بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی
اسلاید 2 :
روشهای نوین شناسایی نانوساختارها
میکروسکوپهای پروبی روبشی
1MFM
اسلاید 3 :
مقدمه
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM)، جهت مطالعه خواص مغناطیسی موضعی بکار رفته و تغییرات نیروی مغناطیسی را در سطح نمونه یررسی می کند.
می توان از این میکروسکوپ جهت به تصویر کشیدن ساختار حوزه های مغناطیسی ایجاد شده بطور طبیعی یا مصنوعی در مواد مغناطیسی، استفاده نمود.
در میکروسکوپ های نیروی مغناطیسی از سوزنی استفاده می شود که با لایه ای نازک از ماده فرومغناطیس با مغناطیس پذیری مخصوص پوشیده شده است و میدان مغناطیسی موضعی ایجاد شده توسط یک نمونه را مورد بررسی قرار می دهد.
میکروسکوپی (ریزبینی) نیروی مغناطیسی، بعنوان یک تکنیک میکروسکوپی نیرویی روبشی درنظر گرفته می شود که به اندازه گیری نیروهای سوزن - نمونه ایجاد شده توسط یک میدان مغناطیسی، اختصاص یافته است.
اسلاید 4 :
مقدمه
اگر سوزنی با گشتاور مغناطیسی استفاده شود، می توان از هر میکروسکوپ نیرویی روبشی بعنوان میکروسکوپ نیروی مغناطیسی استفاده نمود.
MFM نسبت به خطوط میدان مغناطیسی خارج شده از نمونه، حساس می شود.
می توان از سوزنهای دیگری که به خطوط میدان مغناطیسی حساس هستند، نیز استفاده کرد. مثالهای آن عبارتند از: پروب های میکروساخت هال، آشکارسازهای مقاومت مغناطیسی و ابزارهای تداخل کوانتومی ابررسانا.
اسلاید 5 :
تاریخچه
بر اساس دانش بدست آمده از میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ نیروی، توسط ایو مارتین و اچ.کومار ویکراماسیندر سال 1987 میلادی، معرفی شد.
در سالهای بعد، آزمایشهای اندازه گیری نیروهای بین یک نمونه فرومغناطیس و سوزنی که حامل گشتاور مغناطیسی دائمی است، انجام شد.
اغلب کارهای اولیه به تصویرگیری از ساختار بیت های اطلاعاتی نوشته شده در مواد ضبط مغناطیسی و بررسی مکانیزم کنتراست اختصاص داشت.
آزمایش های موفقیت آمیزی تحت شرایط محیطی مانند هوا، خلاء، UHV، دماهای پایین و محیطهای ذخیره مغناطیسی صورت گرفته است.
میکروسکوپی نیروی مغناطیس در بیست سال اخیر بصورت متداول ترین تکنیک تصویرگیری مغناطیسی درآمده است.
اسلاید 6 :
سیستم کاری MFM
تصویری که با یک سوزن مغناطیسی گرفته می شود، شامل اطلاعاتی درباره هر دو نوع خواص توپوگرافی و مغناطیسی سطح است.
اثر غالب، به فاصله سوزن و نمونه بستگی دارد.
نیروی مغناطیسی بین اتمی، نسبت به نیروی واندروالس تا فواصل بیشتری بین سوزن و سطح برقرار است. اگر سوزن به سطح نمونه نزدیک باشد، در ناحیه ای که AFM دینامیکی استاندارد کار می کند، تصویر عمدتاً توپوگرافی خواهد بود. با افزایش فاصله بین سوزن و نمونه، تأثیرات مغناطیسی غالب تر می شوند.
جمع آوری مجموعه ای از تصاویر در فواصل مختلف
سوزن تا نمونه یک راه جدا کردن اثرات مغناطیسی از
توپوگرافی است.
اسلاید 7 :
سیستم کاری MFM
شماتیک ساده شده سیستم کنترل در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی که مشابه سیستم های کنترل موجود در میکروسکوپهای AFM و EFM است.
اسلاید 8 :
اندازه گیری نیروهای مغناطیسی
به منظور تصویر برداری برهمکنشهای مغناطیسی سوزن- نمونه به عنوان تابعی از موقعیت X و Y، سوزن در فاصله ای به اندازه کافی بزرگ، که از نیروهای غیرمغناطیسی قوی سوزن – نمونه اجتناب شود، روبش را شروع می کند.
در یک آزمایش معمول میکروسکوپی نیرویی روبشی، نیروی سوزن – نمونه معمولاً در محدوده نانونیوتن است که برای اندازه گیری توپوگرافی نمونه در حالات تماسی و غیرتماسی استفاده می شود، نیروهای مغناطیسی، معمولاً دو یا سه برابر کوچک تر هستند. در نتیجه آشکارسازی این نیروهای کوچک مغناطیسی بسیار مشکل است.
اسلاید 9 :
اندازه گیری نیروهای مغناطیسی
با فرض اینکه کانتیلور و نیرو در جهت Z تنظیم شده اند، انحراف کانتیلور در اثر نیروی برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه، با روابط زیر تعیین می شود:
رابطه 1
رابطه 2
که ، ثابت نیروی کانتیلور و ، جزء Z برآیند تمام نیروهای برهمکنش غیرمغناطیسی سوزن – نمونه است. اگر سوزن در تماس با نمونه باشد، این برآیند نیرو در حد چندینN/m خواهد بود. در اینصورت انحراف کانتیلور منعکس کننده توپوگرافی نمونه است و نه میدان مغناطیسی.
اسلاید 10 :
اندازه گیری نیروهای مغناطیسی
جهت تهیه نقشه میدان مغناطیسی خارج شده از نمونه، باید میکروسکوپ در حالت غیرتماسی کار کند.
فاصله بین سوزن و نمونه باید به اندازه کافی زیاد باشد تا از برهمکنش های غیر مغناطیسی سوزن و نمونه، ناشی از نیروهای وابسته به توپوگرافی، اجتناب شود. در اینصورت برهمکنشهای سوزن- نمونه، باعث تولید سیگنال می گردد.
اسلاید 11 :
برهمکنش سوزن MFM و میدان مغناطیسی موضعی
تشریح جزئیات برهمکنش سوزن MFM، با میدان مغناطیسی موضعی ، ایجاد شده توسط یک نمونه، مسئله پیچیده ای است. با فرض اینکه سوزن MFM به عنوان یک دوقطبی مغناطیسی منفرد با ممان مغناطیسی عمل می کند، می توان مدل ساده ای از آن را در نظر گرفت.
بر اساس این مدل، انرژی مغناطیسی سیستم حاضر حاصلضرب عددی و است.
رابطه 3
دوقطبی مغناطیسی در میدان ، بوسیله نیروی زیر تأثیر می پذیرد:
رابطه 4
و ممان نیروی ، حاصلضرب برداری و است:
رابطه 5
در یک میدان مغناطیسی یکنواخت، نیروی ، صفر است. این در حالی است که در یک میدان مغناطیسی غیریکنواخت، دوقطبی ها به سوی مناطقی با شدت میدان مغناطیسی ، بیشتر جذب می شود.
اسلاید 12 :
برهمکنش سوزن MFM و میدان مغناطیسی موضعی
بطور کلی ممان مغناطیسی سوزن MFM می تواند بصورت برهمنهی دوقطبی های مغناطیسی به فرم زیر بیان شود:
رابطه 6
که در آن، ، مغناطیس پذیری مخصوص پوشش سوزن و ، حجم اولیه لایه پوشش است.
انرژی کل بعلت برهمکنش مغناطیسی سوزن - نمونه، از انتگرالگیری روی لایه مغناطیسی سوزن بدست می آید:
رابطه 7
نیروی برهمکنش سوزن با میدان نمونه، بصورت زیر است:
رابطه 8
برهمین اساس مؤلفه Z، نیز بصورت زیر خواهد بود:
رابطه 9
اسلاید 13 :
برهمکنش سوزن MFM با میدان مغناطیسی یک نمونه
اسلاید 14 :
حالات کاری MFM
در MFM، برهمکنش سوزن – نمونه ممکن است با استفاده از یکی از دو تکنیک زیر مورد مطالعه قرار گیرد:
الف) تکنیک های استاتیکی
ب) تکنیک های دینامیکی(نوسانی)
تکنیکMFM استاتیکی
نیروی عمل کننده روی سوزن از انحراف استاتیک کانتیلور اندازه گیری می شود.
در طی عملیات روبش، سوزن بالای نمونه در ارتفاع ثابت حرکت می کند. مقدار خمش کانتیلور بوسیله سیستم نوری تشخیص داده شده و بعنوان تصویر MFM، ضبط می شود و نحوه توزیع نیروهای برهمکنش نمونه – سوزن مغناطیسی را به تصویر می کشد.
اسلاید 15 :
تکنیکMFM استاتیکی
برای انجام عملیات روبش در ارتفاع ثابت، یک تکنیک دو مرحله ای برای نمونه ای با زبری قابل توجه، می باشد. در هر خط روبش، مراحل زیر انجام می شود:
در مرحله اول، تصویر توپوگرافیک AFM، در حالت تماسی یا شبه تماسی، بدست می آید. سپس سوزن از سطح تا ارتفاع h، بالا رفته و عملیات روبش تکرار می شوند.
در این حالت مقدار فاصله h، بایستی به اندازه کافی زیاد باشد، تا نیروی واندروالس را کمتر از نیروی برهمکنش مغناطیسی بسازد.
در طی مرحله دوم، پروب بالای سطح، با تکرار خط سیر توپوگرافی نمونه، حرکت می کند.
به دلیل اینکه فاصله موضعی بین سوزن در هر نقطه ثابت است، تغییرات خمش کانتیلور در طی عملیات روبش، بعلت ناهمگنی موضعی میدان های مغناطیسی خواهد بود. از این رو تصویر نهایی، تابع دو متغیره است که توزیع برهمکنش مغناطیسی نمونه – سوزن را توصیف می کند.
اسلاید 16 :
تکنیک دومرحله ای بکارگیری MFM
اسلاید 17 :
تکنیک MFM دینامیکی (نوسانی)
در حالات دینامیکی، برآیند نیروهای عمل کننده برروی سوزن، از تغییر در خواص دینامیکی کانتیلور ، مانند تغییرات در فاز، دامنه نوسان، یا فرکانس رزونانس، تعیین می گردد.
بکارگیری تکنیکهای نوسانی در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی، در مقایسه با تکنیک استاتیکی، حساسیت بالاتری را فراهم کرده و تصاویر بهتری ارائه می کند.
مطابق تکنیک غیرتماسی AFM، حضور گرادیان نیرو باعث تغییرات فرکانس تشدید و به تبع آن تغییر پاسخهای فازی، درسیستم نمونه – سوزن، می شود.
گرادیان نیرو ، در حالت برهمکنش مغناطیسی بصورت زیر است:
رابطه 10
اسلاید 18 :
تکنیک MFM دینامیکی (نوسانی)
در حالت نوسانی MFM نیز یک تکنیک دو مرحله ای استفاده می شود.
در ابتدا به کمک یک قطعه پیزو، نوسانات کانتیلور در فرکانس ، نزدیک تشدید، برانگیخته می شود. در طی اولین مرحله، حالت شبه تماسی توپوگرافی سطح ضبط شده ، در مرحله دوم، سوزن بالای نمونه با خط سیری منطبق با توپوگرافی حرکت می کند.
تصویر MFM بوسیله ضبط تغییرات در دامنه یا فاز نوسان کانتیلور، شکل می گیرد.
دامنه و فاز نوسان کانتیلور (مشروط بر تغییرات ناچیز گرادیان در طول سطح) می تواند بصورت زیر تقریب زده شود:
رابطه 11
رابطه 12
اسلاید 19 :
تکنیک MFM دینامیکی (نوسانی)
تغییرات دامنه نوسان و فاز، با توجه به تغییرات گرادیان بصورت زیر است:
رابطه 13
رابطه 14
تغییر دامنه نوسان و فاز با توجه به تغییر گرادیان نیرو
اسلاید 20 :
تکنیک MFM دینامیکی (نوسانی)
ضرایب ، روشهای اندازه گیری حساسیت دامنه و فاز را مشخص می کند. حداکثر حساسیت در فرکانسهای مشخصی بدست آمده که این فرکانس، برای اندازه گیری های مربوط به دامنه عبارتست از:
رابطه 15
رابطه 16
برای اندازه گیری های فاز، زمانی که فرکانس ارتعاشات کانتیلور با فرکانس تشدید سیستم سوزن – نمونه، منطبق باشد، حداکثر حساسیت بدست می آید:
رابطه 17
رابطه 18
