Name: optimizing magnetic force microscopy resolution and sensitivity to visualize nanoscale magnetic domains
Uploaded: 2022-07-20T14:40:00
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Toutes les images AFM/MFM ont été réalisées au Boise State University Surface Science Laboratory (SSL). Le système AFM de boîte à gants utilisé dans ce travail a été acheté sous le numéro de subvention 1727026 de la National Science Foundation Major Research Instrumentation (NSF MRI), qui a également fourni un soutien partiel pour les doctorats, les ACP et les OOM. Un soutien partiel pour OOM a également été fourni par NSF CAREER Grant Number 1945650. La recherche à l’Université du Delaware, y compris la fabrication et la caractérisation en microscopie électronique de structures artificielles de spin-glace, a été soutenue par le Département de l’énergie des États-Unis, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering sous le prix DE-SC0020308. Les auteurs remercient les Drs Medha Veligatla et Peter Müllner pour leurs discussions utiles et la préparation des échantillons Ni-Mn-Ga présentés ici, ainsi que le Dr Corey Efaw et Lance Patten pour leurs contributions à la procédure opérationnelle normalisée MFM, y compris dans le dossier supplémentaire 1.

REMARQUE : En plus du protocole ci-dessous, une procédure opérationnelle normalisée (PON) MFM détaillée, étape par étape, spécifique à l’instrument utilisé ici et orientée vers l’imagerie MFM générale, est incluse dans le dossier supplémentaire 1. Pour compléter la partie vidéo de ce manuscrit, la POS comprend des images du porte-sonde, de la procédure de magnétiseur et d’aimantation de pointe, des paramètres logiciels, etc.
1. Préparation et in...

L’imagerie MFM haute résolution nécessite l’acquisition préalable d’un balayage topographique haute résolution et haute fidélité correspondant pour chaque ligne. Ce balayage topographique est généralement obtenu par contact intermittent ou mode de tapotement AFM, qui utilise un système de rétroaction de modulation d’amplitude pour imager la topographie de l’échantillon47. La fidélité du balayage topographique peut être optimisée en ajustant le point de consigne d’amplitu...

La microscopie à force magnétique (MFM), un dérivé de la microscopie à sonde à balayage (SPM) de la microscopie à force atomique (AFM), permet d’imager les forces magnétiques relativement faibles mais à longue portée subies par une pointe de sonde magnétisée lorsqu’elle se déplace au-dessus d’une surface d’échantillon 1,2,3,4,5. L’AFM est une technique de caractérisation non destructive qui utilise une pointe à l’échelle nanométrique à l’extrémité d’un porte-à-faux souple pour cartographier la topographiede surface 6 ainsi que mesurer les propriétés des matériaux (par exemple, mécaniques, électriques et magnétiques) 7,8,9 avec une résolution à l’échelle nanométrique. La déviation du porte-à-faux due aux interactions d’intérêt entre la pointe et l’échantillon est mesurée par réflexion d’un laser à l’arrière du porte-à-faux et dans une photodiode sensible à la position10. L’imagerie haute résolution des propriétés magnétiques locales d’un matériau via MFM offre l’occasion unique de caractériser l’intensité et l’orientation du champ magnétique dans de nouveaux matériaux, structures et dispositifs à l’échelle nanométrique 4,5,11,12,13,14,15,16,17 . Pour effectuer MFM, une sonde AFM dont la pointe a été magnétisée verticalement (c’est-à-dire perpendiculairement à la sonde cantilever et à la surface de l’échantillon) oscille mécaniquement à sa fréquence de résonance naturelle à une hauteur fixe au-dessus de la surface de l’échantillon. Les changements résultants de l’amplitude de l’oscillation (moins sensibles, et donc moins fréquents), de la fréquence ou de la phase (décrits ici) sont ensuite surveillés pour mesurer qualitativement l’intensité du champ magnétique. Plus précisément, la modulation de fréquence MFM produit une carte des décalages de la fréquence ou de la phase d’oscillation, proportionnelle à l’amplitude et au signe du gradient de force magnétique subi par la sonde. Afin de maintenir une hauteur constante au-dessus de l’échantillon pendant les mesures MFM, un mode de fonctionnement en double passage est généralement utilisé. La topographie de l’échantillon est d’abord cartographiée à l’aide de techniques AFM standard, suivies d’une imagerie MFM entrelacée de chaque ligne de balayage séquentielle à une hauteur de levage déterminée par l’utilisateur (des dizaines à des centaines de nm) de la surface de l’échantillon. L’utilisation d’un tel mode d’acquisition à double passe entrelacée permet de séparer les interactions de van der Waals à courte portée utilisées pour cartographier la topographie des forces magnétiques relativement à plus longue portée rencontrées lors de la passe en mode de levage entrelacé. Cependant, la résolution spatiale MFM augmente avec la diminution de la hauteur de levage18, de sorte qu’il existe une tension inhérente entre l’augmentation de la résolution MFM et l’évitement des artefacts topographiques dus aux forces de van der Waals. De même, la sensibilité MFM est proportionnelle à l’amplitude d’oscillation pendant le passage en mode de levage, mais l’amplitude d’oscillation maximale admissible est limitée par la hauteur de levage et les changements rapides de la topographie de l’échantillon (c.-à-d. caractéristiques de rapport d’aspect élevé).
Des études récentes ont mis en évidence la richesse des possibilités associées à l’application du nanomagnétisme et de la nanomagnonique, développés via des structures de spin-glace artificielle (ASI) et des cristaux magnoniques, en tant que dispositifs fonctionnels pour la logique, le calcul, le cryptage et le stockage de données 19,20,21,22 . Composés de nanoaimants disposés en formations de réseau étendues distinctes, les spins artificiels présentent des dipôles magnétiques émergents ou des monopôles qui peuvent être contrôlés par un stimulus externe 19,20,23,24,25. En général, les ASI favorisent une configuration de moment qui minimise l’énergie (par exemple, dans un ASI carré bidimensionnel (2D), deux moments pointent dans et deux points hors de chaque sommet), les micro-états de basse énergie suivant des règles analogues aux matériaux cristallinsspin-glace 21,26,27,28 . De même, une étude récente basée sur la MFM a démontré un système de réseau ASI tridimensionnel (3D) construit à partir de spins de terres rares situés sur des tétraèdres partageant des coins, où deux spins pointent vers le centre du tétraèdre et deux spins pointent, résultant en deux dipôles magnétiques égaux et opposés et donc une charge magnétique nette nulle aux centres des tétraèdres23 . Selon l’alignement d’un champ magnétique appliqué par rapport à la surface de l’échantillon, des différences significatives dans l’ordre magnétique et la longueur de corrélation ont été observées. L’alignement et le contrôle des dipôles ASI justifient donc une enquête plus approfondie. Les méthodes de mesure des distributions de champ magnétique ASI comprennent l’utilisation d’un spectromètre de bruit magnéto-optique29 ou d’une microscopie électronique à photoémission de dichroïsme circulaire à rayons X (XMCD-PEEM)25; cependant, pour obtenir des résolutions spatiales égales ou supérieures à celle de MFM avec XMCD-PEEM, des longueurs d’onde extrêmement courtes (c’est-à-dire des rayons X de haute énergie) sont nécessaires. MFM offre une technique de caractérisation beaucoup plus simple qui ne nécessite pas l’exposition des échantillons à des rayons X de haute énergie potentiellement nocifs. De plus, MFM a été utilisé non seulement pour caractériser les micro-états ASI21,23,27, mais aussi pour l’écriture magnétique pilotée par des défauts topologiques à l’aide de pointes de moment magnétique élevé30. Par conséquent, MFM peut jouer un rôle essentiel dans l’avancement de la recherche et du développement de l’ASI, en particulier grâce à sa capacité de corréler la topographie de l’échantillon avec l’intensité et l’orientation du champ magnétique, révélant ainsi les dipôles magnétiques associés à des caractéristiques topographiques spécifiques (c.-à-d. les éléments de réseau ASI).
La MFM haute résolution fournit également un aperçu significatif de la relation entre la structure des alliages ferromagnétiques à mémoire de forme et leurs propriétés magnétomécaniques à l’échelle nanométrique 14,17,31,32,33. Les alliages ferromagnétiques à mémoire de forme, communément appelés alliages à mémoire de forme magnétique (MSMA), présentent des déformations importantes (jusqu’à 12%) induites par le champ magnétique, transportées par un mouvement limite double 29,33,34,35. Les techniques MFM ont été utilisées pour étudier les relations complexes entre le jumelage pendant la déformation et la transformation martensitique, l’indentation, la déformation des micropiliers et les réponses magnétiques à l’échelle nanométrique des MSMA15,16,17,36. Il convient de noter en particulier que MFM a été combiné avec la nanoindentation pour créer et lire une mémoire magnétomécanique à quatre états à l’échelle nanométrique17. De même, les technologies d’enregistrement magnétique de nouvelle génération sont mises au point par l’enregistrement magnétique assisté par chaleur (HAMR), qui permettent d’atteindre des densités linéaires de 1975 kBPI et des densités de voie de 510 kTPI37. L’augmentation de la densité surfacique requise pour permettre un stockage de données plus important et plus compact a entraîné une réduction significative du pas de piste défini des technologies HAMR, accentuant le besoin d’imagerie MFM haute résolution.
En plus des ASI et des MSMA, MFM a été utilisé avec succès pour caractériser diverses nanoparticules magnétiques, nanoréseaux et autres types d’échantillons magnétiques 3,38,39. Cependant, la résolution et la sensibilité MFM finales sont limitées à la fois par des éléments indépendants de la volonté de l’utilisateur (par exemple, l’électronique de détection AFM, la technologie de sonde MFM, la physique sous-jacente, etc.) et par le choix des paramètres d’imagerie et de l’environnement. Pendant ce temps, la taille des caractéristiques des dispositifs magnétiques continue de diminuerde 40,41, créant des domaines magnétiques plus petits, rendant ainsi l’imagerie MFM de plus en plus difficile. De plus, les dipôles magnétiques d’intérêt ne sont pas toujours orientés hors plan, parallèlement au vecteur d’aimantation de la sonde. L’imagerie à haute résolution des champs parasites émanant des extrémités des dipôles orientés dans le plan ou presque dans le plan, comme c’est le cas dans les structures ASI montrées ici, nécessite une plus grande sensibilité. L’obtention d’images MFM à haute résolution, en particulier de tels échantillons magnétisés dans le plan composés de domaines magnétiques à l’échelle nanométrique, dépend donc du choix approprié de la sonde MFM (par exemple, épaisseur, coercivité et moment du revêtement magnétique, ce qui peut parfois aller à l’encontre de l’amélioration de la sensibilité ou de la résolution latérale18 ou de la préservation de l’alignement magnétique de l’échantillon30 ), les paramètres d’imagerie (p. ex., hauteur de levage et amplitude d’oscillation, comme mentionné ci-dessus, ainsi que réduction de l’usure du revêtement de la pointe pendant l’imagerie des lignes topographiques) et la qualité de l’échantillon (p. ex. rugosité et contamination de la surface, y compris le polissage des débris ou de l’eau de surface en raison de l’humidité ambiante). En particulier, la présence d’eau adsorbée sur la surface de l’échantillon en raison de l’humidité ambiante peut introduire de fortes forces de van der Waals qui peuvent interférer de manière significative avec la mesure des forces magnétiques et limiter la hauteur de levage minimale réalisable pour les mesures MFM. Le fonctionnement MFM dans une boîte à gants à atmosphère inerte élimine presque tous les contaminants de surface, ce qui permet des hauteurs de levage plus basses et une résolution plus élevée associées à une plus grande sensibilité. En conséquence, dans les exemples présentés ici, un système AFM logé dans une boîte à gants à atmosphère inerte personnalisée remplie d’argon (Ar) contenant <0,1 ppm d’oxygène (O 2)et d’eau (H2 O) a été utilisé pour permettre des hauteurs de levage extrêmement basses (jusqu’à 10 nm). Cela permet ensuite une imagerie MFM à haute résolution exquise capable de résoudre des domaines magnétiques alternatifs de <200 nm de large dans un jumeau cristallographique plus grand et des dipôles magnétiques (aimants à barres nanométriques) <100 nm de large et ~250 nm de long.
Cet article explique comment acquérir des images MFM haute résolution et haute sensibilité en combinant l’utilisation d’une boîte à gants à atmosphère inerte avec une préparation minutieuse des échantillons et un choix optimal des paramètres d’imagerie. Les méthodes décrites sont particulièrement utiles pour l’imagerie des dipôles orientés dans le plan, qui sont traditionnellement difficiles à observer, et donc des images MFM haute résolution exemplaires sont présentées à la fois de cristaux de MSMA Ni-Mn-Ga présentant des domaines magnétiques distincts à l’échelle nanométrique dans des jumeaux cristallographiques et à travers les limites jumelles, ainsi que des réseaux ASI nanomagnétiques fabriqués avec une orientation dipôle magnétique dans le plan. Les chercheurs d’une grande variété de domaines désirant l’imagerie MFM à haute résolution peuvent bénéficier considérablement de l’utilisation du protocole décrit ici, ainsi que de la discussion des défis potentiels tels que les artefacts topographiques.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atomic force microscope</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Dimension Icon</td>
			<td>Uses Nanoscope control software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glovebox, inert atmosphere</td>
			<td>MBraun</td>
			<td>LabMaster Pro MB200B + MB20G gas purification unit</td>
			<td>Custom design (leaktight electrical feedthroughs, vibration isolation, acoustical noise and air current minimization, etc.) and depth for use with Bruker Dimension Icon AFM, 3 gloves, argon atmosphere</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MFM probe</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>MESP</td>
			<td>k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 35 nm, 400 Oe coercivity, 1 x 10-13 EMU moment. An improved version with tighter specifications, the MESP-V2, is now available. We have also used Bruker&#39;s MESP-RC (2x higher resonance frequency than the standard MESP, f0 = 150 kHz, with a marginally stiffer nominal spring constant of 5 N/m) and other MESP variants designed for low (0.3 x 10-13 EMU) or high (3 x 10-13 EMU) moment (i.e., MESP-LM or MESP-HM, respectively) or coercivity. A variety pack of 10 probes containing 4x regular MESP, 3x MESP-LM, and 3x MESP-HM variants is available from Bruker as MESPSP. Other vendors also manufacture MFM probes with specifications similar to the MESP (e.g., PPP-MFMR from Nanosensors, also available in a variety of variants, including -LC for low coercivity, -LM for low moment, and SSS for &#34;super sharp&#34; decreased tip radius; MAGT from AppNano, available in low moment [-LM] and high moment [-HM] variants). Similarly, Team Nanotec offers a line of high resolution MFM probes (HR-MFM) with several options in terms of cantilever spring constant and magnetic coating thickness.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MFM test sample</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>MFMSAMPLE</td>
			<td>Section of magnetic recording tape mounted on a 12 mm diameter steel puck; useful for troubleshooting and ensuring the MFM probe is magnetized and functioning properly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanscope Analysis</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Version 2.0</td>
			<td>Free AFM image processing and analysis software package, but proprietary, designed for, and limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe holder</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>DAFMCH or DCHNM</td>
			<td>Specific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder, suitable for most MFM applications, while DCHNM is a special nonmagnet version for particularly sensitive MFM imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe magnetizer</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>DMFM-START</td>
			<td>MFM &#34;starter kit&#34; designed specifically for the Dimension Icon AFM; includes 1 box of 10 MESP probes (see above), a probe magnetizer (vertically aligned, ~2,000 Oe magnet in a mount designed to accommodate the DAFMCH or DCHNM probe holder, above), and a magnetic tape sample (MFMSAMPLE, above)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample Puck</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16218</td>
			<td>Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope (SEM)</td>
			<td>Zeiss Merlin</td>
			<td>Gemini II</td>
			<td>SEM parameters: 5 keV accelaration voltage, 30 pA electron current, 5 mm working distance. Due to nm scale ASI lattice features, the aperture and stigmation alignment were adjusted before acquisition to produce high quality images.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimizing magnetic force microscopy resolution and sensitivity to visualize nanoscale magnetic domains

La microscopie à force magnétique (MFM) permet de cartographier les champs magnétiques locaux sur une surface d’échantillon avec une résolution à l’échelle nanométrique. Pour effectuer MFM, une sonde de microscopie à force atomique (AFM) dont la pointe a été magnétisée verticalement (c’est-à-dire perpendiculaire au porte-à-faux de la sonde) oscille à une hauteur fixe au-dessus de la surface de l’échantillon. Les changements résultants dans la phase ou la fréquence d’oscillation, qui sont proportionnels à l’amplitude et au signe du gradient de force magnétique vertical à chaque emplacement de pixel, sont ensuite suivis et cartographiés. Bien que la résolution spatiale et la sensibilité de la technique augmentent avec la diminution de la hauteur de levage au-dessus de la surface, ce chemin apparemment simple vers des images MFM améliorées est compliqué par des considérations telles que la minimisation des artefacts topographiques dus aux forces de van der Waals à plus courte portée, l’augmentation de l’amplitude d’oscillation pour améliorer encore la sensibilité et la présence de contaminants de surface (en particulier l’eau due à l’humidité dans les conditions ambiantes). De plus, en raison de l’orientation du moment dipolaire magnétique de la sonde, MFM est intrinsèquement plus sensible aux échantillons avec un vecteur d’aimantation hors plan. Ici, des images topographiques et de phases magnétiques à haute résolution de réseaux de spin-glace artificielle (ASI) à nanoaimant unique et bicomposant obtenues dans une boîte à gants à atmosphère inerte (argon) avec <0,1 ppm O 2 etH2 O sont rapportées. L’optimisation de la hauteur de levage et de l’amplitude de l’entraînement pour une résolution et une sensibilité élevées tout en évitant simultanément l’introduction d’artefacts topographiques est discutée, et la détection des champs magnétiques parasites émanant de chaque extrémité des aimants à barre nanométrique (~ 250 nm de long et <100 nm de large) alignés dans le plan de la surface de l’échantillon ASI est montrée. De même, en utilisant l’exemple d’un alliage à mémoire de forme magnétique Ni-Mn-Ga (MSMA), MFM est démontré dans une atmosphère inerte avec une sensibilité de phase magnétique capable de résoudre une série de domaines magnétiques adjacents chacun ~200 nm de large.

Treillis artificiels de spin-glace (ASI) Les spin ices artificiels sont des réseaux bidimensionnels lithographiquement définis de nanoaimants en interaction. Ils manifestent de la frustration par conception (c.-à-d. l’existence de nombreux minima locaux dans le paysage énergétique)21,42,43. L’imagerie MFM haute résolution pour élucider les configurations magnétiques et les interactions entre les c...

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Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains

La microscopie à force magnétique (MFM) utilise une sonde de microscopie à force atomique magnétisée verticalement pour mesurer la topographie de l’échantillon et l’intensité du champ magnétique local avec une résolution à l’échelle nanométrique. L’optimisation de la résolution spatiale et de la sensibilité MFM nécessite d’équilibrer la diminution de la hauteur de levage par rapport à l’augmentation de l’amplitude d’entraînement (oscillation), et les avantages d’un fonctionnement dans une boîte à gants à atmosphère inerte.

Optimisation de la résolution et de la sensibilité de la microscopie à force magnétique pour visualiser les domaines magnétiques à l’échelle nanométrique

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force ...

La microscopie à force magnétique, ou MFM, utilise une sonde de microscopie à force atomique magnétisée verticalement pour mesurer la topographie de l’échantillon et l’intensité du champ magnétique local avec une résolution à l’échelle nanométrique. En équilibrant la diminution de la hauteur de levage avec l’augmentation de l’amplitude d’entraînement ou d’oscillation, la résolution spatiale et la sensibilité MFM peuvent être optimisées. Les applications informatiques des spin-wave des glaces de spin artificielles reposent sur la connaissance des textures d’aimantation des nanoéléments lorsqu’elles déterminent la réponse magnonique.La MFM haute résolution permet d’identifier les états d’aimantation globale glaciale. Olivia Maryon, actuellement doctorante en science et ingénierie des matériaux à la Boise State University, ancienne chercheuse de premier cycle de l’AFM pour mon laboratoire, fera la démonstration de la procédure. Pour commencer, ouvrez le logiciel de contrôle AFM et sélectionnez l’espace de travail MFM dans la catégorie et le groupe d’expériences Modes de levage magnétique électrique.Montez une sonde AFM avec un revêtement magnétique sur un support de sonde approprié en plaçant soigneusement le support de sonde sur un bloc de montage, puis en chargeant la sonde sur le support de sonde, en alignant la sonde et en la fixant en place avec un clip à ressort. Assurez-vous que la sonde est parallèle à tous les bords et qu’elle ne touche pas l’arrière du canal du support en l’inspectant au microscope optique. Manipulez délicatement la sonde si nécessaire avec une pince à épiler.Magnétiser la sonde verticalement à l’aide d’un aimant puissant et permanent pendant 2 à 5 secondes afin que l’orientation dipolaire magnétique de la pointe de la sonde soit perpendiculaire à l’échantillon. Retirez délicatement la tête AFM tout en prenant soin de décharger toute accumulation électrostatique en touchant le boîtier AFM. Installez la sonde et le support de sonde en alignant les trous du porte-sonde avec les broches de contact sur la tête.Réinstallez la tête sur l’AFM et fixez-la en place. Alignez le laser sur le centre du porte-à-faux de la sonde MFM et sur le détecteur sensible à la position. Pour une sensibilité optimale, alignez le laser à l’arrière du porte-à-faux à l’emplacement correspondant au recul de la pointe par rapport à l’extrémité distale du porte-à-faux.Maximisez le signal de somme sur le PSD tout en minimisant les déviations gauche-droite et haut-bas pour centrer le faisceau laser réfléchi sur le détecteur. Placez l’échantillon sur l’orifice d’aspiration du mandrin AFM. Évitez d’utiliser un porte-échantillon magnétique, car cela pourrait affecter l’échantillon et/ou interférer avec la mesure MFM.Allumez l’aspirateur de mandrin pour fixer l’échantillon à l’étape AFM. Revenez au logiciel de contrôle AFM, allez dans Configuration et sélectionnez le type de sonde choisi. Mettez le porte-à-faux au point et alignez le réticule dans la vue du microscope optique à positionner à l’arrière du porte-à-faux de la sonde MFM où se trouve la pointe en utilisant le recul connu de la pointe en fonction de la sonde sélectionnée.Ouvrez la fenêtre Naviguer et positionnez l’étage AFM et l’échantillon de sorte que la région d’intérêt se trouve directement sous la pointe AFM. Abaissez la tête AFM jusqu’à ce que la surface de l’échantillon soit mise au point dans la vue optique. Revenez à Configuration, sélectionnez Réglage manuel et effectuez un réglage en porte-à-faux en choisissant les fréquences de début et de fin qui balayeront la fréquence piézoélectrique du tramage sur une région choisie pour couvrir la fréquence de résonance attendue de la sonde sélectionnée.Choisissez un décalage de fréquence d’entraînement et une amplitude cible. Réglez ensuite le porte-à-faux et définissez le point de consigne d’amplitude souhaité. Engagez-vous sur la surface de l’échantillon et définissez la taille de numérisation souhaitée en fonction de l’échantillon et des caractéristiques d’intérêt.Augmentez le point de consigne d’amplitude par incréments d’un à deux nanomètres jusqu’à ce que la pointe perde tout contact avec la surface de l’échantillon, comme le montrent les lignes de traçage et de retraçage qui ne se suivent pas dans le canal du capteur de hauteur. Ensuite, diminuez le point de consigne d’amplitude de deux à quatre nanomètres afin que la pointe soit juste en contact avec la surface de l’échantillon. Optimisez les gains proportionnels et intégraux en les ajustant de manière à ce qu’ils soient suffisamment élevés pour forcer le système de rétroaction à suivre la topographie de la surface de l’échantillon tout en minimisant le bruit.Une fois que les paramètres d’imagerie topographique AFM ont été optimisés, retirez-vous à une courte distance de la surface et revenez au menu de réglage de la sonde. Effectuez un deuxième réglage en porte-à-faux à utiliser pour acquérir la ligne MFM en mode de levage entrelacé, en veillant à dissocier les résultats de cette mélodie des paramètres de la ligne principale précédente. Dans la règle du mode de levage entrelacé, réglez le décalage de crête sur 0 %Choisissez les fréquences de début et de fin qui balayeront la fréquence sèche sur une région couvrant la fréquence de résonance de la sonde.Ajustez l’amplitude cible du mode de levage entrelacé pour qu’elle soit légèrement inférieure à l’amplitude cible de la ligne principale. Cela permettra une imagerie MFM haute sensibilité sans heurter la surface lors de l’utilisation de faibles hauteurs de levage pour une résolution latérale optimale. Laissez la fenêtre de réglage en porte-à-faux se réengager sur la surface.Pour optimiser les paramètres d’imagerie, réglez la hauteur initiale du balayage de levage sur 25 nanomètres, puis diminuez progressivement par incréments de deux à cinq nanomètres. Une fois que la sonde commence à frapper la surface, augmentez immédiatement la hauteur de balayage pour préserver la pointe de la sonde et empêcher l’introduction d’artefacts topographiques. Augmentez l’amplitude de l’entraînement par petits incréments correspondant à deux à cinq nanomètres d’amplitude d’oscillation jusqu’à ce que l’amplitude de l’entraînement entrelacé dépasse l’amplitude de l’entraînement de la ligne principale ou que la sonde commence à entrer en contact avec la surface.Réduisez ensuite légèrement l’amplitude de l’entraînement afin qu’aucun pic ne soit observé dans le canal de phase MFM. Continuez à optimiser de manière itérative la hauteur de balayage de levage et l’amplitude du lecteur en ajustant par incréments progressivement plus petits jusqu’à ce qu’une image MFM haute résolution exempte d’artefacts topographiques soit obtenue. La microscopie à force magnétique est utilisée pour imager les limites jumelles et suivre leur mouvement en réponse à un champ ou à une force magnétique appliqué.Les images en phase magnétique de l’échantillon monocristallin poli de nickel-manganèse-gallium montrent l’orientation magnétique caractéristique du marchepied d’escalier à travers les limites jumelles. L’image de phase magnétique superposée sous la forme d’une peau colorée au-dessus de la topographie 3D de l’échantillon montre la longue direction des domaines magnétiques commutant au niveau des caractéristiques topographiques. L’optimisation de la résolution spatiale et de la sensibilité MFM tire profit du fonctionnement dans une boîte à gants atmosphérique inerte et nécessite un équilibre entre la diminution de la hauteur de levage et l’augmentation de l’amplitude d’entraînement ou d’oscillation.La MFM haute résolution et haute sensibilité est cruciale pour étudier les configurations d’aimantation sous-jacentes dans les états de glace de spin artificiel et pourrait également faire progresser le domaine en développement rapide de l’informatique à ondes de spin.

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