Принцип действия магнитно-силового микроскопа (АСМ). Квазистатические методики в МСМ

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Принцип действия магнитно-силового микроскопа (АСМ). Квазистатические методики в МСМ

Содержание

2. Лекция 22 Слайд 2 Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) был изобретен И. Мартином и К. Викрамасингхом в 1987
3. Лекция 22 Слайд 3 В общем случае описание взаимодействия зонда МСМ с полем образца H(r) представляет
4. Лекция 22 Слайд 4 В общем случае магнитный момент зонда МСМ можно представить как суперпозицию диполей
5. Лекция 22 Слайд 5 Полная энергия магнитного взаимодействия зонда и образца в соответствие с предыдущим рисунком
6. Лекция 22 Слайд 6 Квазистатические методики Для образцов, имеющих слабо развитый рельеф поверхности. МСМ изображение поверхности
7. Лекция 22 Слайд 7 Для исследований магнитных образцов с сильно развитым рельефом поверхности применяется двухпроходная методика.
8. Лекция 22 Слайд 8 Расстояние z0 выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была меньше силы магнитного
9. Лекция 22 Слайд 9 Колебательные методики Применение колебательных методик в магнитно-силовой микроскопии позволяет реализовать большую (по
10. Лекция 22 Слайд 10 Для получения МСМ изображения поверхности используется двухпроходная методика. С помощью пьезовибратора возбуждаются
11. Лекция 22 Слайд 11 Изменения амплитуды и сдвиг фазы колебаний, связанные с вариациями градиента силы, при
12. Лекция 22 Слайд 12 МСМ изображения поверхности магнитного диска. (а) – АСМ изображение рельефа поверхности; (б)
13. Лекция 22 Слайд 13 МСМ изображение массива магнитных наночастиц, сформированных методом интерференционного лазерного отжига пленок Fe-Cr
14. Лекция 22 Слайд 14 Недостатком контактных АСМ методик является непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это
15. Лекция 22 Слайд 15 Точное описание колебаний кантилевера зондового датчика АСМ представляет собой весьма сложную математическую
16. Лекция 22 Слайд 16 Если пьезовибратор совершает гармонические колебания u = u0cosωt с частотой ω, тогда
17. Лекция 22 Слайд 17 Разделив уравнение на m и введя параметр добротности системы Q = ω0m/γ,
18. Лекция 22 Слайд 18 В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1
19. Лекция 22 Слайд 19 Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой
21. Скачать презентацию

Слайд 2

Лекция 22 Слайд 2
Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) был изобретен И. Мартином и К.

Викрамасингхом в 1987 г. для исследования локальных магнитных свойств образцов. Данный прибор представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала с удельной намагниченностью M(r).
Принцип действия МСМ

Слайд 3

Лекция 22 Слайд 3
В общем случае описание взаимодействия зонда МСМ с полем

образца H(r) представляет собой достаточно сложную задачу. В качестве простейшей модели рассмотрим зонд МСМ в виде одиночного магнитного диполя, характеризующегося магнитным моментом μ.
Потенциальная энергия такой системы
U = –μH.
В поле H на магнитный диполь действует сила
f = –gradU
и момент сил
N = [μH].
В однородном магнитном поле сила f = 0, так что на диполь действует лишь момент сил, который разворачивает магнитный момент μ вдоль поля. В неоднородном поле диполь втягивается в область с большей напряженностью H.

Слайд 4

Лекция 22 Слайд 4
В общем случае магнитный момент зонда МСМ можно представить

как суперпозицию диполей вида M(r)dV, где M(r) – удельная намагниченность магнитного покрытия.
Взаимодействие зонда МСМ с магнитным полем образца

Слайд 5

Лекция 22 Слайд 5
Полная энергия магнитного взаимодействия зонда и образца в соответствие

с предыдущим рисунком может быть представлена в следующем виде:
где интегрирование проводится по магнитному слою зонда.
Отсюда сила взаимодействия зонда с полем образца
Соответственно z-компонента силы:

Слайд 6

Лекция 22 Слайд 6
Квазистатические методики
Для образцов, имеющих слабо развитый рельеф поверхности.
МСМ изображение

поверхности получают следующим образом. Во время сканирования зондовый датчик перемещается над образцом на некотором расстоянии h = const. При этом величина изгиба кантилевера, регистрируемая оптической системой, записывается в виде МСМ изображения F(x,y), представляющего собой распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

Слайд 7

Лекция 22 Слайд 7
Для исследований магнитных образцов с сильно развитым рельефом поверхности

применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования производится следующая процедура. На первом проходе снимается АСМ изображение рельефа в контактном или полуконтактном режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние z0, и осуществляется повторное сканирование

Слайд 8

Лекция 22 Слайд 8
Расстояние z0 выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была

меньше силы магнитного взаимодействия.
На втором проходе датчик перемещается над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца.
Поскольку в этом случае локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения изгиба кантилевера в процессе сканирования связаны с неоднородностью магнитных сил, действующих на зонд со стороны образца.
Таким образом, итоговый МСМ кадр представляет собой двумерную функцию F(x,y), характеризующую распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

Слайд 9

Лекция 22 Слайд 9
Колебательные методики
Применение колебательных методик в магнитно-силовой микроскопии позволяет реализовать

большую (по сравнению с квазистатическими методиками) чувствительность и получать более качественные МСМ изображения образцов. Как было показано в лекции, посвященной бесконтактной методике АСМ, наличие градиента силы приводит к изменению резонансной частоты, а следовательно, к сдвигу АЧХ и ФЧХ системы зонд-образец. Данные изменения резонансных свойств системы используются для получения информации о неоднородном распределении намагниченности на поверхности образцов. В случае магнитного взаимодействия зонда с поверхностью сдвиг резонансной частоты колеблющегося кантилевера будет определяться производной по координате z от величины Fz

Слайд 10

Лекция 22 Слайд 10
Для получения МСМ изображения поверхности используется двухпроходная методика.
С

помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте ω вблизи резонанса.
На первом проходе в полуконтактном режиме записывается рельеф поверхности.
На втором проходе зондовый датчик движется над образцом по траектории, соответствующей рельефу, так, что расстояние между ним и поверхностью в каждой точке равно величине z0 = const, определяемой оператором.
МСМ изображение формируется посредством регистрации изменений амплитуды или фазы колебаний кантилевера.

Слайд 11

Лекция 22 Слайд 11
Изменения амплитуды и сдвиг фазы колебаний, связанные с

вариациями градиента силы, при условии, что изменения Fz' вдоль поверхности невелики, будут равны
Коэффициенты перед ΔFz' определяют чувствительность амплитудного и фазового методов измерения. Максимум чувствительности достигается при определенных частотах возбуждения кантилевера.

Слайд 12

Лекция 22 Слайд 12
МСМ изображения поверхности магнитного диска.
(а) – АСМ изображение

рельефа поверхности; (б) – МСМ изображение фазового контраста; (в) – МСМ изображение амплитудного контраста; (г) – МСМ изображение распределения силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Слайд 13

Лекция 22 Слайд 13
МСМ изображение массива магнитных наночастиц, сформированных методом интерференционного

лазерного отжига пленок Fe-Cr

Слайд 14

Лекция 22 Слайд 14
Недостатком контактных АСМ методик является непосредственное механическое взаимодействие

зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью (структуры на основе ряда органических материалов и многие биологические объекты).
Для исследования таких образцов применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методики позволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования.

Слайд 15

Лекция 22 Слайд 15
Точное описание колебаний кантилевера зондового датчика АСМ представляет

собой весьма сложную математическую задачу. С целью упрощения задачи, рассмотрим процессы, происходящие при взаимодействии колеблющегося кантилевера с поверхностью, в рамках модели сосредоточенной массы. Пусть имеется кантилевер в виде упругой консоли с жесткостью k, с сосредоточенной массой m на одном конце. Другой конец консоли закреплен на пьезовибраторе ПВ

Слайд 16

Лекция 22 Слайд 16
Если пьезовибратор совершает гармонические колебания u = u0cosωt

с частотой ω, тогда уравнение движения такой колебательной системы имеет вид
где член, пропорциональный первой производной по времени, учитывает силы вязкого трения со стороны воздуха, а посредством F0 обозначена сила тяжести и другие возможные постоянные силы.
Как известно, постоянная сила лишь смещает положение равновесия системы и не влияет на частоту, амплитуду и фазу колебаний. Делая замену переменных z = z + F0/k (т.е. рассматривая колебания относительно нового состояния равновесия), можно привести уравнение движения кантилевера к виду:

Слайд 17

Лекция 22 Слайд 17
Разделив уравнение на m и введя параметр добротности

системы Q = ω0m/γ, получим уравнение движения в следующем виде:
Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики кантилевера, отвечающие данному уравнению
Величина ωrd, определяющая сдвиг относительно резонансной частоты ω0 находится из соотношения ωrd2 = ω02(1 – 1/2Q2).

Слайд 18

Лекция 22 Слайд 18
В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с

малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца. При ван-дер-ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения. Появление такой дополнительной силы немного модифицирует вышеприведенные уравнения и в результате АЧХ и ФЧХ приобретают вид
Дополнительный сдвиг фазы при наличии градиента силы

Слайд 19

Лекция 22 Слайд 19
Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в

бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи.
На практике чаще используется т.н. полуконтактный режим колебаний кантилевера. При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 – 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца.
При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера.

Принцип действия магнитно-силового микроскопа (АСМ). Квазистатические методики в МСМ

Содержание

Лекция 22 Слайд 2Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) был изобретен И. Мартином и К.

Лекция 22 Слайд 3В общем случае описание взаимодействия зонда МСМ с полем

Лекция 22 Слайд 4В общем случае магнитный момент зонда МСМ можно представить

Лекция 22 Слайд 5Полная энергия магнитного взаимодействия зонда и образца в соответствие

Лекция 22 Слайд 6Квазистатические методикиДля образцов, имеющих слабо развитый рельеф поверхности.МСМ изображение

Лекция 22 Слайд 7Для исследований магнитных образцов с сильно развитым рельефом поверхности

Лекция 22 Слайд 8Расстояние z0 выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была

Лекция 22 Слайд 9Колебательные методикиПрименение колебательных методик в магнитно-силовой микроскопии позволяет реализовать

Лекция 22 Слайд 10Для получения МСМ изображения поверхности используется двухпроходная методика.С

Лекция 22 Слайд 11Изменения амплитуды и сдвиг фазы колебаний, связанные с

Лекция 22 Слайд 12МСМ изображения поверхности магнитного диска.(а) – АСМ изображение

Лекция 22 Слайд 13МСМ изображение массива магнитных наночастиц, сформированных методом интерференционного

Лекция 22 Слайд 14Недостатком контактных АСМ методик является непосредственное механическое взаимодействие

Лекция 22 Слайд 15Точное описание колебаний кантилевера зондового датчика АСМ представляет

Лекция 22 Слайд 16Если пьезовибратор совершает гармонические колебания u = u0cosωt

Лекция 22 Слайд 17Разделив уравнение на m и введя параметр добротности

Лекция 22 Слайд 18В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с

Лекция 22 Слайд 19Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в

Похожие презентации