Name: optimizing magnetic force microscopy resolution and sensitivity to visualize nanoscale magnetic domains
Uploaded: 2022-07-20T14:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains at JoVE.com

Все изображения AFM / MFM были выполнены в Лаборатории поверхностных наук Университета штата Бойсе (SSL). Система AFM перчаточного ящика, используемая в этой работе, была приобретена в рамках гранта Национального научного фонда Major Research Instrumentation (NSF MRI) 1727026, который также обеспечивал частичную поддержку PHD, ACP и OOM. Частичная поддержка OOM была также оказана грантом NSF CAREER Под номером 1945650. Исследования в Университете штата Делавэр, включая изготовление и электронную микроскопию, характеризуют искусственные спин-ледяные структуры, были поддержаны Министерством энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отдел материаловедения и инженерии под премией DE-SC0020308. Авторы благодарят докторов Медху Велигатлу и Петера Мюльнера за полезные обсуждения и подготовку образцов Ni-Mn-Ga, показанных здесь, а также д-ра Кори Эфау и Лэнса Паттена за их вклад в стандартную операционную процедуру MFM, в том числе в Дополнительном файле 1.

ПРИМЕЧАНИЕ: В дополнение к приведенному ниже протоколу в качестве дополнительного файла 1 включена подробная пошаговая стандартная операционная процедура (СОП) MFM, относящаяся к используемому здесь прибору и ориентированная на общую визуализацию MFM. Чтобы дополнить видео-час?...

Для каждой линии с помощью изображений MFM с высоким разрешением требуется соответствующее топографическое сканирование с высоким разрешением и высокой точностью. Это топографическое сканирование обычно получается с помощью прерывистого контакта или режима постукивания AFM, в котором...

<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

Магнитно-силовая микроскопия (MFM) позволяет отображать локальные магнитные поля на поверхности образца с наноразмерным разрешением. Для выполнения MFM зонд атомно-силовой микроскопии (AFM), наконечник которого был намагничен вертикально (т.е. перпендикулярен кантилеверу зонда), колеблется на фиксированной высоте над поверхностью образца. Результирующие сдвиги в фазе или частоте колебаний, которые пропорциональны величине и знаку вертикального градиента магнитной силы в каждом месте пикселя, затем отслеживаются и отображаются. Хотя пространственное разрешение и чувствительность метода увеличиваются с уменьшением высоты подъема над поверхностью, этот, казалось бы, простой путь к улучшенным изображениям MFM осложняется такими соображениями, как минимизация топографических артефактов из-за более короткого диапазона сил Ван-дер-Ваальса, увеличение амплитуды колебаний для дальнейшего улучшения чувствительности и присутствие поверхностных загрязнений (в частности, воды из-за влажности в условиях окружающей среды). Кроме того, из-за ориентации магнитного дипольного момента зонда MFM по своей сути более чувствителен к образцам с вектором намагниченности вне плоскости. Здесь представлены топографические и магнитно-фазовые изображения с высоким разрешением одноместных и двухкомпонентных наномагнитных искусственных спин-ледяных (АСИ), полученных в перчаточном ящике инертной (аргоновой) атмосферы с <0,1 ppm O2 и H2O. Обсуждается оптимизация высоты подъема и амплитуды привода для высокого разрешения и чувствительности при одновременном избежании введения топографических артефактов, а также показано обнаружение блуждающих магнитных полей, исходящих от любого конца наноразмерных стержневых магнитов (~250 нм длиной и шириной <100 нм), выровненных в плоскости поверхности образца ASI. Аналогичным образом, используя пример никель-Mn-Ga магнитного сплава с памятью формы (MSMA), MFM демонстрируется в инертной атмосфере с магнитно-фазовой чувствительностью, способной разрешать ряд смежных магнитных доменов шириной ~ 200 нм.

Решетки с искусственным спин-льдом (ASI) Искусственные спиновые льды представляют собой литографически определенные двумерные сети взаимодействующих наномагнитов. Они демонстрируют разочарование по замыслу (т.е. существование многих локальных минимумов в энергетическом ла...

Watch this Scientific Journal Video about Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains at JoVE.com

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

Магнитно-силовая микроскопия (MFM) использует вертикально намагниченный атомно-силовой микроскопический зонд для измерения топографии образца и напряженности локального магнитного поля с наноразмерным разрешением. Оптимизация пространственного разрешения и чувствительности MFM требует балансировки уменьшающейся высоты подъема с увеличением амплитуды привода (колебаний) и преимущества работы в перчаточном ящике в инертной атмосфере.

Оптимизация разрешения и чувствительности магнитно-силовой микроскопии для визуализации наноразмерных магнитных доменов

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

Магнитно-силовая микроскопия, или MFM, использует вертикально намагниченный атомно-силовой микроскопический зонд для измерения топографии образца и напряженности локального магнитного поля с наноразмерным разрешением. Балансируя уменьшающуюся высоту подъема с увеличением амплитуды привода или колебаний, можно оптимизировать пространственное разрешение и чувствительность MFM. Спин-волновые вычислительные приложения искусственных спиновых льдов основаны на знании текстур намагниченности наноэлементов, поскольку они определяют магнонический отклик.MFM высокого разрешения позволяет идентифицировать ледяные состояния глобальной намагниченности. Продемонстрировать эту процедуру будет Оливия Мэрион, нынешний докторант в области материаловедения и инженерии в Государственном университете Бойсе, бывший исследователь AFM для моей лаборатории. Для начала откройте программное обеспечение управления AFM и выберите рабочую область MFM в категории и группе эксперимента «Режимы электрического магнитного подъема».Установите зонд AFM с магнитным покрытием на соответствующий держатель зонда, осторожно поместив держатель зонда на монтажный блок, затем загрузив зонд на держатель зонда, выровняв зонд и закрепив его на месте подпружиненным зажимом. Убедитесь, что зонд расположен параллельно всем краям и не касается задней части канала держателя, осмотрев его под оптическим микроскопом. Осторожно манипулируйте зондом по мере необходимости с помощью пинцета.Намагничьте зонд вертикально с помощью сильного постоянного магнита в течение 2-5 секунд, чтобы магнитная дипольная ориентация наконечника зонда была перпендикулярна образцу. Осторожно снимите головку AFM, заботясь о том, чтобы разрядить любое электростатическое накопление, коснувшись корпуса AFM. Установите зонд и держатель зонда, выровняв отверстия на держателе зонда с контактными штифтами на головке.Переустановите головку на AFM и закрепите ее на месте. Выровняйте лазер по центру консольного зонда MFM и к позиционно-чувствительному детектору. Для оптимальной чувствительности выровняйте лазер на задней части консольного аппарата в месте, соответствующем откату наконечника от дистального конца консольного сустава.Максимизируйте суммарный сигнал на PSD, минимизируя отклонения влево-вправо и вверх-вниз, чтобы центрировать отраженный лазерный луч на детекторе. Поместите образец на вакуумный порт патрона AFM. Избегайте использования магнитного держателя образца, так как это может повлиять на образец и/или помешать измерению MFM.Включите вакуум патрона, чтобы закрепить образец на ступени AFM. Вернитесь к программному обеспечению управления AFM, перейдите в раздел Настройка и выберите выбранный тип зонда. Поместите консоль в фокус и выровняйте перекрестие в поле зрения оптического микроскопа, чтобы расположить его над задней частью консольного наконечника MFM, где расположен наконечник, используя известную ошибку наконечника на основе выбранного зонда.Откройте окно Навигация и расположите этап AFM и образец так, чтобы интересующая область находилась непосредственно под наконечником AFM. Опустите головку AFM до тех пор, пока поверхность образца не попадет в фокус в оптическом виде. Вернитесь в раздел Настройка, выберите Ручная настройка и выполните консольную настройку, выбрав начальную и конечную частоты, которые будут охватывать частоту дизерного пьезопривода в области, выбранной для охвата ожидаемой резонансной частоты выбранного зонда.Выберите смещение частоты привода и амплитуду цели. Затем настройте консоль и установите нужное заданное значение амплитуды. Воздействуйте на поверхность образца и установите желаемый размер сканирования в зависимости от образца и интересующих его особенностей.Увеличивайте заданное значение амплитуды с шагом от одного до двух нанометров до тех пор, пока наконечник просто не потеряет контакт с поверхностью образца, как видно по линиям трассировки и прослеживания, не отслеживающим друг друга в канале датчика высоты. Затем уменьшите заданное значение амплитуды на два-четыре нанометра, чтобы наконечник просто соприкасался с поверхностью образца. Оптимизируйте пропорциональные и интегральные усиления, регулируя их так, чтобы они были достаточно высокими, чтобы заставить систему обратной связи отслеживать топографию поверхности образца при минимизации шума.После того, как параметры топографии AFM будут оптимизированы, отойдите на небольшое расстояние от поверхности и вернитесь в меню настройки зонда. Выполните вторую консольную настройку, которая будет использоваться для получения чередующейся линии MFM режима подъема, убедившись, что результаты этой мелодии отсоединяются от предыдущих параметров основной линии. В параметре режима чередования подъема установите смещение пика равным 0%Выберите начальную и конечную частоты, которые будут охватывать сухую частоту по области, охватывающей резонансную частоту зонда.Отрегулируйте амплитуду цели в режиме чередования подъема, чтобы она была немного меньше амплитуды основной цели. Это обеспечит высокую чувствительность MFM-визуализации без удара о поверхность при использовании низкой высоты подъема для оптимального бокового разрешения. Оставьте консольное окно настройки, чтобы снова включиться на поверхность.Чтобы оптимизировать параметры изображения, установите начальную высоту сканирования подъема на 25 нанометров, а затем постепенно уменьшайте с шагом от двух до пяти нанометров. Как только зонд начнет просто ударяться о поверхность, немедленно увеличьте высоту сканирования, чтобы сохранить наконечник зонда и предотвратить введение топографических артефактов. Увеличивайте амплитуду привода небольшими шагами, соответствующими от двух до пяти нанометров в амплитуде колебаний, пока амплитуда межщелевого привода не превысит амплитуду магистрального привода или зонд не начнет контактировать с поверхностью.Затем немного уменьшите амплитуду привода, чтобы в фазовом канале MFM не было видно всплесков. Продолжайте итеративно оптимизировать высоту сканирования лифта и амплитуду привода, регулируя постепенно уменьшающиеся приращения, пока не будет получено изображение MFM с высоким разрешением, свободное от топографических артефактов. Магнитно-силовая микроскопия используется для изображения двойных границ и отслеживания их движения в ответ на приложенное магнитное поле или силу.Магнитно-фазовые изображения полированного монокристаллического никель-марганцево-галлиевого образца показывают характерную магнитную ориентацию лестницы через двойные границы. Магнитно-фазовое изображение, наложенное в виде цветной кожи поверх 3D-топографии образца, показывает длинное направление переключения магнитных доменов на топографических объектах. Оптимизация пространственного разрешения и чувствительности MFM выигрывает от работы в инертном атмосферном бардачке и требует балансировки уменьшающейся высоты подъема с увеличением привода или амплитуды колебаний.Высокое разрешение, высокая чувствительность MFM имеет решающее значение для изучения базовых конфигураций намагниченности в состояниях искусственного спинового льда, а также может продвинуть быстро развивающуюся область спин-волновых вычислений.

Research

JoVE Journal

Engineering

High-Sensitivity Nuclear Magnetic Resonance at Giga-Pascal Pressures: A New Tool for Probing Electronic and Chemical Properties of Condensed Matter under Extreme Conditions

Высокочувствительный ядерного магнитного резонанса в Giga-Pascal Давление: новый инструмент для исследования электронных и химических свойств конденсированных сред в экстремальных условиях

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the most important techniques for the study of condensed matter systems, their chemical structure, and their ...

Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes

Подготовка и трение силовой микроскопии Измерения НЕСМЕШИВАЮЩЕЙСЯ, противопоставляя полимерные щетки

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low ...

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 ...

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. ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

Высокое разрешение Тепловых Micro-изображения с помощью европия хелата Люминесцентных Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

Субнанометровым Resolution Imaging с амплитудной модуляцией атомно-силовой микроскопии в жидком

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

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

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 ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Измерение случайного перемещения путем объединения магнитной шкалы и двух волтоволоконных гратор Брэгга

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

Enrich and Expand Rare Antigen-specific T Cells with Magnetic Nanoparticles

Обогащать и расширять редких антиген специфические Т-клеток с магнитных наночастиц

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of ...

Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites

Применение агента соединения для улучшения диэлектрических свойств полимерных нанокомпозитов

In this work, an easy, low-cost, and widely applicable method was developed to improve the compatibility between the ceramic fillers and the polymer ...