自旋極化隧道原子力顯微成像方法

2023-06-19 05:36:41 2

專利名稱:自旋極化隧道原子力顯微成像方法
技術領域：
本發明涉及一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法，屬於超高分辨磁敏感顯像技術領域：
。
背景技術：
賓尼和Rohrer在二十世紀八十年代早期發明的掃描隧道顯微鏡是表面科學領域的一場革命。參見賓尼等，掃描隧道顯微技術，瑞士物理學報，55卷，1982年(G.Binnigand H.Rohrer，Helv，Scanning Tunneling Microscopy，.Phys.Acta 55，(1982))；賓尼等，用掃描隧道顯微技術研究表面，物理快報評論，49卷，57頁，1982年(G.Binnig，et al，Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy，Phys.Rev.Lett.49，57(1982))；在實空間解決矽(111)面7×7重構，賓尼等，物理快報評論，50卷，120頁，1983年(7×7 Reconstruction on Si(111)Resolved in Real Space，G.Binnig，et a1，Phys.Rev.Lett.50，120(1983))；賓尼等，掃描隧道顯微技術-從誕生到青春期，現代物理評論，59卷，615頁，1987年(G.Binnig，et al，Scanning tunneling microscopy-from birth toadolescence，Rev.Mod.Phys.59，615(1987))。它利用控制系統控制導電掃描探針接近導電樣品，同時在針尖和樣品之間施加一個小的偏壓。當針尖和樣品的距離足夠小時，在樣品和針尖之間就會有隧道電流產生。電流的大小隨針尖和樣品之間的距離增大而呈指數衰減，大約距離每增大1，電流就減小一個數量級，因此隧道電流的大小取決於離樣品最近的針尖原子與樣品之間電子隧穿。當針尖在樣品表面掃描時，控制系統測量針尖樣品間的隧道電流大小並通過調節探針z方向位置，也就是說調節針尖-樣品間距離來保持針尖和樣品之間的電流大小為一恆定值，記錄掃描過程中探針的位置坐標，就得到了原子級解析度的樣品表面形貌，參見掃描隧道顯微術及其應用，白春禮，上海科技出版社，1992或其它掃描隧道顯微技術文獻。但是，由於掃描隧道顯微鏡只能應用於導電樣品表面，為了獲得超高分辨的絕緣體表面形貌，1986年，賓尼等發明了原子力顯微鏡。見賓尼等，原子力顯微鏡，物理快報評論，56卷，930頁，1986年(G.Binnig，et al，Atomic Force Microscope，Phys.Rev.Lett.56，930(1986))。原子力顯微鏡採用彈性微懸臂，微懸臂一端連接控制系統，另一端為針尖，懸臂背面為光滑平面。當掃描時，控制系統控制探針接近樣品表面，當針尖和樣品的距離足夠小時，針尖-樣品原子間的排斥力使彈性微懸臂彎曲。懸臂的彎曲量採用雷射反饋系統來探測，一束雷射打在懸臂上，被懸臂背面反射到探測器上，探測器探測懸臂的彎曲量並將其反饋給控制系統，控制系統調整探針z方向的位置使懸臂彎曲量恆定，記錄掃描過程中探針的位置坐標，就得到了超高分辨乃至原子級解析度的樣品表面形貌，參見白春禮等《掃描力顯微術》，科學出版社，2000。
樣品表面形貌之外，另一個夢想就是探測樣品表面局域磁化強度，從而對樣品表面磁疇結構進行超高解析度乃至原子級解析度成像。無論是基礎研究還是應用研究，都迫切的需要超高分辨的磁敏感成像技術。比如在基礎研究方面，超高解析度的磁敏感成像技術為探索微磁(連續介質)理論的細節提供了可能，微磁(連續介質)理論通常被用於模擬磁有序介質中的磁疇壁。還有，在二維反鐵磁薄膜中，最近鄰原子具有相反的磁矩方向已經被提出很長時間了，但是由於以前沒有可以達到原子級解析度的超高分辨磁敏感成像技術，所以在不久前自旋極化掃描隧道顯微鏡發明以前，一直沒有得到反鐵磁表面原子級解析度的磁圖像。在應用研究方面，最主要的就是超高密度磁存儲器件的分析和表徵。隨著存儲密度的飛速發展，硬磁碟的位長最遲將在3-5年達到10nm左右，可以對磁存儲介質和磁頭表徵和控制的超高分辨磁敏感成像技術的需求變得越來越迫切。
現有的磁敏感顯像技術的解析度，除了自旋極化掃描隧道顯微鏡外，其它現有的磁敏感成像技術的最佳空間解析度不是小於位長，就是與位長相當，這使得這些技術不可能應用超高密度存儲器件的表徵。
表1、現有磁敏感顯像技術及其最佳解析度(參見中國科學院物理所博士論文張臻蓉，2002)


自旋極化掃描隧道顯微技術有兩種不同的概念，一種採用GaAs針尖，另一種採用磁性針尖。其中第二種已經成功應用於實驗研究。其原理是類似於掃描隧道顯微技術，不同的是它採用磁性針尖，當針尖和樣品都為磁性時，隧道電流可以表示為I(rT,U,)=I0(rT,U)+ISP(rT,U,)]]>可以看出，道電流分為非自旋極化電流和自旋極化電流兩部分，非自旋極化電流大小與所施加偏壓大小和針尖原子與樣品表面原子間距離有關，與樣品表面磁性質無關。自旋極化電流除與上述兩項有關外，還與針尖及樣品表面的磁性質有關，隨樣品表面的磁性質變化而變化。目前自旋極化掃描隧道顯微鏡主要有三種運行模式一、恆電流模式，在針尖樣品間施加一恆定偏壓，保持隧道電流在掃描過程中為一恆定值，記錄掃描過程中探針的位置坐標得到實驗圖像。但是由於自旋極化電流和非自旋極化電流沒有分離，為了得到樣品表面的磁信息，需要仔細比較在同一區域用磁性針尖和非磁性針尖得到的圖像，非常困難。第二種，微分電導模式，在針尖樣品間施加一恆定偏壓的基礎上施加一小幅交變電壓，測量電流變化與電壓變化的比值。但是由於反饋信號與信息信號仍然都是電流，正確分離磁信號與形貌信號仍比較困難。第三種，在針尖上纏繞一個小線圈，通過改變小線圈電流方向來周期性變化針尖的磁化方向。但是由於針尖十分微小，在針尖上纏繞線圈技術上十分複雜，並且小線圈產生的磁場很可能會影響到樣品表面的磁性質，而使獲得的樣品表面磁信息不真實。參見伯德，自旋極化掃描隧道顯微技術，物理進展報告，66卷，523頁，2003年(M.Bode，Spin-polarized scanning tunneling microscopy，Rep.Prog.Phys.66，523(2003))。

發明內容
為了克服現有的磁敏感顯像技術難以得到形貌信息與磁信息正確分離的超高解析度圖像的不足，本發明提供一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法。
本發明自旋極化隧道原子力顯微成像方法，包括使用雷射反饋系統、探測器、帶有磁性針尖的導電彈性微探針、微懸臂、控制系統、樣品和樣品臺，步驟如下(1)採用帶有磁性針尖的導電彈性微探針，帶有磁性針尖的導電彈性微探針中的微懸臂一端連接控制系統，另一端為磁性針尖，控制系統控制帶有磁性針尖的導電彈性微探針接近樣品，磁性針尖原子和樣品表面原子間產生的原子力使微懸臂彎曲，(2)使雷射照在光滑的微懸臂背面再反射到探測器，探測器探測微懸臂的彎曲量，(3)將彎曲量通過雷射反饋系統反饋給控制系統，控制系統調整帶有磁性針尖的導電彈性微探針垂直於樣品表面z方向位置，改變磁性針尖與樣品間力的大小，從而改變微懸臂的彎曲量，控制掃描過程中微懸臂的彎曲量為一恆定值，即控制磁性針尖原子和樣品表面原子間的排斥力恆定，也就控制了磁性針尖和樣品表面距離恆定，通過記錄掃描時帶有磁性針尖的導電彈性微探針的位置坐標x、y、z，可得到樣品表面的三維形貌圖像；(4)掃描的同時，在樣品上施加一恆定偏壓，當磁性針尖和樣品都為磁性時，隧道電流為I(rT,U,)=I0(rT,U)+ISP(rT,U,),]]>I0是非自旋極化電流，ISP是自旋極化電流，測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標x、y和對應的總隧道電流值，得到樣品磁敏感信息成像。
上述在樣品上施加一恆定偏壓之後，在恆定偏壓的基礎上施加一小幅交變電壓。根據dIdU(rT,U)nTnS(rT,EF+eU)+mTmS(rT,EF+eU)]]>其中n是非自旋極化局域態密度，
是自旋極化局域態密度矢量。記錄平面位置坐標x、y和對應的微分電導ΔI/ΔU值，得到樣品磁敏感信息成像。
本發明的方法原理詳細說明如下在測量時，利用控制系統控制帶有磁性針尖的導電彈性微探針接近樣品。當磁性針尖樣品間距離足夠近時，磁性針尖原子和樣品表面原子間產生的原子力，使微懸臂彎曲。力的大小與磁性針尖和樣品原子間距離強烈相關，隨距離增大而急劇減小。用雷射照在懸臂背面，懸臂背面為光滑平面，將雷射反射到探測器，用探測器探測懸臂的彎曲量，並通過雷射反饋系統反饋給控制系統，控制系統調整探針垂直於樣品表面方向(z方向)位置，改變磁性針尖-樣品間力的大小，從而改變微懸臂的彎曲量。控制掃描過程中微懸臂的彎曲量為一恆定值，即控制磁性針尖原子和樣品表面原子間的排斥力恆定。由於原子間的排斥力的大小與磁性針尖-樣品原子間距離強烈相關，控制磁性針尖原子與樣品表面力恆定也就控制了磁性針尖和樣品表面距離恆定。通過記錄掃描時帶有磁性針尖的導電彈性微探針的位置坐標x、y、z，就可得到樣品表面的三維形貌圖像；同時，在樣品上施加一恆定偏壓，根據量子理論，在樣品和磁性針尖之間就會有隧道電流產生。當磁性針尖和樣品都為磁性時，根據瓦特曼等用自旋極化掃描隧道顯微技術解決複雜的原子級自旋結構[載於物理快報評論，2001年，86卷，4132頁(Wortmann D，et al，Resolving Complex Atomic-Scale Spin Structures by Spin-Polarized Scanning TunnelingMicroscopy，Phys.Rev.Lett.2001864132)]的工作，當針尖和樣品都為磁性時，隧道電流可以表示為I(rT,U,)=I0(rT,U)+ISP(rT,U,)]]>隧道電流包括非自旋極化電流I0和自旋極化電流ISP兩部分。非自旋極化電流I0與施加的偏壓大小及磁性針尖-樣品間距離有關，當磁性針尖在樣品表面掃描時，磁性針尖原子和樣品表面原子間距離恆定，偏壓恆定，即非自旋極化電流I0保持恆定，而自旋極化電流ISP除與施加的偏壓大小及磁性針尖-樣品間距離有關外，還與磁性針尖及樣品表面磁性質有關，在掃描過程中，隨樣品表面磁性質改變而變化。測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標x、y和對應的總隧道電流值，就實現了樣品磁敏感信息成像。通過同時利用磁性針尖-樣品間的力和隧道電流，成功地將自旋極化電流與非自旋極化電流分離。
上述在樣品上施加一恆定偏壓之後，在恆定偏壓的基礎上施加一小幅交變電壓。根據瓦特曼等「用自旋極化掃描隧道顯微技術解決複雜的原子級自旋結構」，[載於物理快報評論，2001年，86卷，4132頁(Wortmann D，et al，Resolving Complex Atomic-Scale SpinStructures by Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy，Phys.Rev.Lett.2001 864132)]概括的特索夫和哈曼的掃描隧道顯微鏡理論，[載於物理評論B，1985年，31卷，805頁(TersoffJ and Hamann D R，Theory of the scanning tunneling microscope，1985Phys.Rev.B 31805)]理論，dIdU(rT,U)nTnS(rT,EF+eU)+mTmS(rT,EF+eU)]]>其中n是非自旋極化局域態密度，
是自旋極化局域態密度矢量。在掃描過程中，非自旋極化部分不隨樣品表面磁性質改變而變化，自旋極化部分隨樣品表面磁性質改變而變化。記錄平面位置坐標x、y和對應的微分電導ΔI/ΔU值，就實現了樣品磁敏感信息成像。
本發明的有益效果是，可以同時得到超高分辨的樣品表面形貌和磁敏感圖像，技術上簡單，能夠對磁性材料樣品表面相同區域同時得到超高分辨乃至原子解析度的形貌信息和磁信息的對應圖像。本發明是一種新型的磁敏感顯像成像方法，不僅可以正確將樣品表面的形貌信息與磁信息分離，而且可以達到超高乃至原子級的解析度。



圖1是本發明的自旋極化隧道原子力顯微成像方法示意圖。
圖中1.雷射反饋系統，2.探測器，3.雷射，4.帶有磁性針尖的導電彈性微探針，5.磁性針尖，6.微懸臂，7.控制系統，8.樣品，9.樣品臺，10.偏壓。
具體實施方式
實施例1如圖1所示，採用帶有磁性針尖的導電彈性微探針4，微懸臂6一端連接控制系統7，另一端為磁性針尖5，利用控制系統7控制帶有磁性針尖的導電彈性微探針4接近單晶鈷樣品8，磁性針尖原子和樣品8表面原子間產生的原子力使微懸臂6彎曲，雷射3照在光滑的微懸臂6背面再反射到探測器2，利用雷射反饋系統1探測微懸臂6的形變量並反饋給控制系統7，控制系統7控制掃描過程中微懸臂6的形變量恆定，控制系統7記錄掃描過程中帶有磁性針尖的導電彈性微探針4的位置坐標，得到單晶鈷樣品8的表面形貌；同時，在單晶鈷樣品8上施加一恆定偏壓(0.2伏)10，記錄總隧道電流隨單晶鈷樣品8位置的變化，可以同時得到單晶鈷樣品8表面磁敏感圖像。
實施例2如圖1所示，利用控制系統7控制帶有磁性針尖的導電彈性微探針4接近單晶鈷樣品8，利用雷射反饋系統1探測微懸臂6的形變量並反饋給控制系統7，控制系統7控制掃描過程中微懸臂6的形變量恆定，控制系統7記錄掃描過程中帶有磁性針尖的導電彈性微探針4的位置坐標，得到單晶鈷樣品8的表面形貌；同時，在單晶鈷樣品8上施加一恆定偏壓(0.2伏)10，在恆定偏壓的基礎上施加一小幅交變電壓(±20mV)10，記錄磁性針尖5在樣品8表面不同位置掃描時，隧道電流變化與電壓變化的比值ΔI/ΔU，可以同時得到單晶鈷樣品8表面磁敏感圖像。
權利要求
1.一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法，包括使用雷射反饋系統、探測器、帶有磁性針尖的導電彈性微探針、微懸臂、控制系統、樣品和樣品臺，其特徵在於，步驟如下(1)採用帶有磁性針尖的導電彈性微探針，帶有磁性針尖的導電彈性微探針中的微懸臂一端連接控制系統，另一端為磁性針尖，控制系統控制帶有磁性針尖的導電彈性微探針接近樣品，磁性針尖原子和樣品表面原子間產生的原子力使微懸臂彎曲，(2)使雷射照在光滑的微懸臂背面再反射到探測器，探測器探測微懸臂的彎曲量，(3)將彎曲量通過雷射反饋系統反饋給控制系統，控制系統調整帶有磁性針尖的導電彈性微探針垂直於樣品表面z方向位置，改變磁性針尖與樣品間力的大小，從而改變微懸臂的彎曲量，控制掃描過程中微懸臂的彎曲量為一恆定值，即控制磁性針尖原子和樣品表面原子間的排斥力恆定，也就控制了磁性針尖和樣品表面距離恆定，通過記錄掃描時帶有磁性針尖的導電彈性微探針的位置坐標x、y、z，可得到樣品表面的三維形貌圖像；(4)掃描的同時，在樣品上施加一恆定偏壓，當磁性針尖和樣品都為磁性時，隧道電流為I(rT,U,)=I0(rT,U)+ISP(rT,U,),]]>I0是非自旋極化電流，ISP是自旋極化電流，測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標x、y和對應的總隧道電流值，得到樣品磁敏感信息成像。
2.如權利要求
1所述的自旋極化隧道原子力顯微成像方法，其特徵在於，在樣品上施加一恆定偏壓之後，在恆定偏壓的基礎上施加一小幅交變電壓，根據dIdU(rT,U)nTnS(rT,EF+eU)+mTmS(rT,EF+eU)]]>其中n是非自旋極化局域態密度，
是自旋極化局域態密度矢量，記錄平面位置坐標x、y和對應的微分電導ΔI/ΔU值，得到樣品磁敏感信息成像。
專利摘要
一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法，屬於超高分辨磁敏感顯像技術領域：
。採用帶有磁性針尖的導電彈性微懸臂，懸臂一端連接控制系統，另一端為磁性針尖，控制系統控制探針接近樣品，針尖原子和樣品表面原子間產生的原子力使微懸臂彎曲，雷射照在光滑的懸臂背面再反射到探測器，並通過反饋系統反饋給控制系統，通過記錄掃描時探針的位置坐標x、y、z，可得到樣品表面的三維形貌圖像。在樣品上施加一恆定偏壓，測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標(x，y)和對應的總隧道電流值，得到樣品磁敏感信息成像。本發明的磁敏感顯像技術不僅可以正確將樣品表面的形貌信息與磁信息分離，而且可以達到超高乃至原子級的解析度。
文檔編號G01Q60/40GKCN1272619SQ200410023584
公開日2006年8月30日 申請日期2004年2月18日
發明者韓聖浩, 龐智勇 申請人:山東大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan