VII. Методы наблюдения микромагнитных структур

 

На практике форма доменов может сильно отличаться от регулярной формы, отвечающей кристаллографической структуре ферромагнетика. Таким же образом, границы доменов (ДГ) могут принимать многообразные формы. Некоторые из них мы рассмотрим в этой главе. Но сначала мы рассмотрим современные методы, чаще всего используемые при исследовании микромагнитных структур (ММС).

Существует довольно много способов наблюдения ММС. В предыдущей главе мы уже упоминали некоторые из них. В данной главе мы рассмотрим эти и некоторые другие методы более подробно.

 

Метод магнитной суспензии (метод порошковых фигур)

На полированную поверхность образца наносится тонкий слой магнитной суспензии. Частицы суспензии собираются в тех местах, где рассеянное поле наиболее неоднородно, а напряженность его максимальна. Обычно эти места соответствуют выходу ДГ на наблюдаемую в микроскоп поверхность образца, рис.7.1. На рис. 7.2 приведен пример картины доменов, наблюдаемой на поверхности (001) образца состава Fe-4%Si. Линии отмечают ДГ, стрелки – направление намагниченности. Неоднородности в изображении отражают формирование магнитных полюсов на поверхности, соответствующих шероховатости поверхности и неоднородностям состава. Для определения направления намагниченности сознательно делают царапину, как изображено линией в центре рис.7.2. Если силовые линии магнитного поля пересекают царапину, как изображено на рис. 7.3а, то на поверхности царапины формируются полюса, притягивающие магнитные частицы суспензии или порошка и создающие контраст. Если же направление намагниченности параллельно царапине, то полюсов не будет, рис.7.3б, и соответственно контраст будет отсутствовать (пунктир на рис. 7.2). Для определения знака вектора намагниченности на поверхность накладывают иглообразный постоянный магнит, рис.7.4. При этом на поверхности домена создается локальный конусообразный диполь, острие которого указывает направление вектора.

Магнитооптические методы

Магнитооптические методы, основанные на таких эффектах, как эффект Фарадея и эффект Керра, часто используют для анализа ММС.

Эффект Фарадея (M. Faraday, 1845г.) заключатся во вращении плоскости поляризации света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором это вещество находится, рис.7.5а. Показатели преломления для лево- и для правополяризованного света при наличии магнитного поля будут различны, что и вызывает вращение плоскости поляризации и появление эллиптичности линейно поляризованного света. Этот эффект используется для анализа ММС в прозрачных средах. Угол поворота θ=VHl, где V – так называемая постоянная Верде зависит от свойств вещества, длины волны света, и температуры, а l – длина пути света в веществе (толщина образца). Знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота в соответствующее число раз. Эта особенность нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и радиомикроволновых устройств (например, в системах управления излучением).

Эффект Фарадея относят к продольным магнитооптическим эффектам (k || I _s), рис.7.5а. К поперечным магнитооптическим эффектам относят эффект Фогта (или Фойгта, W.Voigt, 1900), еще называемого эффектом Коттона-Мутона (A. Cotton, H. Mouton). В этом случае, направление распространения k ┴ I _s, рис. 7.5б. Наблюдаемые эффекты – вращение плоскости поляризации и возникновение эллиптичности проходящего линейно поляризованного излучения.

Эффект Керра родственен эффекту Фарадея, но в этом случае анализируется поляризация не проходящего, а отраженного излучения. Различают три типа эффекта Керра по взаимной ориентации плоскости рассеяния, поверхности и намагниченности: полярный (намагниченность перпендикулярна поверхности и лежит в плоскости рассеяния, рис.7.6а) меридиональный (намагниченность параллельна поверхности и лежит в плоскости рассеяния, рис.7.6б) и экваториальный (намагниченность параллельна поверхности и перпендикулярна плоскости рассеяния, рис.7.6в). Полярный и меридиональный эффекты являются продольными, а экваториальный – поперечным эффектом. В полярном и меридиональном эффектах Керра наблюдается вращение плоскости поляризации и возникновение эллиптичности линейно-поляризованного света отраженного от магнетика. Экваториальный эффект состоит в изменении интенсивности и сдвиге фазы линейно-поляризованного света, отраженного магнитным кристаллом. При изменении ориентации вектора намагниченности от поперечной к продольной наблюдается также квадратичный по намагниченности эффект изменения интенсивности отраженного света – ориентационный магнитооптический эффект.

На рис.7.7а,б изображена схема наблюдения доменов с использованием полярного эффекта Керра. Свет из источника проходит через поляризатор, а отраженный проходит через анализатор поляризации. Вращение плоскости поляризации происходит в противоположных направлениях, так, что если анализатор настроен на максимум интенсивности по доменам с одной ориентацией намагниченности, то домены с другой ориентацией будут выглядеть темными. Для наблюдения меридиального эффекта, необходимо наклонить луч относительно поверхности таким образом, чтобы вектор намагниченности имел ненулевую составляющую на направление луча.

На рис.7.8 показаны доменные структуры на поверхности MnBi, ориентированной параллельно базовой с-плоскости [1]. Этот компаунд имеет сильную одноосную анизотропию вдоль оси с, и в результате ось легкого намагничения (ОЛН) направлена перпендикулярно поверхности. Доменная структура получена методом Керра. Изображения на рис.7.8а соответствуют наиболее толстому, а на рис.6.8с – наиболее тонкому образцам. Можно заметить, что доменная картина упрощается при уменьшении толщины образца. Это будет пояснено ниже.

Методы просвечивающей электронной микроскопии.

Одним из эффективных способов наблюдения ММС является метод лорентцевской просвечивающей электронной микроскопии (ЛПЭМ). Схема наблюдения изображена на рис. 7.9. Электроны, испускаемые источником в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ), ускоряются до нужной энергии (обычно100-300 кэВ) и, проходя через магнитную тонкую пленку, испытывают воздействие силы Лоренца, F = ( e/c) [vB].

Рис. 7.9. Схема метода лорентцевской просвечивающей электронной микроскопии (а) и ЛПЭМ-изображение доменной стенки (б).

Изменение направления вектора намагниченности B приводит к изменению направления силы Лоренца. Как иллюстрируется на рис. 7.9, электроны, проходящие через пленку в соседних магнитных доменах, отклоняются в разные стороны, что приводит либо к сгущению (сходящийся пучок электронов), либо к ослаблению интенсивности (расходящийся пучок электронов) на экране. Этот простой принцип и лежит в основе ЛПЭМ. Изображение доменной стенки имеет вид параллельных чередующихся темных и светлых интерференционных линий (рис. 7.9б). Контраст возникает в дефокусированном (френелевском, Fresnel) изображении, причем знак контраста меняется при изменении знака дефокусировки. ЛПЭМ - весьма перспективный метод исследования микромагнитной структуры, поскольку сочетается с высоким пространственным разрешением.

В качестве примера, на рис.7.10а приведено изображение ММС со сложной доменной границей типа «колючей проволоки» (cross-ties) магнитной пленки FeZrN, а на рис. 7.10б приведена поясняющая схема формирования этой структуры [2]. Кроме этого виден контраст «ряби» (ripple). Мы вернемся к обсуждению этого типа картин в следующей главе.

Рис. 7.10. ЛПЭМ изображение (а) и схема формирования (б-д) доменной стенки типа «колючей проволоки» и линий Блоха в пленках FeZrN.

 

 

Другим методом ПЭМ исследования микромагнитной структуры является электронная голография, позволяющая наблюдать магнитные силовые линии не только в пленке, но также и вне ее! Принцип работы этого метода поясняется на рис. 7.11. Для получения голографического изображения используют пленку с четким (не изогнутым, не окисленным, не загрязненным) краем, например, краем отверстия в пленке. Образец располагают в пучке таким образом, чтобы часть пучка проходила через отверстие, не задевая пленку. Эта часть пучка («холостой пучок» на рис. 7.11) служит эталоном при сравнении с рабочей частью пучка. Далее пучок формируется объектной и промежуточной линзами, и проходит через устройство, называемое бипризмой по аналогии с оптической бипризмой. Электронная бипризма предназначена для наложения двух пучков, рабочего и эталонного («Холостой пучок» на рис. 7.11). Бипризма представляет собой два заземленных электрода, с положительно заряженной тонкой золотой проволочкой между ними (см. [3,4]). Электроны пучка отклоняются в сторону проволочки и благодаря сдвигу фаз между эталонным и рабочим пучками возникает интерференция, наблюдаемая в плоскости изображения ПЭМ. Высокие требования в этой методике предъявляются к когерентности пучка, для обеспечения которой используется автоионные источники с холодным заостренным катодом.

На рис. 7.12а представлено ЛПЭМ-изображение ММС аморфной пленки (Сo_0.94Fe_0.06)₇₉Si₁₀B₁₁. [5]. Можно видеть несколько границ доменов. А на рис.7.12б – интерференционное изображение этого же участка пленки. Голография содержит информацию не только о реальном изображении, но и о сдвиге фаз электронов, прошедших через различные места пленки. Всдествие взаимодействия «эталонного» и «рабочего» электронных пучков возникает интерференционное изображение, как на рис. 7.12б. Интерференционные линии располагаются параллельно направлению намагниченности в пленке. Поясним это.

В соответствии с квантовой механикой, когда электрон проходит через электромагнитное поле с вектор-потенциалом А, фаза электронной волны получает смещение согласно выражению [6]:

φ/ħ = -(e/ħ)∫ A d s, (7.1)

где ħ – константа Планка, и интегрирование проводится вдоль траектории электрона.

Предположим, что электронные волны P и Q на рис. 7.13, имеющие одинаковую фазу при z = 0, движутся через магнитное поле и попадают в точки P’ и Q’ при z = z₀. Поскольку PQ~P’Q’<<PP’~QQ’, то из (7.1) сдвиг фаз будет равен:

φ/ħ = -(e/ħ)∫_P^P’ A d s + (e/ħ)∫_Q^Q’ A d s = (e/ħ)∫_QQ’P’P A d s = (e/ħ)Ф, (7.2)

где Ф – магнитный поток через контур PP’Q’Q. Сдвиг фазы проходит полный цикл, когда φ/ħ = 2π. Отсюда,

Ф = h/e = 4.1357•10^-15 Вб, (7.3)

что в два раза больше кванта магнитного потока Ф₀=h/2e. Иными словами, если соседние интерференционные линии на рис. 7.12б соответствуют P’ и Q’ на рис. 7.13, то Ф в (7.2) должен быть удвоенным квантом потока.

Предположим, что на рис. 7.14 две электронные волны PP’ и QQ’, проходящие через магнитную пленку толщиной d, образуют две соседние интерференционные линии. Если магнитное поле сконцентрировано только в пленке и магнитная индукция пленки, равна B_s, то

Ф = h/e = ldB_s, (7.4)

где l – расстояние между двумя линиями интерференции. Это расстояние равно

l = h/(edB_s). (7.5)

Или обратно, измеряя расстояние между интерференционными линиями l, можем из (7.5) определить локальное значение магнитной индукции.

Рис. 7. 13. Формирование сдвига фаз между двумя электронными волнами.	Рис. 7.14. Магнитный поток в магнитной тонкой пленке.

Магнитосиловая микроскопия.

В последнее десятилетие интенсивно развивалась сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и атомно-силовая микроскопия (АСМ) как методы исследования поверхности. Вариацией АСМ, приспособленной для исследования микромагнитной структуры, является метод магнитосиловой микроскопии (МСМ), рис.7.15. Магнитосиловая микроскопия (МСМ) является эффективным средством магнитных исследований на субмикронном уровне. Изображения, получаемые с помощью МСМ отображают пространственное распределение некоторых параметров, характеризующих магнитное взаимодействие зонд-образец, т.е. силу взаимодействия, амплитуду колебаний магнитного зонда и пр. Датчик МСМ является обычным кремниевым (или нитрид-кремниевым) датчиком АСМ, покрытым тонкой магнитной пленкой. МСМ измерения позволяют с высоким разрешением исследовать магнитную доменную структуру, проводить запись и считывание информации в магнитной среде, исследовать процессы магнитного перемагничивания и т.д.

Наиболее важной проблемой МСМ является выделение магнитного изображения на фоне изображения рельефа. В одном из вариантов решения этой проблемы магнитные измерения проводятся с использованием двухпроходной методики [7,8]. На первом проходе определяется рельеф с использованием контактного или прерывисто-контатного методов. На втором проходе каждой линии сканирования зонд поднимается на заданную высоту и сканирование осуществляется в соответствии с запомненным на первом проходе рельефом (без обратной связи). В результате на втором проходе расстояние зонд-поверхность поддерживается постоянным (рис. 7.16). Расстояние зонд-поверхность должно быть достаточно большим, чтобы устранить влияние сил Ван-дер-Ваальса, и на зонд действовали только дальнодействующие магнитные силы. С использованием этой методики магнитное изображение и изображение рельефа получаются одновременно.

На втором проходе возможно использование двух методов:

1. Статическая МСМ (СМСМ). При использовании этого метода МСМ (подобно тому, как это делается при использовании контактного метода) регистрируется обусловленное магнитным взаимодействием между зондом и образцом отклонение неколеблющегося кантилевера [9]. Величина магнитной силы, действующей на зонд, может быть получена путем умножения величины отклонения кантилевера на его коэффициент жесткости. Вследствие малого размера магнитного зонда его можно рассматривать как точечный магнитный диполь. В этом приближении сила, действующая на кантилевер на втором проходе может быть представлена в виде [10,11]:

, (7.6)

где - эффективный магнитный момент зонда, _- поле рассеяния образца. Выражение (7.6) является производной энергии магнитного взаимодействия (Зеемана), взятой с обратным знаком.

2. Динамическая МСМ (ДМСМ). На втором проходе для определения параметров магнитной силы используются резонансные колебания кантилевера (как в прерывисто-контактном методе). В этом методе МСМ регистрируется производная магнитной силы [10,11].
В процессе проведения динамической МСМ возможна запись двух сигналов:
a) Амплитуды колебаний кантилевера [10,11,12].
б) Фазового сдвига между колебаниями кантилевера и пьезопривода.
Первый метод (СМСМ) обычно используется для регистрации достаточно сильных магнитных полей, например, полей рассеяния магнитных записывающих головок [9] или полей рассеяния постоянных магнитов. Метод ДМСМ является более чувствительным.

Рис. 7.17 демонстрирует различные методики получения МСМ изображений применительно к жесткому диску. Эти изображения были получены одновременно с использованием трех проходов. На втором проходе измерялись сдвиг фазы и изменения амплитуды колебаний магнитного кантилевера (рис. 7.17 б,в). Эти изображения были получены при Dz=50 нм. На рис. 7.17 г представлено распределение нормального изгиба неколеблющегося кантилевера, которое было получено на третьем проходе при Dz =-5 нм. Знак минус означает, что третий проход осуществлялся ближе к образцу, чем первый проход. Это возможно вследствие того, что для измерения рельефа использовался прерывисто-контактный метод. Амплитуда колебаний кантилевера на первом проходе составляла 40 нм.
Магнитное изображение обладает сильной зависимостью от свойств зонда [13]. Зонды, покрытые магнитно-твердыми материалами, могут влиять на магнитную структуру образца, и наоборот, магнитное поле образца может произвести перемагничивание зонда. Чтобы избежать (или минимизировать) процессы перемагничивания, полезно исключить первый проход. Это может быть осуществлено проведением измерений без обратной связи. В этом случае измерения проводятся при постоянной z-координате сканера. При этом методе не принимается во внимание наклон и рельеф образца. Несмотря на этот недостаток, метод позволяет измерять мягкие магнитные материалы более качественно.

Одной из важных проблем является интерпретация магнитного изображения. Определение истинного распределения намагничивания в образце из МСМ-изображения в общем случае невозможно [14]. Намагничивание образца не может быть однозначно определено из данной картины поля. Попытки такой реконструкции были проведены в [15], [16].

Зонды с относительно жесткими магнитными покрытиями пригодны для большинства образцов. Используются, например, кремниевые зонды или кремниевые зонды вискерного типа с жестким кобальтовым покрытием. Магнитные зондовые датчики с зондами вискерного типа лучше соответствуют приближению модели точечного диполя и обеспечивают лучшее разрешение и интерпретируемость.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: