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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यह शोध वित्तीय रूप से चेक गणराज्य की अनुदान एजेंसी द्वारा समर्थित किया गया है (परियोजना No .15-34632L) और CEITEC नैनो + परियोजना द्वारा, आईडी CZ. 02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728 । नमूना निर्माण और LTEM मापन CEITEC नैनो अनुसंधान अवसंरचना (ID LM2015041, MEYS CR, 2016-2019) में किए गए थे । मीना धनखड़ को एक Brno पीएच. डी. प्रतिभा छात्रवृत्ति से समर्थन मिला ।

<ol>
	<li>Hubert, A., Sch&#228;fer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. , (1998).</li><li>Cowburn, R. P., Koltsov, D. K., Adeyeye, A., O, M. E., Welland, M. E., Tricker, D. 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P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Magnetic Microscopy of Nanostructures. , (2005).</li><li>Fischer, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+imaging+with+polarized+soft+x-rays.">Magnetic imaging with polarized soft x-rays.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (31), 313002 (2017).</li><li>Vanatka, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+vortex+nucleation+modes+in+static+magnetic+fields.">Magnetic vortex nucleation modes in static magnetic fields.</a> AIP Advances. 7 (10), 105103 (2017).</li><li>Constancias, C., Landis, S., Manakli, S., Martin, L., Pain, L., Rio, D., Landis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+beam+lithography.">Electron beam lithography.</a> Lithography. , (2013).</li><li>Williams, D. 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लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

हम LTEM और MTXM चुंबकीय माइक्रोस्कोपी के लिए नमूनों के निर्माण का प्रदर्शन किया है । इन नमूनों को पतली पाप झिल्ली पर गढ़े जाने की जरूरत है ताकि इलेक्ट्रॉनों, LTEM के मामले में, और नरम एक्स-रे, MTXM के मामले में, नमूनों के माध्यम से प्रवेश कर सकते हैं । इन नमूनों को 1 द्वारा या तो गढ़े जा सकते हैं) एक सकारात्मक विरोध लिथोग्राफी या द्वारा 2) एक नकारात्मक विरोध लिथोग्राफी ।
हम सकारात्मक विरोध लिथोग्राफी तकनीक का इस्तेमाल किया क्योंकि यह कम नमूना तैयारी और कम निर्माण कदम की आवश्यकता है और आसान प्रसंस्करण की अनुमति देता है । यह भी शोधकर्ता को छाया प्रभाव है, जो हम सटीक डिस्क आकार नियंत्रण (डिस्क के एक पक्ष के एक पतला) के लिए इस्तेमाल का उपयोग करने की अनुमति देता है । इस आकृति का उपयोग nucleation10,11के दौरान चुंबकीय भेंवर के संचलन को नियंत्रित करने के लिए किया गया था ।
इस तकनीक का नुकसान जटिल लिफ्ट प्रक्रिया है क्योंकि तनु फिल्म सामग्री कभी-कभार विरोध के किनारे पर जमा हो जाती है और फिर लिफ्ट से निकाली नहीं जा सकती । हम एक डबल विरोध परत का उपयोग करके इस समस्या का हल । यह थोड़ा lithographical प्रक्रिया के संकल्प (लगभग 20 एनएम) सीमा लेकिन चुंबकीय इमेजिंग के प्रयोजनों के लिए पर्याप्त रहता है ।
नकारात्मक विरोध लिथोग्राफी तकनीक एक संकल्प के साथ संरचनाओं के रूप में एक उच्च संकल्प प्रदान करता है 7 एनएम के लिए नीचे विरोध में लिखा जा सकता है । सामग्री तो या तो गीला नक़्क़ाशी या आयन बीम नक़्क़ाशी द्वारा दूर धंसा है । इस दृष्टिकोण के साथ समस्या यह है कि प्रतिरोध नक़्क़ाशी के बाद हटाने के लिए मुश्किल है । आमतौर पर इस्तेमाल किया ऑक्सीजन प्लाज्मा अलग करना का विरोध पतली permalloy संरचनाओं के मामले में संभव नहीं है, के रूप में वे बहुत आसानी से ऑक्सीकरण । इस तथ्य को छायांकित तकनीक का उपयोग करने की आवश्यकता के साथ साथ, सकारात्मक लिथोग्राफी प्रक्रिया है जो इस काम में इस्तेमाल किया गया एहसान ।
हम एक MTXM द्वारा स्विचन संचलन के दौरान चुंबकीय भेंवर की गतिशीलता के अवलोकन के लिए इस पत्र में वर्णित विधियों द्वारा तैयार नमूनों का इस्तेमाल किया10,11 और विभिन्न nucleation राज्यों के अवलोकन के लिए17 . यह झिल्ली पर lithographically तैयार संरचनाओं की आवश्यकता होती है प्रयोगों के अधिक प्रकार के लिए बढ़ाया जा सकता है ।

nanostructures के चुंबक miniaturization के प्रति तकनीकी रुझान के बाद पिछले दो दशकों में गहन अध्ययन किया गया था । संरचनाओं के पार्श्व आयामों के रूप में छोटे और छोटे हो जाते हैं, ferromagnetic संरचनाओं के चुंबकीय गुण चुंबकीय सामग्री के गुणों के अलावा संरचना ज्यामिति द्वारा नियंत्रित किया जाना शुरू करते हैं । थोक पदार्थों से microstructures तक के विभिन्न चुंबकीय तत्वों के व्यवहार की विस्तार से समीक्षा की गई है (उदा., Hubert और शॉफर द्वारा)1. गैर तुच्छ आकर्षण संस्कार जमीन राज्य के सबसे ज्ञात उदाहरणों में से एक चुंबकीय भेंवर-आकर्षण संस्कार माइक्रोन और माइक्रोन में होने वाली संरचनाओं कर्लिंग-पतली चुंबकीय डिस्क और बहुभुज आकार है । यहां आकर्षण संस्कार एक बाहर के विमान भंवर कोर2,3के आसपास विमान में कर्लिंग है । चुंबकीय भेंवर के आकर्षण संस्कार उत्क्रमण बड़े पैमाने पर दोनों स्थैतिक4,5,6 और गतिशील में अध्ययन किया गया है7,8,9,10 सरकारों. चुंबकीय भेंवर के संभावित अनुप्रयोगों, उदाहरण के लिए , बहु बिट स्मृति कोशिकाओं11, तर्क सर्किट12, रेडियो आवृत्ति उपकरणों13, या स्पिन लहर उत्सर्जक14.
एक चुंबकीय भंवर और विशेष रूप से भंवर कोर छवि, सूक्ष्म तकनीक के स्थानिक संकल्प के रूप में मौलिक चुंबकीय लंबाई तराजू के लिए संभव के रूप में बंद होना चाहिए (नीचे 10 एनएम) । Lorentz ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी15 (LTEM) और चुंबकीय संचरण एक्स-रे माइक्रोस्कोपी16 (MTXM) चुंबकीय भेंवर के इमेजिंग के लिए आदर्श उंमीदवार है के रूप में वे एक उच्च स्थानिक संकल्प की पेशकश और MTXM भी एक उच्च लौकिक प्रदान करता है आकर्षण संस्कार गतिशीलता अध्ययन के लिए संकल्प । इन तकनीकों का नुकसान जटिल नमूना तैयारी है, जो प्रस्तुत कागज का विषय है.
यहां प्रस्तुत प्रक्रियाओं उनि17 और MTXM10,11द्वारा इमेजिंग चुंबकीय भेंवर के लिए इस्तेमाल नमूनों के निर्माण की व्याख्या । दोनों तकनीकों संचरण चरित्र के हैं, और उस की वजह से, यह पतली झिल्ली पर संरचनाओं बनाना आवश्यक है । झिल्ली आमतौर पर सिलिकॉन नाइट्राइड से बना रहे है और उनकी मोटाई पर्वतमाला nanometers के दसियों से nanometers के कुछ सैकड़ों के लिए । इन दो तरीकों में से प्रत्येक के लिए एक अलग समर्थन फ्रेम ज्यामिति की आवश्यकता है । MTXM के मामले में, फ्रेम 5 x 5 मिमी2 है और खिड़की के बड़े, 2 एक्स 2 मिमी 2 है । उनि के मामले में, फ्रेम ज्यामिति के प्रयोग पर निर्भर खिड़की आकार के साथ व्यास में 3 मिमी का एक चक्र है, आमतौर पर २५० x २५० µm2। झिल्ली सभी लिथोग्राफी प्रक्रियाओं के दौरान खिड़कियों को तोड़ने के जोखिम के साथ अधिक कठिन नमूना हैंडलिंग की अतिरिक्त चुनौतियों लाने के लिए ।
नमूने के निर्माण दोनों सकारात्मक और नकारात्मक विरोध लिथोग्राफी तकनीक18द्वारा किया जा सकता है । सकारात्मक विरोध लिथोग्राफी प्रक्रिया एक सकारात्मक विरोध का उपयोग करता है; विकिरण और उजागर भाग पर विरोध परिवर्तन की रासायनिक संरचना रासायनिक डेवलपर में घुलनशील हो जाएगा । उजागर क्षेत्र दूर धोना होगा, जबकि उजागर क्षेत्र सब्सट्रेट पर रहना होगा । एक नकारात्मक विरोध लिथोग्राफी प्रक्रिया के मामले में, विकिरण प्रतिरोध और उजागर क्षेत्र सब्सट्रेट पर रहना होगा, जबकि उजागर क्षेत्र रासायनिक डेवलपर में दूर धोना होगा... दोनों तकनीकों के नमूनों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन हम सकारात्मक विरोध लिथोग्राफी पसंद करते है क्योंकि यह कम निर्माण कदम की आवश्यकता है जब नकारात्मक लिथोग्राफी तकनीक का विरोध करने की तुलना में । यह भी संभालना आसान है, तेजी से, और अक्सर बेहतर परिणाम प्रदान करता है ।

<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

इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे चुंबकीय सूक्ष्मदर्शी nanometers के दसियों करने के लिए उच्च संकल्प चुंबकीय इमेजिंग के लिए अनुमति देते हैं । हालांकि, नमूनों को पारदर्शी झिल्ली पर तैयार करने की जरूरत है जो बहुत नाजुक है और हेरफेर करने के लिए मुश्किल है । हम चुंबकीय सूक्ष्म और चुंबकीय भेंवर Lorentz संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और चुंबकीय संचरण एक्स-रे माइक्रोस्कोपी अध्ययन के लिए उपयुक्त बनाने के साथ स्पिन विन्यास के साथ नमूनों के निर्माण के लिए प्रक्रियाओं वर्तमान । नमूने सिलिकॉन नाइट्राइड झिल्ली पर तैयार कर रहे है और निर्माण एक स्पिन कोटिंग, यूवी और इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के होते हैं, प्रतिरोध के रासायनिक विकास, और चुंबकीय सामग्री के वाष्पीकरण के गठन से एक लिफ्ट के बाद अंतिम चुंबकीय संरचनाओं । Lorentz ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए नमूने एक एकल लिथोग्राफी कदम में तैयार चुंबकीय nanodiscs से मिलकर बनता है । चुंबकीय एक्स-रे संचरण माइक्रोस्कोपी के लिए नमूने समय-हल आकर्षण संस्कार गतिशील प्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है, और चुंबकीय nanodiscs एक waveguide जो एक बिजली गुजर द्वारा दोहराने चुंबकीय क्षेत्र दालों की पीढ़ी के लिए प्रयोग किया जाता है पर रखा जाता है waveguide के माध्यम से वर्तमान । waveguide एक अतिरिक्त लिथोग्राफी चरण में बनाया गया है ।

चित्रा 1 पाप फ्रेम और MTXM और LTEM माइक्रोस्कोपी के लिए इस्तेमाल किया झिल्ली की तस्वीरें दिखाता है । चित्रा 2 3d मुद्रित एडेप्टर के डिजाइन से पता चलता है कि उनि झिल्ली स्पिन कोटिंग प्रक्रिया के दौरान बंद धुरी पकड़ । चित्रा 3 LTEM नमूना तैयारी के विभिन्न चरणों से पता चलता है (विरोध विकास के बाद और लिफ्ट के बाद प्रक्रिया बंद) और अंतिम छवि LTEM द्वारा मनाया. चित्रा 4 डिस्क के निर्माण और MTXM समय के लिए पाप झिल्ली पर waveguide-हल प्रयोगों के लिए तैयारी कदम की योजनाबद्धता से पता चलता है. चित्रा 5 अंतिम MTXM एक waveguide पर रखा डिस्क युक्त नमूना से पता चलता है.

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

चुंबकीय सूक्ष्म और nanostructures के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल चुंबकीय भेंवर के गठन के साथ स्पिन विंयास के लिए उपयुक्त संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (उनि) और चुंबकीय संचरण एक्स-रे माइक्रोस्कोपी (MTXM) अध्ययन प्रस्तुत किया है ।

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