1.2.2. Магнитная силовая микроскопия
Магнитная силовая микроскопия (МСМ) - это одна из самых «молодых» технологий визуализации магнитных полей и, в то же время, одна из наиболее перспективных. Несмотря на сложность используемых физических принципов, работу магнитного силового микроскопа можно легко объяснить, проведя аналогию с патефоном. Как и в патефоне, в таком микроскопе тонкая игла движется по некой «дорожке», цепляясь за «неровности» магнитного рельефа образца. Но, в отличие от патефона, отклонения иглы скрывают в себе не музыку, а картину поля рассеяния.
Магнитно-силовой микроскоп устроен следующим образом. Микромагнит (рис.1.5.) в виде заостренной иглы перемещают вблизи поверхности образца, регистрируя силы взаимодействия с образцом.
Рис.1.5. Схематическое изображение магнитно-силового микроскопа.
Для перемещения острия относительно исследуемой поверхности используется прецизионный трехкоординатный микроманипулятор. Обычно в зондовой микроскопии такой манипулятор изготавливают из пьезокерамической трубки с системой электродов. При подаче напряжения на электроды трубка может изгибаться, удлиняться или укорачиваться, производя тем самым перемещение образца (или иглы) по трем координатам X, Y и Z. В зависимости от размеров пьезотрубки максимальное перемещение образца может быть обеспечено в диапазоне от единиц до сотни микрон. Точность позиционирования такого манипулятора достигает сотых долей нанометра. Зондирующее острие располагают на упругой микроминиатюрной консоли (кантилевере), по изгибу которой, регистрируемому, например, с помощью оптической системы, можно определять силу взаимодействия между острием и поверхностью. В магнитносиловом микроскопе при сканировании образца игла проходит по одному и тому же месту дважды. Первый раз она движется по поверхности образцав контакте с ним, при этом компьютер запоминает ее траекторию, которая в этом случае соответствует профилю исследуемой поверхности. Магнитные свойства образца, если пренебречь деформациями поверхности (они обычно невелики), не оказывают влияния на наблюдаемую траекторию. Второй раз микроконсоль проходит по той же траектории над тем же участком поверхности, но на некотором удалении от нее. При таком движении на иглу, расположенную на микроконсоли, действуют уже не контактные силы, как в первом случае. Если иглу отвести на расстояние 10—50 нм, то универсальное ван-дер-ваальсово притяжение затухает и остаются только более дальнодействующие магнитные силы, так что отклонение иглы от заранее обусловленной траектории будет определяться именно магнитными свойствами образца (рис.1.6.) [5].
Рис.1.6. Получение «магнитного» изображения. 1 – запись профиля поверхности с помощью специальной иглы; 2 – при следующем проходе задается та же траектория, но на высоте 10 – 50 нм от поверхности образца; 3 – отклонение иглы от выбранной траектории в результате действия магнитных сил.
На пространственное разрешение магнитного силового микроскопа влияют множество факторов: выбор зонда, чувствительность электронной схемы, используемый режим измерений и др. Типичные магнитносиловые микроскопы имеют разрешение 30 нм, некоторые модели позволяют достичь значения 10 нм. Но такое высокое разрешение имеет и негативную сторону - довольно сложно позиционировать участок измерения на образце, а размеры получаемых изображений составляют всего от единиц до десятков микрон.
Рис. 1.7. МСМ изображение поверхности жесткого диска. Размер «скана» 70х70мкм.
Метод не обеспечивает высокую скорость получения результатов, но дает возможность их количественной оценки. Поскольку магнитная силовая микроскопия изображения содержит информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности, то для правильной их интерпретации необходимо выделить из общей картины магнитную составляющую. Эта задача требует сложных вычислений, но в большинстве современных микроскопов она решается во встроенном контроллере.
В настоящее время благодаря высокой чувствительности и разрешению магнитная силовая микроскопия становится одним из наиболее популярных инструментов для исследования ферромагнитных материалов. Единственным сдерживающим фактором является высокая стоимость измерительных устройств, которая может доходить до полумиллиона долларов.