CN1272619C - 自旋极化隧道原子力显微成像方法 - Google Patents

Abstract

一种自旋极化隧道原子力显微成像方法，属于超高分辨磁敏感显像技术领域。采用带有磁性针尖的导电弹性微悬臂，悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制探针接近样品，针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，激光照在光滑的悬臂背面再反射到探测器，并通过反馈系统反馈给控制系统，通过记录扫描时探针的位置坐标x、y、z，可得到样品表面的三维形貌图像。在样品上施加一恒定偏压，测量扫描过程中总隧道电流的变化，记录平面位置坐标(x，y)和对应的总隧道电流值，得到样品磁敏感信息成像。本发明的磁敏感显像技术不仅可以正确将样品表面的形貌信息与磁信息分离，而且可以达到超高乃至原子级的分辨率。

Description

自旋极化隧道原子力显微成像方法

技术领域

本发明涉及一种自旋极化隧道原子力显微成像方法，属于超高分辨磁敏感显像技术领域。

背景技术

宾尼和Rohrer在二十世纪八十年代早期发明的扫描隧道显微镜是表面科学领域的一场革命。参见宾尼等，扫描隧道显微技术，瑞士物理学报，55卷，1982年(G.Binnigand H.Rohrer，Helv，Scanning Tunneling Microscopy，.Phys.Acta 55，(1982))；宾尼等，用扫描隧道显微技术研究表面，物理快报评论，49卷，57页，1982年(G.Binnig，et al，Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy，Phys.Rev.Lett.49，57(1982))；在实空间解决硅(111)面7×7重构，宾尼等，物理快报评论，50卷，120页，1983年(7×7 Reconstruction on Si(111)Resolved in Real Space，G.Binnig，et a1，Phys.Rev.Lett.50，120(1983))；宾尼等，扫描隧道显微技术-从诞生到青春期，现代物理评论，59卷，615页，1987年(G.Binnig，et al，Scanning tunneling microscopy-from birth toadolescence，Rev.Mod.Phys.59，615(1987))。它利用控制系统控制导电扫描探针接近导电样品，同时在针尖和样品之间施加一个小的偏压。当针尖和样品的距离足够小时，在样品和针尖之间就会有隧道电流产生。电流的大小随针尖和样品之间的距离增大而呈指数衰减，大约距离每增大1，电流就减小一个数量级，因此隧道电流的大小取决于离样品最近的针尖原子与样品之间电子隧穿。当针尖在样品表面扫描时，控制系统测量针尖样品间的隧道电流大小并通过调节探针z方向位置，也就是说调节针尖-样品间距离来保持针尖和样品之间的电流大小为一恒定值，记录扫描过程中探针的位置坐标，就得到了原子级分辨率的样品表面形貌，参见扫描隧道显微术及其应用，白春礼，上海科技出版社，1992或其它扫描隧道显微技术文献。但是，由于扫描隧道显微镜只能应用于导电样品表面，为了获得超高分辨的绝缘体表面形貌，1986年，宾尼等发明了原子力显微镜。见宾尼等，原子力显微镜，物理快报评论，56卷，930页，1986年(G.Binnig，et al，Atomic Force Microscope，Phys.Rev.Lett.56，930(1986))。原子力显微镜采用弹性微悬臂，微悬臂一端连接控制系统，另一端为针尖，悬臂背面为光滑平面。当扫描时，控制系统控制探针接近样品表面，当针尖和样品的距离足够小时，针尖-样品原子间的排斥力使弹性微悬臂弯曲。悬臂的弯曲量采用激光反馈系统来探测，一束激光打在悬臂上，被悬臂背面反射到探测器上，探测器探测悬臂的弯曲量并将其反馈给控制系统，控制系统调整探针z方向的位置使悬臂弯曲量恒定，记录扫描过程中探针的位置坐标，就得到了超高分辨乃至原子级分辨率的样品表面形貌，参见白春礼等《扫描力显微术》，科学出版社，2000。

样品表面形貌之外，另一个梦想就是探测样品表面局域磁化强度，从而对样品表面磁畴结构进行超高分辨率乃至原子级分辨率成像。无论是基础研究还是应用研究，都迫切的需要超高分辨的磁敏感成像技术。比如在基础研究方面，超高分辨率的磁敏感成像技术为探索微磁(连续介质)理论的细节提供了可能，微磁(连续介质)理论通常被用于模拟磁有序介质中的磁畴壁。还有，在二维反铁磁薄膜中，最近邻原子具有相反的磁矩方向已经被提出很长时间了，但是由于以前没有可以达到原子级分辨率的超高分辨磁敏感成像技术，所以在不久前自旋极化扫描隧道显微镜发明以前，一直没有得到反铁磁表面原子级分辨率的磁图像。在应用研究方面，最主要的就是超高密度磁存储器件的分析和表征。随着存储密度的飞速发展，硬磁盘的位长最迟将在3-5年达到10nm左右，可以对磁存储介质和磁头表征和控制的超高分辨磁敏感成像技术的需求变得越来越迫切。

现有的磁敏感显像技术的分辨率，除了自旋极化扫描隧道显微镜外，其它现有的磁敏感成像技术的最佳空间分辨率不是小于位长，就是与位长相当，这使得这些技术不可能应用超高密度存储器件的表征。

     表1、现有磁敏感显像技术及其最佳分辨率

   (参见中国科学院物理所博士论文张臻蓉，2002)

磁畴观测方法		最佳分辨率
			磁力显微镜(MFM)		10-20nm
粉纹法(Bitter Method)		100nm
			克尔和法拉第偏光显微镜		＞0.25μm
克尔和法拉第近场光学显微镜		60nm
			X射线技术		～70nm
Lorentz电镜	反射式	1μm
			透射式	0.01μm
	相位积分显微镜				5nm
电子全息术			5nm
		自旋极化扫描电子显微镜(SEMPA)		10nm
自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)					原子
		扫描超导量子干涉显微镜		4um

自旋极化扫描隧道显微技术有两种不同的概念，一种采用GaAs针尖，另一种采用磁性针尖。其中第二种已经成功应用于实验研究。其原理是：类似于扫描隧道显微技术，不同的是它采用磁性针尖，当针尖和样品都为磁性时，隧道电流可以表示为：

$I({\stackrel{\→}{r}}_T,U,\mathrm{\θ})=I_0({\stackrel{\→}{r}}_T,U)+I_{\mathrm{SP}}({\stackrel{\→}{r}}_T,U,\mathrm{\θ})$

可以看出，道电流分为非自旋极化电流和自旋极化电流两部分，非自旋极化电流大小与所施加偏压大小和针尖原子与样品表面原子间距离有关，与样品表面磁性质无关。自旋极化电流除与上述两项有关外，还与针尖及样品表面的磁性质有关，随样品表面的磁性质变化而变化。目前自旋极化扫描隧道显微镜主要有三种运行模式：一、恒电流模式，在针尖样品间施加一恒定偏压，保持隧道电流在扫描过程中为一恒定值，记录扫描过程中探针的位置坐标得到实验图像。但是由于自旋极化电流和非自旋极化电流没有分离，为了得到样品表面的磁信息，需要仔细比较在同一区域用磁性针尖和非磁性针尖得到的图像，非常困难。第二种，微分电导模式，在针尖样品间施加一恒定偏压的基础上施加一小幅交变电压，测量电流变化与电压变化的比值。但是由于反馈信号与信息信号仍然都是电流，正确分离磁信号与形貌信号仍比较困难。第三种，在针尖上缠绕一个小线圈，通过改变小线圈电流方向来周期性变化针尖的磁化方向。但是由于针尖十分微小，在针尖上缠绕线圈技术上十分复杂，并且小线圈产生的磁场很可能会影响到样品表面的磁性质，而使获得的样品表面磁信息不真实。参见伯德，自旋极化扫描隧道显微技术，物理进展报告，66卷，523页，2003年(M.Bode，Spin-polarized scanning tunneling microscopy，Rep.Prog.Phys.66，523(2003))。

发明内容

为了克服现有的磁敏感显像技术难以得到形貌信息与磁信息正确分离的超高分辨率图像的不足，本发明提供一种自旋极化隧道原子力显微成像方法。

本发明自旋极化隧道原子力显微成像方法，包括使用激光反馈系统、探测器、带有磁性针尖的导电弹性微探针、微悬臂、控制系统、样品和样品台，步骤如下：

(1)采用带有磁性针尖的导电弹性微探针，带有磁性针尖的导电弹性微探针中的微悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制带有磁性针尖的导电弹性微探针接近样品，磁性针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，

(2)使激光照在光滑的微悬臂背面再反射到探测器，探测器探测微悬臂的弯曲量，

(3)将弯曲量通过激光反馈系统反馈给控制系统，控制系统调整带有磁性针尖的导电弹性微探针垂直于样品表面z方向位置，改变磁性针尖与样品间力的大小，从而改变微悬臂的弯曲量，控制扫描过程中微悬臂的弯曲量为一恒定值，即控制磁性针尖原子和样品表面原子间的排斥力恒定，也就控制了磁性针尖和样品表面距离恒定，通过记录扫描时带有磁性针尖的导电弹性微探针的位置坐标x、y、z，可得到样品表面的三维形貌图像；

(4)扫描的同时，在样品上施加一恒定偏压，当磁性针尖和样品都为磁性时，隧道电流为：

$I({\stackrel{\→}{r}}_T,U,\mathrm{\θ})=I_0({\stackrel{\→}{r}}_T,U)+I_{\mathrm{SP}}({\stackrel{\→}{r}}_T,U,\mathrm{\θ}),$ I₀是非自旋极化电流，I_SP是自旋极化电流，测量扫描过程中总隧道电流的变化，记录平面位置坐标x、y和对应的总隧道电流值，得到样品磁敏感信息成像。

上述在样品上施加一恒定偏压之后，在恒定偏压的基础上施加一小幅交变电压。根据

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}({\stackrel{\→}{r}}_T,U)\∝n_T{n}_S({\stackrel{\→}{r}}_T,E_F+\mathrm{eU})+{\stackrel{\→}{m}}_T{\stackrel{\→}{m}}_S({\stackrel{\→}{r}}_T,E_F+\mathrm{eU})$

其中n是非自旋极化局域态密度， 是自旋极化局域态密度矢量。记录平面位置坐标x、y和对应的微分电导ΔI/ΔU值，得到样品磁敏感信息成像。

本发明的方法原理详细说明如下：

在测量时，利用控制系统控制带有磁性针尖的导电弹性微探针接近样品。当磁性针尖样品间距离足够近时，磁性针尖原子和样品表面原子间产生的原子力，使微悬臂弯曲。力的大小与磁性针尖和样品原子间距离强烈相关，随距离增大而急剧减小。用激光照在悬臂背面，悬臂背面为光滑平面，将激光反射到探测器，用探测器探测悬臂的弯曲量，并通过激光反馈系统反馈给控制系统，控制系统调整探针垂直于样品表面方向(z方向)位置，改变磁性针尖-样品间力的大小，从而改变微悬臂的弯曲量。控制扫描过程中微悬臂的弯曲量为一恒定值，即控制磁性针尖原子和样品表面原子间的排斥力恒定。由于原子间的排斥力的大小与磁性针尖-样品原子间距离强烈相关，控制磁性针尖原子与样品表面力恒定也就控制了磁性针尖和样品表面距离恒定。通过记录扫描时带有磁性针尖的导电弹性微探针的位置坐标x、y、z，就可得到样品表面的三维形貌图像；同时，在样品上施加一恒定偏压，根据量子理论，在样品和磁性针尖之间就会有隧道电流产生。当磁性针尖和样品都为磁性时，根据瓦特曼等用自旋极化扫描隧道显微技术解决复杂的原子级自旋结构[载于物理快报评论，2001年，86卷，4132页(Wortmann D，et al，Resolving Complex Atomic-Scale Spin Structures by Spin-Polarized Scanning TunnelingMicroscopy，Phys.Rev.Lett.2001864132)]的工作，当针尖和样品都为磁性时，隧道电流可以表示为：

$I({\stackrel{\→}{r}}_T,U,\mathrm{\θ})=I_0({\stackrel{\→}{r}}_T,U)+I_{\mathrm{SP}}({\stackrel{\→}{r}}_T,U,\mathrm{\θ})$

隧道电流包括非自旋极化电流I₀和自旋极化电流I_SP两部分。非自旋极化电流I₀与施加的偏压大小及磁性针尖-样品间距离有关，当磁性针尖在样品表面扫描时，磁性针尖原子和样品表面原子间距离恒定，偏压恒定，即非自旋极化电流I₀保持恒定，而自旋极化电流I_SP除与施加的偏压大小及磁性针尖-样品间距离有关外，还与磁性针尖及样品表面磁性质有关，在扫描过程中，随样品表面磁性质改变而变化。测量扫描过程中总隧道电流的变化，记录平面位置坐标x、y和对应的总隧道电流值，就实现了样品磁敏感信息成像。通过同时利用磁性针尖-样品间的力和隧道电流，成功地将自旋极化电流与非自旋极化电流分离。

上述在样品上施加一恒定偏压之后，在恒定偏压的基础上施加一小幅交变电压。根据瓦特曼等“用自旋极化扫描隧道显微技术解决复杂的原子级自旋结构”，[载于物理快报评论，2001年，86卷，4132页(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扫描隧道显微镜理论，[载于物理评论B，1985年，31卷，805页(TersoffJ and Hamann D R，Theory of the scanning tunneling microscope，1985Phys.Rev.B 31805)]理论，

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}({\stackrel{\→}{r}}_T,U)\∝n_T{n}_S({\stackrel{\→}{r}}_T,E_F+\mathrm{eU})+{\stackrel{\→}{m}}_T{\stackrel{\→}{m}}_S({\stackrel{\→}{r}}_T,E_F+\mathrm{eU})$

其中n是非自旋极化局域态密度， 是自旋极化局域态密度矢量。在扫描过程中，非自旋极化部分不随样品表面磁性质改变而变化，自旋极化部分随样品表面磁性质改变而变化。记录平面位置坐标x、y和对应的微分电导ΔI/ΔU值，就实现了样品磁敏感信息成像。

本发明的有益效果是，可以同时得到超高分辨的样品表面形貌和磁敏感图像，技术上简单，能够对磁性材料样品表面相同区域同时得到超高分辨乃至原子分辨率的形貌信息和磁信息的对应图像。本发明是一种新型的磁敏感显像成像方法，不仅可以正确将样品表面的形貌信息与磁信息分离，而且可以达到超高乃至原子级的分辨率。

附图说明

图1是本发明的自旋极化隧道原子力显微成像方法示意图。

图中1.激光反馈系统，2.探测器，3.激光，4.带有磁性针尖的导电弹性微探针，5.磁性针尖，6.微悬臂，7.控制系统，8.样品，9.样品台，10.偏压。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，采用带有磁性针尖的导电弹性微探针4，微悬臂6一端连接控制系统7，另一端为磁性针尖5，利用控制系统7控制带有磁性针尖的导电弹性微探针4接近单晶钴样品8，磁性针尖原子和样品8表面原子间产生的原子力使微悬臂6弯曲，激光3照在光滑的微悬臂6背面再反射到探测器2，利用激光反馈系统1探测微悬臂6的形变量并反馈给控制系统7，控制系统7控制扫描过程中微悬臂6的形变量恒定，控制系统7记录扫描过程中带有磁性针尖的导电弹性微探针4的位置坐标，得到单晶钴样品8的表面形貌；同时，在单晶钴样品8上施加一恒定偏压(0.2伏)10，记录总隧道电流随单晶钴样品8位置的变化，可以同时得到单晶钴样品8表面磁敏感图像。

实施例2：

如图1所示，利用控制系统7控制带有磁性针尖的导电弹性微探针4接近单晶钴样品8，利用激光反馈系统1探测微悬臂6的形变量并反馈给控制系统7，控制系统7控制扫描过程中微悬臂6的形变量恒定，控制系统7记录扫描过程中带有磁性针尖的导电弹性微探针4的位置坐标，得到单晶钴样品8的表面形貌；同时，在单晶钴样品8上施加一恒定偏压(0.2伏)10，在恒定偏压的基础上施加一小幅交变电压(±20mV)10，记录磁性针尖5在样品8表面不同位置扫描时，隧道电流变化与电压变化的比值ΔI/ΔU，可以同时得到单晶钴样品8表面磁敏感图像。

Claims (2)

1、一种自旋极化隧道原子力显微成像方法，包括使用激光反馈系统、探测器、带有磁性针尖的导电弹性微探针、微悬臂、控制系统、样品和样品台，其特征在于，步骤如下：

(1)采用带有磁性针尖的导电弹性微探针，带有磁性针尖的导电弹性微探针中的微悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制带有磁性针尖的导电弹性微探针接近样品，磁性针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，

(2)使激光照在光滑的微悬臂背面再反射到探测器，探测器探测微悬臂的弯曲量，

(3)将弯曲量通过激光反馈系统反馈给控制系统，控制系统调整带有磁性针尖的导电弹性微探针垂直于样品表面z方向位置，改变磁性针尖与样品间力的大小，从而改变微悬臂的弯曲量，控制扫描过程中微悬臂的弯曲量为一恒定值，即控制磁性针尖原子和样品表面原子间的排斥力恒定，也就控制了磁性针尖和样品表面距离恒定，通过记录扫描时带有磁性针尖的导电弹性微探针的位置坐标x、y、z，可得到样品表面的三维形貌图像；

(4)扫描的同时，在样品上施加一恒定偏压，当磁性针尖和样品都为磁性时，隧道电流为：

$I(\stackrel{\→}{r_T},U,\mathrm{\θ})=I_0(\stackrel{\→}{r_T},U)+I_{\mathrm{SP}}(\stackrel{\→}{r_T},U,\mathrm{\θ}),$ I₀是非自旋极化电流，I_SP是自旋极化电流，测量扫描过程中总隧道电流的变化，记录平面位置坐标x、y和对应的总隧道电流值，得到样品磁敏感信息成像。

2、如权利要求1所述的自旋极化隧道原子力显微成像方法，其特征在于，在样品上施加一恒定偏压之后，在恒定偏压的基础上施加一小幅交变电压，根据

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}(\stackrel{\→}{r_T},U){\∝n}_T{n}_S(\stackrel{\→}{r_T},E_F+\mathrm{eU})+\stackrel{\→}{m_T}\stackrel{\→}{m_S}(\stackrel{\→}{r_T},E_F+\mathrm{eU})$

其中n是非自旋极化局域态密度， 是自旋极化局域态密度矢量，记录平面位置坐标x、y和对应的微分电导ΔI/ΔU值，得到样品磁敏感信息成像。

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