Name: fabrication of magnetic nanostructures on silicon nitride membranes for magnetic vortex studies using transmission microscopy techniques
Uploaded: 2018-07-02T14:00:00
Duration: 6 min 27 s
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Cette recherche a été financée par l’Agence de Grant de la République tchèque (projet no 34632-15 L) et par le projet CEITEC Nano +, ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. La fabrication de l’échantillon et la mesure N° ont été réalisés dans l’Infrastructure de recherche Nano CEITEC (ID, LM2015041, CR MEYS, 2016-2019). Meena Dhankhar était soutenue par une bourse de talent de doctorat de Brno.

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Nous avons démontré la fabrication des échantillons pour la microscopie magnétique N° et MTXM. Ces échantillons doivent être fabriquées sur des membranes minces de péché, afin que les électrons, dans le cas du N° et les rayons x mous, dans le cas de la MTXM, peuvent pénétrer par les échantillons. Ces échantillons peuvent être fabriqués soit par 1) une lithographie positive resist 2) une lithographie de résistance négative.
Nous avons utilisé la technique de lithographie de résistance positive car elle nécessite moins préparation de l’échantillon et moins d’étapes fabrication et permet un traitement plus facile. Il permet également le chercheur d’utiliser l’effet occultant, que nous avons utilisés pour le contrôle de forme de disque précis (une forme de cône d’un côté du disque). Cette forme a été utilisée pour contrôler la circulation des tourbillons magnétiques durant la nucléation10,11.
L’inconvénient de cette technique est la procédure de décollage compliqué parce que le matériel de film mince est parfois déposé sur le bord de résister et ne peut alors être retiré par un décollage. Nous avons résolu ce problème en utilisant une couche double resist. Cela limite un peu la résolution (environ 20 nm) du procédé lithographique mais reste suffisant pour l’application de l’imagerie magnétique.
La technique de lithographie négative resist propose une résolution plus élevée en tant que structures avec une résolution jusqu'à 7 nm peut être écrit dans la résistance. Le matériel est ensuite gravé à l’eau-forte loin par gravure humide ou par ion beam eau-forte. Le problème avec cette approche est que la résistance est difficile à enlever après la gravure. Couramment utilisé oxygène plasma resist décapage n’est pas possible dans le cas de structures minces de permalloy, car ils s’oxydent très facilement. Ce fait, ainsi que la nécessité d’utiliser la technique d’occultation, favorise le processus de lithographie positive qui a été utilisé tout au long de ce travail.
Nous avons utilisé les échantillons préparés selon les méthodes décrites dans cet article pour l’observation de la dynamique des tourbillons magnétiques au cours d’un tirage de commutation par un MTXM10,11 et pour l’observation des différents États de nucléation17 . Ceci peut être étendu à plusieurs types d’expériences nécessitant des structures lithographically disposés sur les membranes.

Le magnétisme des nanostructures a été intensivement étudié dans les deux dernières décennies, suite à des tendances technologiques à la miniaturisation. Comme les dimensions latérales des structures deviennent plus petites et plus petites, les propriétés magnétiques des structures ferromagnétiques commencent à être régi par la géométrie de la structure en plus des propriétés du matériau magnétique. Le comportement de différents éléments magnétiques des matériaux en vrac à microstructures a été examiné en détail (par exemple, par Hubert et Schäfer)1. Un des exemples plus connus d’aimantation non négligeable niveau fondamental est structures magnétiques de magnétisation de tourbillons-curling qui se produisent dans les polygones et les disques magnétiques minces micron et submicroniques taille. L’aimantation ici est le curling dans le plan autour d’un vortex hors-plan core2,3. Le renversement de l’aimantation de tourbillons magnétiques a été étudié en statique4,5,6 et dynamique7,8,9,10 régimes. Les applications possibles de tourbillons magnétiques sont, par exemple, mémoire multibits cellules11, circuits logiques12, appareils de radio-fréquence13ou ondes de spin émetteurs14.
Pour l’image d’un vortex magnétique et surtout le cœur du vortex, la résolution spatiale de la technique de microscopie devrait être aussi proche que possible de fondamentaux des échelles de longueur magnétique (inférieure à 10 nm). Lorentz transmission electron microscopy15 (N°) et transmission magnétique radiographie microscopie16 (MTXM) sont des candidats idéaux pour l’imagerie de tourbillons magnétiques car ils offrent une haute résolution spatiale et MTXM offre également une haute temporelle résolution pour les études de dynamique de magnétisation. L’inconvénient de ces techniques est la préparation des échantillons complexes, qui fait l’objet du document présenté.
Les processus présentés ici expliquent la fabrication des échantillons utilisés pour l’imagerie de tourbillons magnétiques par TEM17 et MTXM10,11. Les deux techniques sont de caractère de la transmission et à cause de que, il est nécessaire de fabriquer les structures sur des membranes minces. Les membranes sont généralement issus de nitrure de silicium et leurs gammes d’épaisseur de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de nanomètres. Chacune de ces deux méthodes nécessite une géométrie de châssis différents supports. Dans le cas de MTXM, le cadre est de 5 x 5 mm2 et la fenêtre est grande, 2 x 2 mm2. Dans le cas de TEM, la géométrie du cadre est un cercle de 3 mm de diamètre avec la taille de la fenêtre dépend de l’expérience, généralement 250 x 250 µm2. Les membranes apportent des difficultés supplémentaires de manipulation des échantillons plus difficile avec le risque de se casser les fenêtres tous les procédés de la lithographie.
La fabrication d’échantillons peut être faite tant positives que négatives résistent Lithographie techniques18. Le procédé de lithographie positive resist utilise une résistance positive ; la structure chimique des modifications de résistance lors de l’irradiation et la partie exposée deviendra soluble dans le développeur chimique. La surface exposée se laver alors que la zone non exposée resteront sur le substrat. Dans le cas d’un procédé de lithographie par résistance négative, l’irradiation durcit la résistance et la surface exposée restera sur le substrat, tandis que la zone non exposée se laver dans le développeur chimique. Les deux techniques peuvent être utilisées pour la fabrication des échantillons, mais nous préférons Lithographie positive resist car elle requiert moins d’étapes fabrication par rapport à la borne négative résister à la technique de la lithographie. Il est également plus facile à manipuler, plus rapide et donne souvent de meilleurs résultats.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>SiN Membrane - TEM</td>
			<td>Silson</td>
			<td>SiRN-TEM-200-0.25-500</td>
			<td>TEM membrane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SiN Membrane - MTXM</td>
			<td>Silson</td>
			<td>SiRN-5.0-200-3.0-200</td>
			<td>MTXM membrane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D adapter for spin coating</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>The model of the adapter for 3D printing can be downloaded at: https://www.thingiverse.com/thing:2808368</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PMMA 950k electron beam resist</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR-P 679.04</td>
			<td>used for TEM sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electron beam resist developer</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR 600-56</td>
			<td>used for TEM sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-contrast electron beam resist</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR-P 6200.13</td>
			<td>used for the waveguide on the MTXM sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-contrast electron beam resist developer</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR-600-546</td>
			<td>used for the waveguide on the MTXM sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrakis(dimethylamido)titanium(IV)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>669008 Aldrich&#160;</td>
			<td>used for TiO2 thin film deposition by ALD&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electron beam resist for nanometer lithography</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR-P 617.02</td>
			<td>used as the bottom layer of bilayer resist for easier lift-off procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PMMA 950k electron beam resist</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR-P 679.04</td>
			<td>used as the top layer of bilayer resist for easier lift-off procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electron beam resist developer</td>
			<td>Allresist</td>
			<td>AR 600-56</td>
			<td>used for development of the disks on waveguide</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permalloy pellets</td>
			<td>Kurt J Lesker</td>
			<td>EVMPERMQXQ-D</td>
			<td>used for the deposition of the magnetic layers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium pellets</td>
			<td>Kurt J Lesker</td>
			<td>EVMTI45QXQD</td>
			<td>used as adhesive layer for the gold waveguide</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold pellets</td>
			<td>Kurt J Lesker</td>
			<td>EVMAUXX40G</td>
			<td>used for the deposition of the waveguide</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of magnetic nanostructures on silicon nitride membranes for magnetic vortex studies using transmission microscopy techniques

Microscopies magnétiques électrons et les rayons x permettent une imagerie magnétique à haute résolution jusqu'à des dizaines de nanomètres. Toutefois, les échantillons doivent être préparés sur des membranes transparentes qui sont très fragiles et difficiles à manipuler. Nous présentons des procédés pour la fabrication d’échantillons avec magnétique micro et nanostructures avec des configurations de spin formant des tourbillons magnétiques convenant au microscopie électronique à transmission Lorentz et études de microscopie transmission magnétique aux rayons x. Les échantillons sont préparés sur des membranes de nitrure de silicium et la fabrication se compose d’une lithographie de revêtement, les UV et les faisceaux d’électrons spin, le développement chimique de la résistance, et l’évaporation du matériau magnétique suivie d’un processus de décollage formant le structures magnétiques finales. Les échantillons pour la microscopie électronique à transmission Lorentz se composent de nanodiscs magnétique préparé lors d’une étape unique de lithographie. Les échantillons pour la microscopie de transmission magnétique de rayons x sont utilisés pour les expériences dynamiques de magnétisation résolue dans le temps, et nanodiscs magnétiques sont placés sur un guide d’onde qui est utilisé pour la génération d’impulsions répétable champ magnétique en passant une électrique courant à travers le Guide d’ondes. Guide d’ondes est créé dans une étape supplémentaire de lithographie.

La figure 1 montre les photos des cadres de péché et membranes utilisées pour le MTXM et le N° de la microscopie. La figure 2 illustre la conception des cartes 3D-imprimés pour contenir le TEM membrane hors-axe pendant le procédé de revêtement de spin. La figure 3 montre les différentes étapes de la préparation de l’échantillon N° (après le développement de la résistance et après la procédure de décollage) et de l’image finale observées par le N°. La figure 4 montre les schémas, les étapes de préparation pour la fabrication des disques et le Guide d’onde sur la membrane de péché pour les expériences de résolution temporelle MTXM. La figure 5 illustre l’échantillon final de MTXM contenant les disques placés sur un guide d’onde.

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Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Un protocole pour la fabrication de micro magnétique et nanostructures avec des configurations de spin formant des tourbillons magnétiques appropriés pour la microscopie électronique à transmission (TEM) et études de microscopie (MTXM) de rayons-x transmission magnétique est présenté.

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