1.2 Квазістатистичні методики мсм

МСМ зображення поверхні зразків, що мають слабо розвинений рельєф поверхні, одержують у такий спосіб: під час сканування зондовий датчик переміщується над зразком на деякій відстані h = const. При цьому величина вигину кантилевера, реєстрована оптичною системою, записується у вигляді МСМ зображення F (x, y), що представляє собою розподіл сили магнітної взаємодії зонда із зразком. Для МСМ досліджень магнітних зразків з сильно розвиненим рельєфом поверхні застосовується двопрохідна методика. У кожному рядку сканування проводиться наступна процедура. На першому проході знімається АСМ зображення рельєфу в контактному або "напівконтактному" режимі. Потім зондовий датчик відводиться від поверхні на відстань z₀, і здійснюється повторне сканування, рисунок 7. Відстань z₀ вибирається таким чином, щоб сила Ван-дер-Ваальса була менша сили магнітної взаємодії.

На другому проході датчик переміщується над поверхнею по траєкторії, що повторює рельєф зразка. Оскільки в цьому випадку локальна відстань між зондовим датчиком і поверхнею в кожній точці постійно, зміни вигину кантилевера в процесі сканування пов'язані з неоднорідністю магнітних сил, що діють на зонд з боку зразка. Таким чином, підсумковий МСМ кадр являє собою двовимірну функцію F (x, y), що характеризує розподіл сили магнітної взаємодії зонда із зразком.

Рисунок 7 – Двопрохідна методика отримання МСМ Зображення [3, 9].

1.2 Коливальні методики мсм

Застосування коливальних методик в магнітно-силовій мікроскопії дозволяє реалізувати велику (в порівнянні з квазістатичними методиками) чутливість і отримувати більш якісні МСМ зображення зразків. Дані зміни резонансних властивостей системи використовують для отримання інформації про неоднорідній розподіл намагніченості на поверхні зразків. Наявність градієнта сили приводить до зміни резонансної частоти, а також до здвигу АЧХ и ФЧХ системи зонд-зразок. Дані зміни резонансних властивостей системи використовуються для отримання інформації про неоднорідне розміщення намагніченості на поверхні зразків. У разі магнітної взаємодії зонда з поверхнею зрушення резонансної частоти коливального кантилевера буде визначатися похідною по координаті z від величини F_z на рисунку 8 показана залежність зміни амплітуди і фази коливань при зміні градієнта сили.

або в по компонентному вигляді:

Рисунок 8 – Зміна амплітуди (а) і фази коливань (б) при зміні градієнта сили [3, 10].

Для отримання МСМ зображення поверхні використовується двопрохідна методика. За допомогою п’єзовібратора збуджуються коливання кантилевера на частоті рівної частоті резонансу. На першому проході в "напівконтактному" режимі записується рельєф поверхні. На іншому проході зондовий датчик рухається над зразком по траєкторії, що відповідає рельєфу, так, що відстань між ним і поверхнею в кожній точці дорівнює величині z₀ = сonst, яка визначається оператором. МСМ зображення формується за допомогою реєстрації змін амплітуді або фаз коливань кантилевера.

Амплітуда і фаза коливань кантилевера можуть бути представлені (за умов, що варіації F_z уздовж поверхні невеликі) наступним чином:

Коефіцієнти перед ΔF'_z визначають чутливість амплітудного і фазового методів вимірювання. Максимум чутливості досягається при певних частотах збудження кантилевера. Для амплітудних вимірів ця частота становить:

 

при цьому:

Для фазових вимірювань максимум чутливості досягається, коли частота

збудження кантилевера збігається з резонансною частотою системи зонд-зразок:

при цьому

  

Як приклад, на рисунку 9 представлені МСМ зображення поверхні магнітного диска, отримані за допомогою різних методик [5].

в г

Рисунок 9 - МСМ дослідження поверхні магнітного диска [5:

(а) - АСМ зображення рельєфу поверхні;

(б) - МСМ зображення фазового контрасту;

(в)- МСМ зображення амплітудного контрасту;

(г) - МСМ зображення розподілу сили взаємодії зонда.

Контраст на МСМ зображеннях пов'язаний, в кінцевому підсумку з розподілом намагніченості в зразку. Особливості формування МСМ зображень магнітних структур можна проілюструвати за допомогою модельних розрахунків у наближенні диполь - дипольної взаємодії. В цьому випадку магнітний зразок розбивається на елементарні об'єми, намагніченість яких описується магнітними диполями m на рисунку 10. Зонд в простому випадку може бути представлений у вигляді окремого диполя m_р. Тоді Z-компонента градієнта сили запишеться наступним чином:

де магнітне поле j- того диполя зразка в точці наконечника зонда дорівнює

Рисунок 10 - Взаємодія зонда із зразком в дипольному наближенні [10].

П ереміщуючи зонд над магнітною структурою на деякій висоті і розраховуючи в кожній точці зсув фази , можна змоделювати МСМ зображення. На рисунку 11 в якості прикладу представлені результати модельних розрахунків МСМ pображення для однорідно намагніченої частинки у вигляді циліндра.

  а б Рисунок 11 - Моделювання МСМ зображення однорідно намагніченої частинки [13]:(а) - розподіл намагніченості у частці; (б) - відповідне МСМ зображення [10].