램을 모두 저온에서와 동일한 절차를 사용하여 기록했습니다. FeGe는 실온에서 상자성이므로 전자 광학 위상 변이는 순전히 위상에 대한 정전기(평균 내부 전위) 기여에서 비롯됩니다. 실온에서 기록된 정렬된 위상 이미지와 감소된 온도(진공 참조 홀로그램을 사용하여 보정한 후) 간의 차이를 사용하여 자기 위상 편이를 단독으로 제공했습니다(그림 3F). 위상 이미지를 빼려면 서브 픽셀 정렬이 필요했습니다. 최종 자기상 이미지는 전자빔 방향으로 통합된 표본 내부 및 주변의 자기 유도의 평면 내 구성 요소에 대한 정보를 제공합니다( 방정식 2 참조).

투영된 면내 자기 유도의 시각적 표현은 자기 위상 이미지에 윤곽을 추가함으로써(예를 들어, 선택된 배수의 코사인을 평가함으로써) 얻을 수 있습니다. 그 파생물은 또한 색상을 생성하는 데 사용할 수 있으며, 색조와 강도는 각각 투영된 평면 자기 유도의 방향과 크기를 나타내는 데 사용할 수 있습니다. 그림 5A 는 그림 3에 나타난 축외 전자 홀로그래피 결과로부터 얻은 FeGe에서 Bloch-type skyrmions의 대표적인 자기상 이미지를 보여줍니다. 해당 자기 유도 맵이 그림 5B에 나와 있습니다.

자기위상 이미지를 추가로 분석하여 모델 독립적⁵⁵ 또는 모델 기반⁴⁰ 알고리즘을 사용하여 표본에 투영된 평면 내 자화를 결정할 수 있습니다. 도 5C는 모델 기반 반복 재구성 알고리즘(⁴⁰)을 사용하여 도 5A에 도시된 자기상 이미지로부터 결정된 면내 자화 맵을 보여주며, 전자 에너지 손실 분광법을 사용하여 수행된 TEM 시편 두께의 독립적인 측정과 함께 보여줍니다. 자화는 kA/m 단위로 표시되며 밀집된 배열로 인해 발생하는 skyrmions의 육각형 모양을 나타냅니다. 스핀이 전자빔 방향과 평행하게 배향되는 skyrmion 코어의 크기는 ~8nm입니다. 측정된 자화는 ~135kA/m의 값에서 최고조에 달하며, 이는 표면 비틀림 및 비자성으로 손상된 시편 표면층(⁵⁶)의 존재를 고려한 평균값과 잘 일치합니다. 유사한 접근 방식을 사용하여 적용된 자기장과 온도의 함수로 스핀 텍스처의 진화를 체계적으로 연구할 수 있습니다.

그림 1: 기본 비축 전자 홀로그래피 설정 및 표본 기하학 예. (A) 비축 전자 홀로그래피를 위한 개략적인 광선 경로. (B) 본 연구에 사용된 투과전자현미경의 사진. 이 현미경은 전계 방출 건, 이미지 수차 보정기, 로렌츠 렌즈 및 2개의 전자 바이프리즘이 장착되어 있으며 300kV에서 작동했습니다. (C) Cu TEM 지지 그리드에 부착된 FIB 마일링을 사용하여 준비된 B20 유형 FeGe의 TEM 표본의 2차 전자 주사 전자 현미경 이미지(표본의 TEM 이미지는 그림 2B 참조). 눈금 막대 = 500μm. 약어: OA = 열린 조리개; Ltz = 로렌츠; SA = 선택한 영역; e^- = 전자; TEM = 투과 전자 현미경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: B20 유형 FeGe에서 Bloch형 스카이르미온의 프레넬 디포커스 이미지. (A) FIB 마일링을 사용하여 준비되고 100mT의 면외 자기장이 있는 상태에서 100K의 표본 온도에서 기록된 FeGe 라멜라에서 블로흐 유형 스카이르미온의 과초점 및 (B) 과초점 이미지. 디포커스 값은 ±500μm입니다. 물결 모양의 어두운 대비의 넓은 띠는 회절 대비에서 발생하는 결정질 굽힘 윤곽입니다. 삽입은 이미지의 확대된 영역을 표시합니다. 스케일 바 = 2μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 축외 전자 홀로그램의 재구성. (A) 100mT의 적용된 면외 자기장이 있는 상태에서 200K의 표본 온도에서 기록된 B20 유형 FeGe 라멜라의 실험용 축외 전자 홀로그램. 삽입은 홀로그램의 확대된 영역을 보여줍니다. 스케일 바 = 200 nm. (B) 중앙 밴드, 두 개의 측면 밴드 및 바이프리즘 가장자리의 프레넬 fringes에서 비롯된 줄무늬를 포함하는 홀로그램의 푸리에 변환. 측면 밴드 중 하나를 확대하면 skyrmions의 질서 정연한 배열과 관련된 반점이 나타납니다. 스케일 바 = 0.4 ^nm-1. (C) 측대역 중 하나의 역 푸리에 변환에 의해 얻어진 래핑된 위상 이미지; 스케일 바 = 200 nm. (D) 래핑되지 않은 위상 이미지; 스케일 바 = 200 nm. (E) 평면 외 적용된 자기장이 0인 상태에서 실온에서 기록된 동일한 영역의 래핑되지 않은 위상 이미지; 스케일 바 = 200 nm (F) 서브 픽셀 정밀도로 정렬한 후 200K에서 기록된 위상 이미지에서 실온에서 기록된 위상 이미지를 빼서 얻은 최종 자기 위상 이미지의 일부; 스케일 바 = 200 nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: FeGe의 자기장 대 온도 위상 다이어그램. (A) 자기 상태 대 온도를 보여주는 B20 유형 FeGe의 위상도. (B) FIB 마일링을 사용하여 준비되고 0 적용 자기장에서 260K의 표본 온도에서 기록된 FeGe 라멜라에서 대표적인 나선형 자기 상태의 프레넬 디포커스 이미지. 눈금 막대 = 2μm. 약어: PM = 상자성 위상; T_c = 퀴리 온도; FIBs = 집속 이온 빔. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 자기 위상 변이의 정량적 분석. (A) 100mT의 적용된 평면 외 자기장이 있는 상태에서 200K의 표본 온도에서 기록된 B20 유형 FeGe의 Bloch-type skyrmions의 자기 위상 변이 Φ_m . (B) 자기위상 이미지의 배수의 코사인을 표시하고 그 유도체에서 생성된 색상을 추가하여 생성된 자기 유도 맵. 위상 윤곽선 간격은 2π/20~0.314 라디안입니다. (C) 모델 기반 반복 재구성 알고리즘을 사용하여 (A)에 표시된 자기상 이미지로부터 얻은 투영된 면내 자화. 스케일 바 = 50nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

Off-axis electron holography는 전자 단층 촬영과 결합할 때 투영 또는 3차원에서 nm 공간 분해능으로 나노 크기의 물질의 자기 특성을 완전히 정량적으로 측정합니다. 이러한 장점으로 인해 이 기술은 자기 나노 구조의 높은 공간 해상도 특성화를 위한 X선 및 중성자 기반 기술과 구별됩니다. 그러나 실험의 설계 및 실행과 데이터 분석 중에는 주의가 필요합니다. 고려해야 할 몇 가지 요소가 여기에 언급되어 있습니다. 첫째, 자성 물질은 일반적으로 이온 빔 스퍼터링 유도 인공물에 민감하며, 이로 인해 TEM 표본 표면에 결함, 비정질 및/또는 비자성 층이 형성될 수 있습니다. 또한 산화를 방지하기 위해 불활성 가스 분위기 또는 진공 상태에서 보관해야 할 수도 있습니다. 또한 FIB miling을 사용하여 준비된 TEM 시편은 작고 섬세합니다. 따라서 핀셋과 같은 기계 도구는 일반적으로 권장되지 않습니다. 대신, 진공 핀셋을 사용하여 TEM 시편 홀더에 시편을 삽입할 수 있습니다.

둘째, 본 연구에서 사용된 것과 같은 기존의 냉각 TEM 시편 홀더는 시편 크래들, 나사 및 열 전달 와이어의 온도 변화로 인해 시편 드리프트를 유발할 수 있습니다. 시편 이동은 일반적으로 10-40분의 시간 프레임에 걸쳐 허용 가능한 속도로 느려집니다. 셋째, 냉각 실험 중에는 특히 절연 물질이 포함된 표본을 연구할 때 전자빔 유도 전하가 존재할 수 있습니다. 충전은 기록된 위상 이미지에 대한 정전기 기여도에 천천히 변화하는 기여를 도입할 수 있으며, 이는 표본 온도, 전자빔 조명 및 표본 위치에 따라 달라질 수 있습니다. 경우에 따라 시편을 얇은 C 층으로 코팅하면 전자빔 유도 전하를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

넷째, TEM에서 수행되는 자기 이미징 실험에는 전자 투명 표본이 필요합니다. 이러한 시편의 제조는 위의 대표적인 결과 섹션에서 간략하게 설명됩니다. 실험을 계획, 수행 및 해석할 때 "박막"에서 얻은 결과가 벌크 샘플에서 얻은 결과와 다를 수 있으므로 표본의 모양을 고려해야 합니다. 예를 들어, 자기 도메인은 종종 더 작고 자기장은 벌크 재료보다 TEM 표본에서 더 강합니다. 그럼에도 불구하고 얇은 TEM 시편에서 측정한 포화 자화 및 도메인 벽 너비와 같은 자기 특성은 일반적으로 벌크 재료에서 얻은 값과 일치합니다.

다섯째, 기존 현미경 대물 렌즈를 사용하여 표본에 수직 자기장을 적용하면 이미지 배율과 회전이 변경되며, 이는 디지털 이미지 정렬 전에 수정해야 합니다. 위상 이미지 간의 약간의 오정렬은 오정렬 아티팩트를 자기 대비로 잘못 해석하는 결과를 초래할 수 있습니다.

미래를 내다볼 때, 전자 홀로그램 단층 촬영은 역투영 기반³⁴ 또는 모델 기반⁴⁰ 단층 촬영 재구성 알고리즘을 기반으로 재료의 자기장 및 자화 분포를 3D로 재구성하는 경로를 제공합니다. 이러한 실험에는 각 표본 기울기 각도에서 위상에 대한 평균 내부 전위 기여도를 빼는 것을 포함하여 많은 수의 이미지를 획득하고 처리해야 합니다. 단층 촬영 실험은 확장 된 실험 중 샘플의 변화, 표본 기울기 각도의 함수로 인한 동적 회절의 변화, 불완전한 데이터 세트 획득으로 인한 아티팩트, 정렬 불량 및 이미지 왜곡의 영향에 취약합니다. 데이터 수집 및 분석을 위한 워크플로우의 자동화는 이러한 문제 중 일부를 극복할 수 있습니다. 다른 미래 실험 개발에는 정교한 자화 코일의 설계와 표본에 여러 외부 자극을 적용하는 동안 자기 스위칭의 시간 분해 축외 전자 홀로그래피 실험을 수행하기 위한 접근 방식이 포함될 수 있습니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Materials
B20-type iron germanium single crystal			Investigated material
Software
Aberration correction software	CEOS	2.21.49	Software for aberration corrections
Gatan microscopy suite (GMS)	Gatan	3.41	Software for controlling Gatan K2 IS camera
Holoworks	Holowerk	6.0 beta	Software for hologram reconstruction
Technical equipment
Cu Omniprobe grid	Omniprobe	AGJ420	Support grid for TEM lamella
DC high voltage power supply	Fug Elektronik	HCL 14M-1250	Biprism voltage supply and controller
Direct electron counting detector	Gatan	GATAN K2 IS	Lorentz images and hologram acqusition
Double tilt liquid-nitrogen-cooled TEM specimen holder	Gatan	GATAN model 636	Specimen holder
Focused ion beam scanning electron microscope	Thermo Fisher Scientific	FEI Helios NanoLab 460F1 FIB-SEM	Specimen preparation
Temperature controller for liquid-nitrogen-cooled TEM specimen holder	Gatan	GATAN model 1905	Specimen temperature controller
Transmission electron microscope	Thermo Fisher Scientific	FEI Titan G2 60-300 FEG TEM	Lorentz microscopy and electron holography