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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques at JoVE.com

Denne forskningen har vært økonomisk støttet av Grant byrået i Tsjekkia (prosjekt nr 15-34632L) og av CEITEC Nano + project, ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. Eksempel fabrikasjon og LTEM måling ble utført i CEITEC Nano forskningsinfrastruktur (ID LM2015041, MEYS CR, 2016-2019). Meena Dhankhar ble støttet av Brno doktorgrad talent stipend.

Vi viser en metode for fabrikasjon av prøver for TEM og MTXM. Permalloy nanodiscs med diameter fra 250-4000 nm og tykkelser mellom 20-100 nm er laget på 30 nm tykk synd membraner for TEM og 200 nm tykk synd membraner for MTXM. Fotografier av synd membraner er vist i figur 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig1.jpg"> Figur 1 : Bilde av synd membraner brukt som et medium for MTXM (venstre) og TEM (høyre) prøver. Bildet viser størrelse sammenligning til en linjal. MTXM rammen er et 5 x 5 mm rektangel med vinduet tykkelse på 200 nm og TEM rammen passer en 3 mm sirkel i diameter med vinduet tykkelse på 30 nm. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
1. fabrikasjon av prøvene for TEM
Merk: I denne delen beskriver vi fabrikasjon av prøvene for TEM som brukes for observasjon av nucleation magnetiske virvlene17. Membraner er valgt som substrater fordi de tilbyr en solid støtte til lithographical fabrikasjon av magnetiske strukturer. En viktig parameter er membran vinduet tykkelsen. En høyere akselererende spenning tillater gjennomtrengende tykkere prøver, men noen unødvendige tykkelse vil forårsake tap av signal19. Derfor bruker vi de tynneste membranene tilgjengelig fra vår leverandør (30 nm).
<ol><li>
Substratet og spinn belegg Merk: Spin belegg er en mye brukt prosess for å få en ønsket motstå film på underlaget. En liten mengde motstå slippes på underlaget som deretter roteres på et svært høy hastighet for å få ønsket belegg tykkelse. Spin belegget av TEM membraner er ganske særegen av følgende årsaker: (i) hvis membranen er spunnet på spin coater aksen, resist kan ikke uniform på grunn av membranens liten diameter, og (ii) vakuum holdere kan ikke brukes fordi de kan bryte membranen. For dette formålet utviklet vi 3D trykt adaptere (se figur 2) som holder membran off-aksen og krever ikke et vakuum å holde prøven.<ol>
<li>Prebake synd membraner på en stekeplate ved 180 ° C i 15 minutter for å fjerne fuktighet.</li>
		<li>Setter inn adapter på spin coater og plasserer deretter membraner adapteren.</li>
		<li>Spin pels 950 K PMMA (poly-metyl-methacrylate) motstå 3000 RPM for 1 min å produsere filmen tykkelse på ca 200 nm.</li>
		<li>Etter bake prøvene på kokeplate ved 180 ° C i 3 minutter å stivne PMMA laget.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig2.jpg"> Figur 2 : Bilde av 3D skrevet ut kortet, brukes til å holde TEM membran off-aksen under spinn belegget. Flere membraner kan være belagt samtidig. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<ol start="2"><li>
Elektronstråle litografi (EBL)
	<ol>
<li>Tegne ønsket mønster av plater i grafisk Database System (GDS) format, og sende det til elektronstråle (e-beam) litografi systemet.</li>
		<li>Laste inn prøvene i e-beam forfatter systemet, setter scenen og stråle.</li>
		<li>Utsette plate området til et elektron dose på 260 µC/cm2 til stråle energi 20 keV. Merk: Egnet parametrene av utredning er en stråle strøm av 250 pA og en trinn størrelse 10 nm. Denne dose er ca 30% høyere sammenlignet med bulk underlag som den backscattering er svært redusert på membraner.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Kjemisk utvikling
	<ol>
<li>Etter eksponering, utvikle eksemplene i en methyl isobutyl ketoner (MIBK)-baserte utvikleren for 2 min. stoppe utviklingen med isopropylalkohol (IPA) for 30 s.</li>
		<li>Vask hvert utvalg i deionisert vann i 30 s og Føne det med nitrogen mens du holder en TWEEZER.</li>
		<li>Sjekk utviklingen av eksemplene bruker en optisk mikroskopet på en lav forstørrelse først (med en 5 X-målet) og deretter på en høy forstørrelse (med en 100 X-målet); optisk mikroskop bildet av en utviklet prøve vises i Figur 3.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Elektronstråle fordampning Merk: Elektronstråle fordampning20 er en form for fysisk vanndamp avsettelse som et mål anoden er bombardert med en høy energi-elektronstråle produsert av en ladet glødetråd under en høy vakuum. Elektronstråle-fører atomer fra målet å forvandle en gass fase. Disse atomene føre til en solid og pelsen alt i vakuum kammer med et tynt lag av målet. Det er bedre å bruke en e-beam fordampning system for lift-off formål som det gir en fin kant til platen uten innskudd ekstra materiale på platen grensen.<ol>
<li>Tape membraner forsiktig med poly-oxydiphenylene-pyromellitimide (f.eksKapton) på holderen og overføre den til deponering Mysteriekammeret e-beam fordamperen via Last lås.</li>
		<li>Bruke elektronstråle fordampning systemet for å sette et tynt lag av permalloy (Ni80Fe20) med tykkelser alt fra 20 til 100 nm frekvensen deponering av ca 1 Aͦ/s. bruke akselerasjon spenningen av 8 kV og stråle en strøm av ca 120 mA.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Lift-off
	<ol>
<li>Sette membraner 1t i et beaker med aceton (med minst 99,5% renhet).</li>
		<li>Nå spray membraner med aceton mens du holder hver en TWEEZER til overskytende metal er fjernet.</li>
		<li>Hvis det overskytende metallet forblir på prøven, plasser membraner tilbake til begeret og gjenta. Merk: Hvis et megasonic bad kan brukes å hjelpe lift-off prosedyren. Merk at det ikke er mulig å bruke en klassisk ultralydbad som bryter membraner.</li>
		<li>Bildet den endelige rekken magnetiske plater med en scanning elektron mikroskop (SEM) på akselererende spenning 5 kV og en stråle strøm av 100 pA for den avsluttende inspeksjonen. Et bilde på forstørrelse på 100.000 X er vist i figur 3b.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
LTEM imaging
	<ol>
<li>Montere prøven inn i TEM eksempel holderen og sett den inn i mikroskopet.</li>
		<li>Korrigere eksempel høyde og justere mikroskopet i Lorentz modus på ønsket akselererende spenning (i vårt tilfelle 300 kV) bruke standard prosedyrer av mikroskopet.</li>
		<li>Innføre magnetiske signalet ved defocusing Lorentz linsen.</li>
		<li>Fortsette med eksperimentet. Vipp prøven for å introdusere komponenten i plan-feltet (f.eksegnet vinkelen er 30 °, sjekk holderen spesifikasjon av maksimal vinkel).</li>
		<li>Bruke magnetfeltet ved spennende i linsen (normalt slått av i Lorentz modus). Merk: Feltet kalibreringskurven bør gis av TEM produsenten.</li>
		<li>Mette prøven, gradvis redusere magnetfeltet med deexciting av linsen og ta bildene på kameraet. Eksempel resultatene vises i Figur 3 c.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig3.jpg"> Figur 3 : Siste eksempel fotografert av optisk og elektron microscopies. (en) dette panelet viser vinduet silicon nitride membran med matriser av plater i resist etter elektronstråle eksponering og motstå utvikling. (b) dette panelet viser den endelige rekken magnetiske plater fotografert av SEM. (c) dette panelet viser LTEM bilde av magnetiske virvlene nucleation statene i en rekke magnetiske nanodiscs. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
2. fabrikasjon av prøvene for MTXM
Merk: I MTXM målinger, kan vi dra nytte av teknikkens tid oppløsning. For å introdusere en høyfrekvent magnetisering av magnetiske virvlene, dikte et gull waveguide i første trinn og plasser magnetiske plater på waveguide i andre litografi trinn. Hele strukturen er laget på en 200 nm tykk synd membran som er gjennomsiktig nok for myk røntgenstråler21. Detaljerte trinn er beskrevet i følgende tekst og skjematisk av prosessen er vist i Figur 4. Prosessen med MTXM eksempel fabrikasjon går gjennom alle trinnene beskrevet ovenfor for TEM prøver fabrikasjon, men et ekstra litografi trinn kreves for å dikte waveguide.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig4.jpg"> Figur 4 : Skjema forberedelsene av en prøve med plater og en waveguide på en silicon nitride membran for MTXM gang-løst eksperimenter. Det innebærer en totrinns litografi for å få den endelige strukturen. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<ol><li>Eksempel forberedelse og spinn belegg Merk: Membranen for MTXM er en 5 x 5 mm2 ramme med en 3 x 3 mm2 brede og 200 nm tykk midtre vinduet. Membranen kan ikke settes på spin coater vakuum chuck som ville bryte membranen. I dette tilfellet limt vi membranen til en 10 x 10 mm2 silisium wafer å gjøre det enkelt å arbeide med.<ol>
<li>Prebake synd eksemplene på en stekeplate ved 180 ° C i 15 minutter for å fjerne fuktighet fra prøvene.</li>
		<li>Spin strøk den positive motstå CSAR på 3000 rpm for 1 min; resulterende film tykkelsen er ca 500 nm. Merk: Denne typen motstå ble valgt for sin høyere følsomhet resulterer i raskere skriving ganger. Den tykkelse-rotere fart avhengigheten kan bli funnet på dataarket motstå.</li>
		<li>Etter bake eksemplene på en varm plate på 150 ° C i 1 min å stivne motstå laget.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektron strålen litografi av waveguide
	<ol>
<li>Opprette ønsket mønster av waveguide og justering merkene (for andre litografi trinnene) i GDS formatet og sende den til e-beam litografi systemet.</li>
		<li>Laste inn prøvene i e-beam forfatter systemet, setter scenen og stråle.</li>
		<li>Utsette plate området til et elektron dose på 65 µC/cm2 til stråle energi 20 keV, en stråle strøm av 10 nA og et steg størrelse 200 nm. Merk: Vi brukte CSAR positive motstå for utsette waveguide og justering merkene. Denne motstå har en høyere følsomhet enn PMMA med elektron dosen av 65 μC/cm2 stråle energi 20 keV, og derfor er gunstig å fremskynde utredning.</li>
	</ol></li>
	<li>Kjemisk utvikling
	<ol>
<li>Etter eksponering, utvikle eksemplene i utvikleren for 1 min og følger det med en kork (IPA) til 30 s.</li>
		<li>Vask prøvene i deionisert vann i 30 s og Føne dem med nitrogen mens du holder dem med pinsett.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronstråle fordampning
	<ol>
<li>Bruk e-beam fordamperen innskudd Ti(3nm)/Au(100nm) bilayer for waveguide og justering merkene.</li>
		<li>Rotere prøvene kontinuerlig med en hastighet på 10 rpm øke lag homogenitet. Merk: Titan laget av 3-5 nm gjør en selvklebende kontakt mellom synd prøven og Au-laget. Tykkelsen på Au laget er vanligvis mellom 80-120 nm. Dette området av tykkelse er egnet for wire liming av prøven til skreddersydd kretskort, som vi brukte til å injisere nåværende pulser i waveguide.</li>
		<li>Bruke en avsetning rate for Ti på 0,5 - 0,7 Aͦ/s og for Au av ~2.5 Aͦ/s. vedlikeholde base trykket av e-bjelke på ca 10-7 mbar eller bedre.</li>
		<li>Alternativt bruke Cu i stedet for Au fabrikasjon av waveguide for en bedre åpenhet for myk x-stråler.</li>
	</ol></li>
	<li>Lift-off
	<ol>
<li>Etter at Cospatric av Ti/Au tynnfilm, innlegge prøvene aceton 1t.</li>
		<li>Nå, spray membraner med aceton mens du holder dem med pinsett til overskytende metal er fjernet.</li>
		<li>Hvis det overskytende metallet forblir på prøvene, plassere dem tilbake til begeret med aceton og gjenta. Merk: Hvis et megasonic bad kan brukes til å støtte lift-off prosedyren. Prøvene med Ti/Au waveguide strukturen og justering merker gå gjennom den samme litografi fremgangsmåten for fabrikasjon av magnetiske plater på waveguide.</li>
	</ol></li>
	<li>TiO2 avsetning
	<ol>
<li>Sette inn prøvene waveguide og justering merkene i Atom laget deponering systemet og depositum 20 nm av TiO2 laget for å gjøre den isolerende lag mellom waveguide og plater.</li>
		<li>Bruk Ti forløper Tetrakis (dimethylamido) titanium (TDMAT) og H2O ham TiO2 av oksygen plasma og vokse med en hastighet på 0,51 Aͦ/syklus.</li>
	</ol></li>
	<li>Spin belegg av prøver Merk: Vi brukte et dobbelt lag motstå for å øke kanten kvaliteten av plater. Under e-beam eksponering, bunnen motstå er overdose og etter utviklingen, det gir et raffinert undergrave.<ol>
<li>Prebake prøvene på kokeplate ved 180 ° C i 15 minutter for å fjerne fuktighet.</li>
		<li>Spin coat copolymer motstå ved 4000 rpm for 1 min. Merk: Resulterende film tykkelsen er ca 30 nm.</li>
		<li>Etter bake prøvene på kokeplate ved 180 ° C i 3 minutter å herde resist.</li>
		<li>Spinne pels PMMA 950K motstå ved 4000 rpm for 1 min. Resulterende film tykkelsen er ca 270 nm.</li>
		<li>Etter bake prøvene ved 180 ° C i 3 minutter å herde resist.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronstråle litografi av plater
	<ol>
<li>Opprette andre lithographical mønster av plater i GDS formatet og sende den til e-beam litografi systemet.</li>
		<li>Bruk globale merkene justere UV koordinering systemet til prøven.</li>
		<li>Bruk lokale merkene justere skrive-feltet for å kalibrere skrive-feltets størrelse, rotasjon og Skift å sikre et riktig posisjon av plater på waveguide.</li>
		<li>Utsette plate området til et elektron dose på 220 µC/cm2 til en stråle energi 20 keV. Bruke en stråle strøm av 200-300 pA og en steg størrelse 10 nm for å vise mønsteret.</li>
	</ol></li>
	<li>Kjemisk utvikling
	<ol>
<li>Utvikle eksemplene i en MIBK-baserte utvikleren for 1 min, og følger det med en kork (IPA) til 30 s.</li>
		<li>Skyll prøvene i deionisert vann i 30 s og Føne dem med nitrogen mens du holder dem med pinsett.</li>
	</ol></li>
	<li>Ion-beam spraking avsetning
	<ol>
<li>Sette inn prøvene i ion-beam sputtering systemet.</li>
		<li>Skråstille eksempel holderen ved 30° med hensyn til retning av freste materialet for å avta plater av skygging effekt. Merk: Slissen brukes til å kontrollere bytte vortex sirkulasjon11.</li>
		<li>Sette en 20-50 nm tykk permalloy (Ni80Fe20) laget med en avsetning rate på 0,5 - 0,7 Aͦ/s på en arbeidstrykket på ca 10-5 mbar. Merk: Base trykket bør være 10-7 mbar eller bedre.</li>
	</ol></li>
	<li>Lift-off
	<ol>
<li>Sett prøvene i aceton 1t.</li>
		<li>Nå, spray membraner med aceton mens du holder dem i en tweezer til overskytende metal er fjernet.</li>
		<li>Hvis det overskytende metallet forblir på prøven, plasser prøven tilbake til begeret med aceton og gjenta. Merk: Hvis et megasonic bad kan brukes til å støtte lift-off prosedyren. Vi fikk den endelige strukturen av permalloy plater over en Ti/Au waveguide på en synd membran som vist i figur 5.</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig5.jpg"> Figur 5 : SEM bilde av siste 30 nm tykk og 2 µm bredt permalloy plater på en gull waveguide med justering merker. Eksemplene brukes videre for tid-løst MTXM eksperimenter. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>

<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. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-domain+circular+nanomagnets.">Single-domain circular nanomagnets.</a> Physical Review Letters. 83 (5), 1042-1045 (1999).</li><li>Shinjo, T., Okuno, T., Hassdorf, R., Shigeto, K., Ono, T. <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+core+observation+in+circular+dots+of+Permalloy.">Magnetic vortex core observation in circular dots of Permalloy.</a> Science. 289 (5481), 930-932 (2000).</li><li>Guslienko, K. Y., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetization+reversal+due+to+vortex+nucleation,+displacement,+and+annihilation+in+submicron+ferromagnetic+dot+arrays.">Magnetization reversal due to vortex nucleation, displacement, and annihilation in submicron ferromagnetic dot arrays.</a> Physical Review B. 65, 024414 (2001).</li><li>Guslienko, K. Y., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field+evolution+of+magnetic+vortex+state+in+ferromagnetic+disks.">Field evolution of magnetic vortex state in ferromagnetic disks.</a> Applied Physics Letters. 78 (24), 3848 (2001).</li><li>Schneider, M., Hoffmann, H., Otto, S., Haug, T., Zweck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stability+of+magnetic+vortices+in+flat+submicron+Permalloy+cylinders.">Stability of magnetic vortices in flat submicron Permalloy cylinders.</a> Journal of Applied Physics. 92 (3), 1466-1472 (2002).</li><li>Van Waeyenberge, B., 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+core+reversal+by+excitation+with+short+bursts+of+an+alternating+field.">Magnetic vortex core reversal by excitation with short bursts of an alternating field.</a> Nature. 444, 461-464 (2006).</li><li>Kammerer, 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+core+reversal+by+excitation+of+spin+waves.">Magnetic vortex core reversal by excitation of spin waves.</a> Nature Communications. 2, 279 (2011).</li><li>Guslienko, K. Y., Ivanov, B. A., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eigenfrequencies+of+vortex+state+excitations+in+magnetic+submicron-size+disks.">Eigenfrequencies of vortex state excitations in magnetic submicron-size disks.</a> Journal of Applied Physics. 91 (10), 813-823 (2002).</li><li>Urb&#225;nek, 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=Dynamics+and+efficiency+of+magnetic+vortex+circulation+reversal.">Dynamics and efficiency of magnetic vortex circulation reversal.</a> Physical Review B. 91, 094415 (2015).</li><li>Uhl&#237;&#345;, V., 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=Dynamics+switching+of+the+spin+circulation+in+tapered+magnetic+nanodisks.">Dynamics switching of the spin circulation in tapered magnetic nanodisks.</a> Nature Nanotechnology. 8 (5), 341-346 (2013).</li><li>Jung, H., 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=Logic+operations+based+on+magnetic-vortex-state+networks.">Logic operations based on magnetic-vortex-state networks.</a> ACS Nano. 6 (5), 3712-3717 (2012).</li><li>Hasegawa, N., Sugimoto, S., Fujimori, H., Kondou, K., Niimi, Y., Otani, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+mode+excitation+in+three-chained+magnetic+vortices.">Selective mode excitation in three-chained magnetic vortices.</a> Applied Physics Express. 8 (6), 063005 (2015).</li><li>Wintz, S., 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+cores+as+tunable+spin-wave+emitters.">Magnetic vortex cores as tunable spin-wave emitters.</a> Nature Nanotechnology. 11, 948-953 (2016).</li><li>Hopster, H., Oepen, H. 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. B., Carter, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science. , (2009).</li><li>Seshan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Thin-film Deposition Processes and Techniques. , (2002).</li></ol>

Forfatterne ikke avsløre.

Vi har vist fabrikasjon av prøver for LTEM og MTXM magnetisk microscopies. Disse prøvene må være laget på tynne synd membraner slik at elektronene, LTEM, og de myke røntgenbilder, ved MTXM, kan trenge gjennom prøvene. Disse prøvene kan fremstille ved 1) en positiv motstå litografi eller 2) en negativ motstå litografi.
Vi brukte positiv motstå litografi teknikken fordi den krever mindre utvalg forberedelse og færre fabrikasjon trinn og lar enklere behandling. Det kan også forskeren bruke skygging effekten, som vi brukte for kontrollen for presis plate-figuren (en avsmalnende av en side av platen). Denne formen ble brukt til å styre sirkulasjonen av magnetiske virvlene under nucleation10,11.
Ulempen med denne teknikken er komplisert lift-off prosedyren fordi tynnfilm materialet er noen ganger avsatt på motstå kanten og deretter ikke kan fjernes ved en lift-off. Vi løste problemet ved å bruke en dobbel motstå lag. Dette begrenser litt oppløsning (ca 20 nm) av lithographical men fortsatt nok i forbindelse med magnetiske bildebehandling.
Negativ motstå litografi teknikken tilbyr høyere oppløsning som strukturer med en oppløsning til 7 nm kan skrives inn i motstå. Materialet er deretter etset bort ved våt etsing eller ved ion stråle etsning. Problemet med denne tilnærmingen er at resist er vanskelig å fjerne etter etsning. Brukte oksygen plasma motstå stripping er ikke mulig i tynne permalloy strukturer, som de oksiderer lett. Dette faktum, sammen med behovet for å bruke skygging teknikken, favoriserer positiv litografi prosessen som ble brukt i dette arbeidet.
Vi brukte prøvene utarbeidet av metodene som er beskrevet i dette dokumentet for observasjon av dynamikken i magnetiske virvlene under en sirkulasjon bytter ved en MTXM10,11 og observasjon av ulike nucleation stater17 . Denne kan utvides til flere typer eksperimenter krever lithographically forberedt strukturer på membraner.

Magnetismen av nanostrukturer var intenst studerte de to siste tiårene etter teknologiske trender mot miniatyrisering. Som lateral dimensjonene av strukturer blir mindre og mindre, de magnetiske egenskapene av ferromagnetisk strukturer begynner å bli styrt av strukturen geometrien i tillegg til egenskapene til magnetiske materialet. Virkemåten til forskjellige magnetiske elementer fra bulkgods til microstructures har blitt vurdert i detalj (f.eks Hubert og Schäfer)1. En av de mest kjente eksemplene på ikke-triviell magnetization bakken tilstand er magnetisk virvlene-curling magnetization strukturer forekommer i mikro - og submicron-størrelse tynn magnetiske plater og polygoner. Magnetisering her er curling i-fly rundt en ut-av-plane vortex core2,3. Magnetization reversering av magnetiske virvlene har vært grundig studert i både statiske4,5,6 og dynamisk7,8,9,10 regimer. De mulige anvendelser av magnetiske virvlene er f.eks multi bit minne celler11, logiske kretser12, radiofrekvens enheter13eller spinn-bølge emittere14.
For å bilde en magnetisk vortex og spesielt vortex kjernen, romlig oppløsning mikroskopi teknikken skal være så nær som mulig til grunnleggende magnetiske lengde skalaer (under 10 nm). Lorentz overføring elektronmikroskop15 (LTEM) og magnetiske overføring x-ray mikroskopi16 (MTXM) er velegnet for avbilding av magnetiske virvlene som de tilbyr en høy romlig oppløsning og MTXM tilbyr også en høy timelige oppløsning for magnetisering dynamics studier. Ulempen med disse teknikkene er komplisert eksempel utarbeidelse, som er gjenstand for presentert papiret.
Prosessene presenteres her forklarer fabrikasjon av prøver som brukes for imaging magnetiske virvlene TEM17 og MTXM10,11. Begge teknikkene er overføring karakter, og på grunn av at det er nødvendig å dikte strukturer på tynne membraner. Membraner er vanligvis laget av silicon nitride og deres tykkelse varierer fra titalls nanometer til et par hundre nanometer. Hver av disse to metodene krever en annen støtte ramme geometri. Når det gjelder MTXM, rammen er 5 x 5 mm2 og vinduet er stor, 2 x 2 mm2. TEM er ramme geometri en sirkel på 3 mm i diameter med vindusstørrelsen avhengig av eksperimentet, vanligvis 250 x 250 µm2. Membraner gir ekstra utfordringer vanskeligere eksempel håndtering med risikoen av å bryte windows under alle litografi prosesser.
Fabrikasjon av prøver kan gjøres både positive og negative motstå litografi teknikker18. Positiv motstå litografi prosessen bruker en positiv motstå; den kjemiske strukturen til endres motstå bestråling og delen blir løselig i kjemisk utvikleren. Eksponert område vil vaske bort mens ueksponerte området vil være på underlaget. I tilfelle av en negativ motstå litografi prosess, irradiation beskytter resist og eksponert område vil forbli på underlaget mens ueksponerte området vil vaske bort i kjemisk utvikleren. Begge teknikkene kan brukes til fabrikasjon av prøvene, men vi foretrekker positiv motstå litografi fordi det krever færre fabrikasjon trinn i forhold til negative motstå litografi teknikk. Det er også enklere å håndtere, raskere, og ofte gir bedre resultater.

<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

Electron og x-ray magnetiske microscopies gir høy oppløsning magnetiske imaging til titalls nanometer. Men må prøvene være forberedt på gjennomsiktig membraner som er svært skjøre og vanskelige å manipulere. Vi presenterer prosesser for fabrikasjon av prøver med magnetiske mikro- og nanostrukturer med spin konfigurasjoner danner magnetiske virvlene egnet for Lorentz overføring elektronmikroskop og magnetiske overføring x-ray mikroskopi studier. Prøvene er forberedt på silicon nitride membraner og fabrikasjon består av en spinn belegg, UV og elektronstråle litografi, kjemiske utviklingen av motstå, og fordampning av det magnetisk materialet etterfulgt av en lift-off prosessen danner den siste magnetiske strukturer. Prøvene for Lorentz overføring elektronmikroskop består av magnetiske nanodiscs forberedt på en enkelt litografi. Prøvene for magnetisk x-ray overføring mikroskopi brukes for tid-løst magnetization dynamisk eksperimenter, og magnetisk nanodiscs plasseres på en waveguide som brukes for generering av repeterbare magnetfelt pulser av passerer en elektrisk gjeldende gjennom waveguide. Waveguide opprettes i et ekstra litografi skritt.

Figur 1 viser bildene av synd rammer og membraner brukes for MTXM og LTEM microscopies. Figur 2 viser utformingen av 3D-trykt kortene å holde TEM membran off-aksen under spinn belegg prosess. Figur 3 viser de ulike trinnene i LTEM eksempel utarbeidelsen (etter motstå utvikling og etter lift-off prosedyren) og det endelige bildet observert av LTEM. Figur 4 viser schematics forberedelsene for fabrikasjon av platene og waveguide synd membranen for MTXM gang-løst eksperimenter. Figur 5 viser siste MTXM prøven som inneholder plater på en waveguide.

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques at JoVE.com

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

En protokoll for fabrikasjon av magnetiske mikro- og nanostrukturer med spin konfigurasjoner danner magnetiske virvlene egnet for overføring elektronmikroskop (TEM) og magnetiske overføring x-ray mikroskopi (MTXM) studier er presentert.

Fabrikasjon av magnetiske nanostrukturer på Silicon Nitride membraner for magnetisk Vortex studier med overføring mikroskopi teknikker

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fabrikasjon av ensartede nanoskala hulrom via silisium direkte wafer binding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Fabrikasjon av Gate-tunbare Graphene enheter for scanning tunneling mikroskopi Studier med Coulomb Urenheter

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Phase Diagram Characterization Using Magnetic Beads as Liquid Carriers

Fase Diagram Karakterisering Ved hjelp av magnetiske kuler som flytende bærere

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for ...

Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

Ohmsk Kontakt Fabrication Ved hjelp av en Focused-ion Beam Teknikk og elektrisk karakterisering for Layer Semiconductor nanostrukturer

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

Integrering av Lys Overlappings sølv nanostrukturer i hydrogenert mikrokrystallinsk silisium solceller ved Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Bruk av en Multi-kupé Dynamic enkelt enzym Phantom for studier av Hyperpolariserte magnetisk resonans Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Frequency Mixing Magnetic Detection Scanner for Imaging Magnetic Particles in Planar Samples

Frekvens Blanding Magnetic Detection Scanner for Imaging magnetiske partikler i Planar Samples

The setup of a planar Frequency Mixing Magnetic Detection (p-FMMD) scanner for performing Magnetic Particles Imaging (MPI) of flat samples is presented. ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studerer dynamiske prosesser av Nano store objekter i flytende ved hjelp av skanning transmisjonselektronmikroskopi

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering av Ultra-finkornet og nanocrystalline materialer Bruke Sende Kikuchi Diffraksjon

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Mikroskopi med biasing og fabrikasjon av asymmetriske tverrligger basert på blandet faset a-VOx