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

Это исследование было финансовую поддержку, агентство по субсидированию Чешской Республики (проект № 15-34632 Л) и проекта CEITEC Nano + ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. Изготовление образца и LTEM измерения были проведены в CEITEC Nano исследовательской инфраструктуры (ID LM2015041, Министерство CR, 2016-2019). Dhankhar Мина была поддержана стипендии кандидат Брно талант.

<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>

Авторы не имеют ничего сообщать.

Мы продемонстрировали изготовление образцов для LTEM и MTXM магнитных microscopies. Эти образцы должны быть изготовлены на тонкой мембраны греха, так что электроны, в случае LTEM и мягкого рентгена, в случае MTXM, может проникнуть через образцы. Эти образцы могут быть изготовлены либо путем 1) положительных противостоять литографии 2) отрицательное сопротивление литографии.
Мы использовали технику литографии позитивные сопротивляться, потому что он требует меньше пробоподготовки и меньше изготовление шагов и позволяет легче обрабатывать. Она также позволяет исследователю для использования эффекта тени, который мы использовали для элемента управления shape точное диск (сужающийся одной стороне диска). Эта форма используется для контроля над распространением магнитных вихрей во время зарождения10,11.
Недостатком этого метода является процедура сложная старт потому что тонкопленочных материалов иногда осаждается на краю сопротивляться и затем не могут быть удалены на старт. Мы решили эту проблему с помощью слоя двойной сопротивляться. Это слегка ограничивает разрешение (примерно 20 Нм) lithographical процесса, но остается достаточно для целей магнитной томографии.
Отрицательное сопротивление литографии техника предлагает более высокое разрешение как структуры с разрешением вплоть до 7 Нм могут записываться в сопротивление. Материал затем травления прочь влажные травления или Ион луч травления. Проблема с этим подходом является, что противостоять трудно удалить после протравки. Часто используемые кислорода плазмы противостоять зачистки не возможно в случае тонкой пермалоевые структур, как они очень легко окисляются. Этот факт, а также необходимость использовать метод затенения, выступает за позитивные литографии процесс, который был использован во всей этой деятельности.
Мы использовали образцы, подготовленный методов, описанных в данном документе, для наблюдения за динамикой магнитных вихрей во время циркуляции, переключение на10,MTXM11 и для наблюдения за различными зарождения государств17 . Это может распространяться на несколько видов экспериментов требующих lithographically подготовленные структур на мембранах.

Магнетизм наноструктур изучена интенсивно в последние два десятилетия после технологические тенденции миниатюризации. Как боковые габаритные размеры структуры становятся меньше и меньше, магнитные свойства ферромагнитных структур начинают регулироваться структуры геометрии наряду со свойствами магнитного материала. Поведение различных магнитных элементов из сыпучих материалов микроструктур были рассмотрены в деталях (например, Юбер и Шефер)1. Один из наиболее известных примеров нетривиальных намагниченности земли государства — магнитные вихри керлинг намагниченности структур, происходящих в мкм - и субмикронного размера тонких магнитных дисков и многоугольники. Намагничивание здесь Керлинг в плоскости вокруг вне плоскости вихря core2,3. Реверсирование намагничивания магнитных вихрей подробно изучалось в статические4,5,6 и динамических7,8,9,10 режимы. Возможности применения магнитных вихрей являются, например, многоразрядных памяти клеток11, логические схемы12, радио частоты устройства13или спин волновой излучателей14.
Чтобы магнитный вихрь и особенно основного вихря изображений, пространственное разрешение технику микроскопии должны быть как близко как можно ближе к основным магнитные длина шкалы (менее 10 Нм). Лоренца передачи электронной микроскопии15 (LTEM) и магнитные передачи рентгеновской микроскопии16 (MTXM) являются идеальными кандидатами для визуализации магнитных вихрей, как они предлагают высокое пространственное разрешение и MTXM также предлагает высокий височной резолюция для исследования динамики намагниченности. Недостатком этих методов является сложная пробоподготовка, который является предметом представленный документ.
Процессы, представленные здесь объяснить изготовление образцов, используемых для визуализации магнитных вихрей ТЕА17 и10,MTXM11. Обе методики являются передачи характера и потому, что это необходимо для изготовления конструкций на тонкой мембраны. Мембраны обычно сделаны из нитрида кремния и их толщина колеблется от десятков нанометров до нескольких сотен нанометров. Каждый из этих двух методов требует геометрии рамы другой поддержки. В случае MTXM, кадр-5 x 5 мм2 и окно является большой, 2 x 2 мм2. В случае ТЕА геометрия рамы — это круг 3 мм в диаметре с зависимыми от эксперимента, как правило, 250 x 250 мкм2размер окна. Мембраны принести дополнительные проблемы сложнее пробами с риском нарушения windows процессе литографии.
Изготовление образцов может быть сделано, что положительные и отрицательные сопротивляться литографии методы18. Процесс литографии позитивные противостоять использует положительный сопротивляться; Химическая структура противостоять изменений после облучения и подвергаются часть станет растворим в химических разработчиков. Открытые области смоет а неэкспонированные области останутся на подложке. В случае процесс литографии отрицательное сопротивление облучение твердеет сопротивляться и пострадавшего района будет оставаться на подложке, а неэкспонированные области будет смыть химические разработчик. Обе методы могут быть использованы для изготовления образцов, но мы предпочитаем позитивные противостоять литографии потому, что он требует меньше изготовление шаги по сравнению с отрицательной сопротивляться литографии технику. Это также легче, быстрее и часто обеспечивает лучшие результаты.

<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

Электрон и рентгеновского магнитные microscopies позволяют с высокой разрешающей способностью магнитной томографии вплоть до десятков нанометров. Однако образцы должны быть готовы на прозрачной мембраны, которые являются очень хрупкими и трудно манипулировать. Мы представляем процессов для изготовления образцов с магнитной микро - и наноструктур конфигурации спин, образуя магнитных вихрей подходит для Лоренца просвечивающей электронной микроскопии и магнитные передачи рентгеновской микроскопии исследования. Образцы подготавливаются на мембраны нитрида кремния и изготовления состоит из спин покрытие, УФ и электронно лучевой литографии, химические разработки сопротивляться, и испарения магнитного материала следуют старт процесса формирования Окончательный магнитные структуры. Образцы для Лоренца просвечивающей электронной микроскопии состоят из магнитной nanodiscs, подготовленных в шаге один литографии. Образцы для магнитных рентгеновской микроскопии передачи используются для намагничивания время урегулирован динамических экспериментов, и магнитные nanodiscs размещаются на волновода, который используется для генерации импульсов повторяемые магнитного поля путем передачи электрической ток через волновод. Волновод создается дополнительный литографии шаг.

Рисунок 1 показывает фотографии грех рам и мембран, используется для MTXM и LTEM microscopies. Рисунок 2 показывает дизайн 3D-печати адаптеры провести ТЕА мембраны вне оси во время процесса покрытия спина. Рисунок 3 показывает различные этапы подготовки пробы LTEM (после разработки сопротивляться и после взлета процедуры) и окончательное изображение под наблюдением LTEM. На рисунке 4 показана схема подготовки шаги для изготовления дисков и волновод на грех мембраны для MTXM время решена экспериментов. На рисунке 5 показан окончательный MTXM пример, содержащий диски на волновода.

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

Протокол для изготовления магнитных микро - и наноструктур с конфигурациями спина, образуя магнитных вихрей подходит для просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА) и магнитные передачи рентгеновской микроскопии (MTXM) исследования представлена.

Изготовление магнитных наноструктур на мембраны нитрида кремния магнитный вихревой исследований с использованием методов передачи микроскопии

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

Изготовление однородных наномасштабных полостей с помощью кремниевой прямой вафельной связи

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

Изготовление ворот-перестраиваемых графена устройств для сканирующей туннельной микроскопии исследований с кулоновских примесей

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

Фазовая диаграмма характеристик, используя магнитные шарики в качестве жидких носителей

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

Токопроводящее Изготовление, используя технику сфокусированного ионного пучка и характеристик для Электрические слоя полупроводниковых наноструктур

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

Интеграция легкими прилипания Серебряные наноструктур в гидрогенизированное микрокристаллическая кремниевых солнечных элементов по трансферная печать

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

Использование Multi-купе Dynamic один энзим Phantom для исследований гиперполяризованным магнитно-резонансных агентов

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

Частота Смешивание Магнитный сканер обнаружения для визуализации магнитных частиц в планарных образцах

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