Charakterizácia magnetickej vírovej sondy pre MFM

Magnetická silová mikroskopia (MFM) sa etablovala ako štandardná metóda na skúmanie povrchových magnetických textúr veľkého množstva magnetických materiálov.

Princíp MFM je založený na kmitajúcom nosníku, ktorý je zakončený ostrým hrotom pokrytým magnetickým materiálom. Počas skenovania tento magnetický hrot kmitá tesne nad povrchom vzorky, pričom magnetostatické sily medzi hrotom a vzorkou ovplyvňujú fázu a frekvenciu kmitov nosníka. To umožňuje detegovať magnetický profil povrchu vzorky. Zmenšením priemeru špičky hrotu (t.j. zvýšením jeho ostrosti) možno rozlíšenie MFM zlepšiť až na úroveň 10 nm. Takéto super ostré hroty sú však náchylné na deformáciu v prípade, keď hrot narazí na povrch vzorky. V dôsledku toho sa ich magnetický moment mení v čase a hroty môžu byť dokonca zničené. To značne oslabuje ich potenciál na využitie pri kvantitatívnom MFM skenovaní, ktorého cieľom je určiť veľkosti a rozloženie magnetických nábojov na povrchu vzorky.

V našej predchádzajúcej experimentálnej práci sme úspešne demonštrovali nový typ MFM sondy s feromagnetickým diskom umiestneným na jeho špičke. Magnetická štruktúra disku je vo vírivom stave, t.j. väčšina jeho magnetických momentov cirkuluje v rovine okolo stredu disku a vytvára nulové magnetické pole. Len malý zlomok spinov umiestnených v blízkosti stredu disku (označovaného ako vírové jadro) je orientovaný mimo rovinu disku a slúži ako super ostrá magnetická sonda. Keďže priemer disku je relatívne veľký, naša sonda s vírovým jadrom je odolná voči mechanickým deformáciám a zároveň jej magnetické vlastnosti (napr. rozlíšenie) sú podobné komerčným super ostrým hrotom.

Feromagnetický disk je však vyrobený z mäkkého magnetického materiálu (Permalloy), ktorý je citlivý na väčšie magnetické pole zo vzorky a jeho magnetizácia môže byť počas procesu skenovania nežiaduco ovplyvnená. Cieľom tejto práce preto bolo numericky preskúmať limity použitelnosti našej MFM sondy s vírovým jadrom. Na tento účel sme výpočítali MFM skeny typických vzoriek, t.j. izolovaných kruhových domén, magnetických prúžkov a domén v šachovnicovom usporiadaní podobných bitom na pevných diskoch počítača. Naše výsledky ukazujú, že sonda s vírovým jadrom poskytuje spoľahlivý MFM obraz pri skenovaní plochých vzoriek s magnetickými doménami s veľkosťou do 100 nm. Väčšie domény už generujú silnejšie magnetické polia, ktoré spôsobujú, že vo výslednom MFM obraze sa objavia nežiaduce artefakty.

Simulovaný MFM sken štvorcových domén s rôznymi veľkosťami L vyrobený pomocou ideálnej VC sondy. Vpravo: Simulovaný MFM sken rovnakých vzoriek vytvorený VC sondou s mangetizáciou deformovanou magnetickým poľom vzorky.

 

Feilhauer, J., Tóbik, J., Šoltýs, J., and Cambel, V.: Numerical characterization of magnetic vortex probe imaging for magnetic force microscopy, IEEE Trans. Magnet. 59 (2023) 6500210.