KR101415053B1 - A probe apparatus for low-temperature magnetic resonance force microscopy - Google Patents

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KR101415053B1 KR1020120157759A KR20120157759A KR101415053B1 KR 101415053 B1 KR101415053 B1 KR 101415053B1 KR 1020120157759 A KR1020120157759 A KR 1020120157759A KR 20120157759 A KR20120157759 A KR 20120157759A KR 101415053 B1 KR101415053 B1 KR 101415053B1
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Abstract

The present invention relates to a prove apparatus for a low-temperature magnetic resonance force microscopy (MRFM), which can observe unique characteristics of a sample, revealed in an area equivalent to or smaller than a nanosize, at an extremely low temperature. The prove apparatus comprises: a measuring unit where a sample to be measured is mounted, and which measures characteristics of the sample with a cantilever; an upper driving unit which is installed in the upper part of the measuring unit, and whose operation can be controlled in an nm unit; a lower driving unit which is installed in the lower part of the measuring unit, and whose operation can be controlled in an nm unit; a damping unit which is installed in the upper part of the upper driving unit in order to prevent the vibration of the measuring unit; a connection unit which is installed in the upper part of the damping unit in order to electrically connect an electricity circuit connected from the measuring unit with a control measuring unit; and an image photographing unit which is installed at one side of the measuring unit in order to photograph the measurement state of the measuring unit as images and to transmit the data to the control measuring unit.

Description

저온 MRFM의 프로브 장치 {A probe apparatus for low-temperature magnetic resonance force microscopy}[0002] A probe apparatus for low-temperature magnetic resonance force microscopy

본 발명은 나노영역에서 물질의 고유특성 등을 관찰하는 주사 힘 현미경(Scanning Probe Microscope: SPM)의 일종인 자기공명 힘 현미경(Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)의 일 구성인 프로브 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 질소(Liquid nitrogen: LN2)나 액체 헬륨(Liquid helium-4)을 사용하는 MRFM 저온실험에 적용할 수 있는 저온 MRFM의 프로브 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a probe apparatus which is a constitution of a magnetic resonance force microscopy (MRFM), which is a type of scanning probe microscope (SPM) for observing the intrinsic characteristics of a material in a nano- To a low temperature MRFM probe apparatus which can be applied to an MRFM low temperature experiment using liquid nitrogen (LN2) or liquid helium (4).

MRFM은 다음과 같이 크게 3 부분으로 구성되어 있다. 1) 측정장치(instruments), 2) 프로브(probe), 3) 저온장치(cryostat)이다. The MRFM consists of three parts as follows. 1) instruments, 2) probes, and 3) cryostats.

여기서 1) 측정장치는 MRFM의 측정을 위한 PZT 제어기나, 광간섭계, 알에프(RF) 관련 여러 계측기들로 구성되어 있고, 2) 프로브는 시료와 외팔보(Cantilever, 일종의 진동자) 등을 포함하고 있는 부분으로 저온에 놓이는 부분인데, P ~ 10-6 torr 정도의 진공상태를 유지할 수 있도록 밀폐된 형태로 만들어진다. 3) 저온장치는 말 그대로 액체헬륨이나 액체질소 등 저온을 유지하는 냉매를 보관하는 장치로 2중 3중의 진공 외벽으로 구성되어 외부와의 열 교환이 최소한이 되도록 제작되어 있다. 이 중 1), 3)은 통상 상용화된 장치를 활용하는데, 우리가 발명으로 제시하는 부분은 2)의 프로브 부분에 해당한다.Here, 1) the measuring device is composed of PZT controller for measurement of MRFM, optical interferometer, RF (RF) related instruments, and 2) a probe including a part including a sample and a cantilever Which is placed at a low temperature. It is made in a closed form to maintain a vacuum of about P ~ 10 -6 torr. 3) The low-temperature device is a device that stores low-temperature refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen. It is composed of two or three vacuum outer walls and is designed to minimize heat exchange with the outside. Of these, 1) and 3) normally utilize a commercialized device, and the part proposed by the inventor corresponds to the probe part of 2).

근래에 들어 나노기술의 발전과 더불어 물질의 크기가 나노 이하의 영역에서 발현하는 특성이 덩어리 형태에서 발현하는 특성과는 매우 다르다는 사실들이 밝혀졌다. In recent years, along with the development of nanotechnology, it has been found that the characteristics of the substance expressed in the sub-nanoscale region are very different from those exhibited in the chunk form.

따라서 새로운 물질을 나노기술에 적용하기 위해서는 나노크기 영역에서 발현하는 물질 특성을 정확하게 규명해야 하는데, 현재 개별 원자의 특성을 측정하고 분석하는 장치로 SPM 기술이 매우 유용하게 적용되고 있다. Therefore, in order to apply a new material to nanotechnology, it is necessary to accurately characterize the substance expressed in the nanoscale area. Currently, SPM technology is very usefully applied as a device for measuring and analyzing the characteristics of individual atoms.

SPM은 1986년 G. Binning이 STM (Scanning Tunneling Microscopy)으로 노벨 물리학상을 수상한 이후 다양한 형태로 개발되어 왔다. 가장 잘 알려진 대표적 SPM으로 원자 힘 현미경 (Atomic Force Microscope: AFM)과 자기 힘 현미경 (Magnetic Force Microscope: MFM) 외에도 10여종의 SPM 장치가 상용화되어 시장에서 판매되고 있다. 이 SPM 장치에서는 나노공정으로 제작되는 외팔보(일종의 진동자, cantilever)를 센서로 사용하는데, 측정감도 향상을 위해서는 가능한 고진공과 저온환경에서 이 장치를 동작시키는 것이 유리하다.SPM has been developed in various forms since it was awarded the Nobel Prize for Physics in 1986 by G. Binning for Scanning Tunneling Microscopy (STM). As one of the best-known SPMs, besides Atomic Force Microscope (AFM) and Magnetic Force Microscope (MFM), more than 10 types of SPM devices are commercialized and marketed. In this SPM device, a cantilever (a kind of vibrator, cantilever) manufactured by a nano process is used as a sensor. In order to improve measurement sensitivity, it is advantageous to operate the device in a high-vacuum and low-temperature environment.

1991년 미국 워싱턴 대학의 J. Sidles 교수는 기존의 인덕티브 방식의 자기공명 측정방법 대신 SPM 기술에 자기공명 기술을 접목한 새로운 방식의 자기공명 측정방식을 이론적으로 제안하였는데, 1992년 IBM Almaden연구소의 D. Rugar는 이 이론적 제안을 실험적으로 최초로 구현하는데 성공하였다. 이후 이 그룹은 이 기술을 통칭하여 자기공명 힘 현미경(Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)이라 명명하였다. 다시 말해 MRFM은 SPM 기술과 자기공명 기술이 접목된 새로운 형태의 SPM으로 설명할 수 있는데, 기술의 난해성으로 인해 현재까지 상용화된 제품은 출시되지 않고 있다.In 1991, Professor J. Sidles of the University of Washington proposed the new magnetic resonance measurement method that incorporates magnetic resonance (SPM) technology instead of the conventional inductive magnetic resonance measurement method. D. Rugar succeeded in experimentally implementing this theoretical proposal for the first time. The group later referred to this technology as Magnetic Resonance Force Microscopy (MRFM). In other words, MRFM can be described as a new type of SPM that combines SPM technology and magnetic resonance technology. Due to the difficulties of technology, commercialized products are not available until now.

MRFM이 기존의 SPM과 다른 점은 아래 그림과 같이 측정 시료가 외팔보위에 올려지고, 자기공명 기술이 부가됨으로써 시료에 경사자계를 주기 위한 자석이 매우 근접하도록 위치시켜야 한다는 것이다. 또한 외팔보의 운동을 측정하는 외경 125μm의 광섬유가 외팔보에 근접해 있다. The MRFM differs from the conventional SPM in that the sample is placed on the cantilever and the magnetic resonance technique is added so that the magnet is positioned very close to the sample to provide a gradient magnetic field. Also, an optical fiber with an outer diameter of 125 μm measuring the motion of the cantilever is close to the cantilever.

통상 외팔보의 치수는 500μm(길이)*50μm(폭)*2μm((두께) 정도이다. 요약하면, 경사자계 자석-시료-광섬유가 상대적으로 ~10㎛ 정도의 간격을 두고 일정점에 위치해 있어야 하는데, 설령 상온에서 이러한 상태가 잘 유지되었다고 하더라도, 저온(액체헬륨 ~ T=4.2K, 액체질소 ~ T=77K)으로 내려가게 되면, 프로브를 구성하는 부분품들의 수축으로 인해 물리적 틀어짐이 발생된다. In general, the size of the cantilever beam is about 500 μm (length) * 50 μm (width) * 2 μm (thickness). In summary, the gradient magnetic field-sample-optical fiber should be located at a certain point Even if this state is well maintained at room temperature, if the temperature goes down to low temperature (liquid helium ~ T = 4.2K, liquid nitrogen ~ T = 77K), physical deflection will occur due to shrinkage of the components constituting the probe.

여기서의 틀어짐이란 센서의 움직임을 측정할 수 없는 것을 의미하는 것으로 이 장치의 효용성을 무용하게 만드는 것이다. The deviation here means that the movement of the sensor can not be measured, making the usefulness of this device useless.

또한 프로브 내부에 위치시켜야 되는 나노 위치제어기나 외팔보 발진을 위해 요구되는 압전자 등을 구동하기 위해 다양한 형태의 전기적 배선이 고진공과 동시에 요구되는데, 이러한 것을 손쉽게 해결할 수 있는 표준적인 MRFM 프로브 장치는 제시되어 있지 않다. 또한 저온에서 다양한 자기공명 실험을 수행하기 위해서는 다중 공진주파수를 갖는 LC회로가 유리한데, 저온에서 프로브 교체 없이 동시에 다중 주파수 실험이 가능한 이러한 LC회로 tank-circuit 구조 또한 제시되어 있지 않다.In addition, various types of electrical wiring are required at the same time as high vacuum in order to drive the nano-position controller to be placed in the probe and the piezoelectric elements required for the cantilever oscillation. A standard MRFM probe device that can easily solve this problem is proposed It is not. In addition, LC circuits with multiple resonance frequencies are advantageous in order to perform various magnetic resonance experiments at low temperatures. However, such an LC circuit tank-circuit structure capable of simultaneously performing multiple frequency experiments without replacing the probe at low temperatures is not proposed.

Figure 112012109486005-pat00001
Figure 112012109486005-pat00001

그림. 자기공명 힘 현미경 장치에서 경사자계 자석-시료-광섬유의 상대적 위치
Drawing. Relative position of gradient magnetic field-sample-optical fiber in a magnetic resonance force microscope

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액체질소나 액체헬륨 온도에서 동작특성이 우수하고 다수의 알에프 코일(RF coil)을 구비하여 다중 주파수 실험이 가능하도록 함으로써 사용 편의성이 향상될 수 있도록 한 저온 자기공명 힘 현미경 (Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)의 프로브 장치를 제공하는 것에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an RF coil having excellent operating characteristics at liquid nitrogen or liquid helium temperature, And a probe apparatus of a low-temperature magnetic resonance force microscope (MRFM).

본 발명은 진공통 내부 상태를 확인하기 위한 영상촬영부를 구비하되, 회로소자로 구성되어 저온에 취약한 바디부는 진공통 외부에 위치시켜 원활한 작동을 가능하게 하고, 헤드부는 진공통 내부 상태를 촬영하여 디스플레이부를 통해 육안 확인 가능하도록 한 저온 MRFM의 프로브장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 외팔보에 올려진 측정대상인 시료를 기준으로 상측에 위치하여 시료의 특정 영역을 지정하는 자석과, 외팔보의 하측에 위치하여 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하는 광섬유가 상측 구동부와 하측 구동부에 의해 구동될 수 있도록 하여 측정의 정확도를 극대화할 수 있도록 한 저온 MRFM의 프로브장치를 제공하는 것에 있다.
The present invention provides an image capturing unit for confirming a true common internal state, wherein the body part is composed of circuit elements and is vulnerable to low temperatures, Temperature MRFM probe unit which can be visually confirmed through a probe and a probe.
The present invention is characterized in that a magnet which is located on the upper side of a specimen to be measured on a cantilever beam and specifies a specific region of the specimen and an optical fiber which is located under the cantilever beam and measures the motion of the cantilever, Temperature MRFM probe that can be driven by a lower driver and a lower driver to maximize the accuracy of measurement.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명은, 나노 크기 이하의 영역에서 발현하는 시료의 고유특성을 극저온에서 관찰하는 저온 MRFM의 프로브 장치에 있어서, 측정하고자 하는 시료가 장착되고, 전자기파를 공급해서 시료의 특성을 센서로 측정하는 측정부와, 상기 측정부의 상측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 상측 구동부와, 상기 측정부의 하측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 하측 구동부와, 상기 상측 구동부의 상측에 구비되고, 상기 측정부의 진동을 방지하는 댐핑부와, 상기 댐핑부의 상측에 구비되고, 상기 측정부에서 연결된 전기회로를 제어측정부로 전기적으로 연결시키는 커넥션부와, 상기 측정부의 일측에 구비되고, 상기 측정부의 측정상태를 영상으로 촬영하여 제어측정부로 데이터를 송신하는 영상 촬영부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a probe apparatus for a low-temperature MRFM probe for observing intrinsic properties of a sample expressed in a nano-sized region or less at a cryogenic temperature, the probe being mounted with a sample, An upper driving part provided on the upper side of the measuring part so as to be able to be driven and controlled in units of nm; a lower driving part provided on the lower side of the measuring part so as to be able to be driven and controlled in units of nm; A connection part provided on the upper side of the damping part and electrically connecting the electric circuit connected by the measurement part to the control measurement part, and a connection part provided on one side of the measurement part, And an image capturing unit capturing an image of the measurement state of the measurement unit as an image and transmitting the data to the control measurement unit .

그리고, 상기 측정부는 측정하고자 하는 시료가 장착된 외팔보와, 상기 외팔보의 하측에서 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하며 상기 하측 구동부와 연동하는 광섬유와, 상기 외팔보의 상측에서 하측에 위치한 시료의 특정영역을 지정하며, 상기 상측 구동부와 연동하는 자석과, 상기 외팔보의 일측에 구비되고, 전자기파를 발생시키는 알에프 코일을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The measuring unit may include a cantilever mounted with a sample to be measured, an optical fiber measuring movement of the cantilever under the cantilever, performing an optical interferometer and interlocking with the lower driving unit, A magnet for specifying a specific region of the sample and interlocking with the upper driving unit; and an RF coil provided at one side of the cantilever and generating an electromagnetic wave.

상기 영상 촬영부는, 상기 측정부의 측정상태를 관찰하는 헤드부와, 상기 헤드부에서 촬영된 영상을 디지털 신호로 변환하여 제어측정부로 송신하는 소정의 회로소자로 구성된 바디부와, 상기 제어측정부 일측에 구비되어 바디부에서 송신된 데이터를 영상으로 재현하는 디스플레이부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The image capturing section includes a body section for observing a measurement state of the measurement section, a body section including predetermined circuit elements for converting an image captured by the head section into a digital signal and transmitting the digital signal to the control measurement section, And a display unit for reproducing the data transmitted from the body unit as an image.

그리고 상기 헤드부는 극저온에 노출되고, 상기 바디부는 상온분위기에 위치하며, 상기 바디부와 헤드부는 상호 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.The head part is exposed to a cryogenic temperature, the body part is located in a room temperature atmosphere, and the body part and the head part are electrically connected to each other.

상기 알에프 코일은 다중 공진주파수를 갖는 LC회로인 것을 특징으로 한다.And the RF coil is an LC circuit having a multiple resonance frequency.

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상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, MRFM의 저온용 프로브 장치로 액체질소나 액체헬륨 온도에서 동작특성이 우수하고 다수의 알에프 코일을 구비하여 다중 주파수 실험이 가능하도록 함으로써 사용편의성이 향상되는 이점이 있다.According to the present invention, the low temperature probe device of the MRFM has excellent operation characteristics at the temperature of liquid nitrogen or liquid helium and has a plurality of RF coils. .

또한 본 발명은 진공통 내부 상태를 확인하기 위한 영상 촬영부를 구비하되, 회로소자로 구성되어 저온에 취약한 바디부는 진공통 외부에 위치시켜 원활한 작동을 가능하게 하고, 헤드부는 진공통 내부 상태를 촬영하여 디스플레이부를 통해 육안 확인 가능하도록 구성하였다.
또한 본 발명은 외팔보에 구비된 측정대상인 시료를 기준으로 상측에 위치하여 시료의 특정 영역을 지정하는 자석과, 외팔보의 하측에 위치하여 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하는 광섬유가 상측 구동부와 하측 구동부에 의해 구동될 수 있도록 구성하였다.
따라서 측정의 정확도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
In addition, the present invention provides an image capturing unit for confirming a true common internal state, wherein the body part is composed of circuit elements and is vulnerable to low temperature, It is configured to be visible through the display unit.
According to the present invention, there is provided a cantilever comprising: a magnet which is located on the upper side with respect to a sample to be measured provided on a cantilever and which specifies a specific region of the sample; an optical fiber positioned below the cantilever, measuring the motion of the cantilever, And is driven by the driving unit and the lower driving unit.
Therefore, there is an advantage that the accuracy of the measurement can be maximized.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예가 채택된 저온 MRFM의 전체 사진.
도 2 는 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치의 구성을 나타낸 사시도.
도 3 은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 일 구성인 측정부를 나타낸 사진.
도 4 는 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 일 구성인 영상 촬영부를 나타낸 사진.
도 5 는 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 일 구성인 알에프 코일을 나타낸 개요도.
도 6 은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치의 구성을 나타낸 정면 사진.
도 7 은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 측정부의 구성을 나타낸 상세 사진.
도 8 은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 측정부의 일 구성인 외팔보에 시료가 안착된 모습을 보인 사진.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an overall photograph of a low temperature MRFM employing a preferred embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a configuration of a probe apparatus of a low-temperature MRFM according to the present invention.
3 is a photograph showing a measurement unit which is one component of a probe apparatus for low-temperature MRFM according to the present invention.
FIG. 4 is a photograph showing a photographing unit as a component of the probe apparatus of the low-temperature MRFM according to the present invention. FIG.
5 is a schematic diagram showing an RF coil as one component in a probe apparatus for a low-temperature MRFM according to the present invention.
6 is a front view showing a configuration of a probe apparatus for low-temperature MRFM according to the present invention.
7 is a detailed photograph showing a configuration of a measuring unit in a probe apparatus for a low-temperature MRFM according to the present invention.
8 is a photograph showing a sample placed on a cantilever beam which is a constitution of a measuring unit in a probe apparatus of a low-temperature MRFM according to the present invention.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시 예에 제한된다고 할 수 없으며,또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood, however, that there is no intention to limit the scope of the present invention to the embodiment shown, and that other embodiments falling within the scope of the present invention may be easily devised by adding, Can be proposed.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예가 채택된 저온 MRFM의 전체 사진이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a photograph of a low-temperature MRFM in which a preferred embodiment of the present invention is employed.

도 2는 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치의 구성을 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view showing a configuration of a probe apparatus for low-temperature MRFM according to the present invention.

도 3은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 일 구성인 측정부를 나타낸 사진이다.FIG. 3 is a photograph showing a measuring unit, which is one component of the probe apparatus for a low-temperature MRFM according to the present invention.

도 4 는 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 일 구성인 영상 촬영부를 나타낸 사진이다.FIG. 4 is a photograph showing a photographing unit as a component in the probe apparatus of the low-temperature MRFM according to the present invention.

살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 저온 MRFM의 프로브 장치(이하 '프로브 장치(100)'라 칭함)는, 나노영역에서 물질의 고유특성을 관찰하는 MRFM의 일 구성으로서, 액체 질소나 액체 헬륨으로 충전되고, 저온상태(T=4.2K ~ 77K)의 진공상태를 제공하는 저온 장치(200)로부터 냉기를 제공받도록 연결된다.The low temperature MRFM probe apparatus (hereinafter referred to as 'probe apparatus 100') according to an embodiment of the present invention is a constitution of MRFM for observing the intrinsic property of a material in the nano region, Is connected to receive cold air from a cryogenic device 200 that is charged and provides a vacuum state at a low temperature (T = 4.2K to 77K).

그리고, 상기 프로브 장치(100) 내부에는 측정하고자 하는 시료(도 3의 도면부호 'N'참조)가 장착되고, 측정 센서가 구비되어 극저온에서 시료(N)에 대하여 나노 크기 이하의 영역에서 발현하는 고유 특성을 관찰할 수 있도록 구성된다.
이를 위해 상기 프로브 장치(100)는 디스플레이부(166)를 구비한 제어측정부(300)와 전기적으로 연결된다.
상기 제어측정부(300)는 프로브 장치(100)에서 측정되어 송신된 데이터를 분석하고 도식화하는 역할을 수행한다
A sample to be measured (refer to 'N' in FIG. 3) is mounted in the probe apparatus 100 and a measurement sensor is provided to measure the sample N at a cryogenic temperature. So that it can observe intrinsic properties.
The probe device 100 is electrically connected to the control measurement unit 300 having the display unit 166. FIG.
The control measurement unit 300 analyzes and displays the data measured and transmitted by the probe apparatus 100

그리고, 상기 프로브 장치(100)는 도 6과 같이, 측정하고자 하는 시료(N)가 장착되고, 전자기파를 공급해서 시료의 특성을 외팔보로 측정하는 측정부(110)와, 상기 측정부(110)에 상측에 구비되고, 상기 측정부(110)에 구비된 자석(116)을 nm단위로 구동제어하는 상측 구동부(120)와, 상기 측정부(110)의 하측에 구비되고, 광섬유(114)를 nm단위로 구동제어하는 하측 구동부(130)와, 상기 상측 구동부(120)의 상측에 구비되고, 상기 측정부(110)의 진동을 방지하는 댐핑부(140)와, 상기 댐핑부(140)의 상측에 구비되고, 상기 측정부(110)에서 연결된 전기회로를 상기 제어측정부(300)로 전기적으로 연결시키는 커넥션부(150)와, 상기 측정부(110)의 일측에 구비되고, 상기 측정부(110)의 측정상태를 영상으로 촬영하여 상기 제어측정부(300)로 데이터를 송신하는 영상촬영부(160)를 포함하여 구성된다.6, the probe apparatus 100 includes a measuring unit 110 to which a sample N to be measured is mounted and which measures electromagnetic waves to cantilever the characteristics of the sample, An upper driving unit 120 disposed on the upper side of the measuring unit 110 for driving and controlling magnets 116 provided in the measuring unit 110 in nm units and an optical fiber 114 provided below the measuring unit 110, a damping unit 140 disposed on the upper side of the upper driving unit 120 to prevent vibration of the measuring unit 110 and a driving unit 130 for driving the damping unit 140. [ A connection unit 150 electrically connected to the control unit 300 and electrically connected to the measurement unit 110 and a connection unit 150 provided at one side of the measurement unit 110, (160) for photographing the measurement state of the measurement object (110) and transmitting the data to the control measurement unit (300) It is open configuration.

그리고, 상기 측정부(110)는, 측정하고자 하는 시료(N)가 장착되고, 외팔보(112)와, 상기 외팔보(112)의 하측에 구비되고, 상기 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하는 광섬유(114)와, 상기 외팔보(112)의 상측에 구비되고, 하측방향으로 검사하고자 하는 시료(N)의 특정영역을 지정하는 역할을 수행하는 자석(116)과, 상기 외팔보(112)의 일측에 구비되고, 전자기파를 발생시키는 알에프 코일(118)을 포함하여 구성된다.
한편, 영상촬영부(160)는, 상기 측정부(110)의 측정상태를 관찰하는 헤드부(162)와, 상기 헤드부(162)에서 촬영된 영상을 디지털 신호로 변환하여 상기 제어측정부(300)로 송신하는 소정의 회로소자로 구성된 바디부(164)와, 상기 바디부(164)에서 촬영된 영상을 재현하는 디스플레이부(166)를 포함하여 구성된다
The measurement unit 110 includes a cantilever 112 and a cantilever 112 disposed below the cantilever 112 to measure the motion of the cantilever beam and to measure the motion of the cantilever beam A magnet 116 which is provided on the upper side of the cantilever 112 to designate a specific area of the specimen N to be inspected downward; And an RF coil 118 which is provided at one side of the RF coil 118 and generates an electromagnetic wave.
The image capturing unit 160 includes a head unit 162 for observing the measurement state of the measurement unit 110 and a control unit for converting the image captured by the head unit 162 into a digital signal, And a display unit 166 for reproducing an image photographed by the body unit 164

그리고, 상기 헤드부(162)는, 극저온에 노출된 상태로 상기 측정부(110)를 촬영하고, 상기 바디부(164)는 상온으로 유지되는 장소에 구비되며, 상기 헤드부(162)와 바디부(164)는 상호 전기적으로 연결되어 있다.The head part 162 photographs the measurement part 110 in a state exposed to a cryogenic temperature and the body part 164 is provided at a place where the body part 164 is maintained at a normal temperature. Portions 164 are electrically connected to each other.

상기와 같은 구성에 의할 때, 시험자는, 상기 영상촬영부(160)를 통해서 전송된 상기 측정부(110)의 상태를 디스플레이부(166)를 통해서 육안으로 확인하면서, 상기 외팔보(112)에 구비된 측정대상인 시료(N)를 기준으로 해서 상기 외팔보(112)의 하측에 구비되고, 상기 센서의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하는 광섬유(114)와, 상기 외팔보(112)의 상측에 구비되고, 하측 방향으로 검사하고자 하는 시료(N)의 특정영역을 지정하는 역할을 수행하는 자석(116)의 수직방향으로 일직선상에 정렬되도록, 상기 상측 구동부(120)와, 상기 하측 구동부(130)를 구동시켜서, 측정의 정확도를 극대화할 수 있게 된다.The tester can visually check the state of the measurement unit 110 transmitted through the image capturing unit 160 through the display unit 166 and transmit the state of the measurement unit 110 to the cantilever 112 An optical fiber 114 provided below the cantilever 112 on the basis of the sample N as a reference and measuring the movement of the sensor and acting as a light interferometer; And the lower driving part 120 and the lower driving part 120 are arranged so as to be aligned on a straight line in the vertical direction of the magnet 116 serving to designate a specific area of the sample N to be inspected in the downward direction. 130 can be driven to maximize the accuracy of the measurement.

도 5는 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 일 구성인 알에프 코일을 나타낸 개요도이다.5 is a schematic diagram showing an RF coil as one component in a probe apparatus for a low-temperature MRFM according to the present invention.

도 6은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치의 구성을 나타낸 정면 사진이다.6 is a front view showing the configuration of the probe apparatus of the low-temperature MRFM according to the present invention.

도 7은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 측정부의 구성을 나타낸 상세 사진이다.7 is a detailed photograph showing the configuration of the measuring unit in the low temperature MRFM probe apparatus according to the present invention.

도 8은 본 발명에 의한 저온 MRFM의 프로브 장치에서 측정부의 일 구성인 외팔보에 시료가 안착된 모습을 보인 사진이다.FIG. 8 is a photograph showing a sample placed on a cantilever beam, which is a constitution of a measuring unit, in a probe apparatus of a low-temperature MRFM according to the present invention.

살펴보면, 상기 프로브 장치(100)는, 측정하고자 하는 시료(N)가 장착되고, 전자기파를 공급해서 시료(N)의 특성을 외팔보로 측정하는 측정부(110)와, 상기 측정부(110)의 상측에 구비되고, 상기 측정부(110)에 구비된 자석(116)을 nm단위로 구동제어하는 상측 구동부(120)와, 상기 측정부(110)의 하측에 구비되고, 광섬유(114)를 nm단위로 구동제어하는 하측 구동부(130)와, 상기 상측 구동부(120)의 상측에 구비되고, 상기 측정부(110)의 진동을 방지하는 댐핑부(140)와, 상기 댐핑부(140)의 상측에 구비되고, 상기 측정부(110)에서 연결된 전기회로를 상기 제어측정부(300)로 전기적으로 연결시키는 커넥션부(150)와, 상기 측정부(110)의 일측에 구비되고, 상기 측정부(110)의 측정상태를 영상으로 촬영하여 상기 제어측정부(300)로 데이터를 송신하는 영상촬영부(160)를 포함하여 구성된다.The probe apparatus 100 includes a measuring unit 110 mounted with a sample N to measure and cantileverly measure characteristics of the sample N by supplying electromagnetic waves to the measuring unit 110, An upper driving unit 120 disposed on the upper side of the measuring unit 110 for driving and controlling magnets 116 provided in the measuring unit 110 in units of nm; A damping unit 140 disposed on the upper side of the upper driving unit 120 to prevent the vibration of the measuring unit 110 and a lower damping unit 140 disposed on the upper side of the damping unit 140. [ A connection unit 150 electrically connected to the measurement unit 110 and electrically connected to the control unit 300 and a connection unit 150 provided at one side of the measurement unit 110, And an image capturing unit 160 for capturing an image of the measurement state of the control unit 110 and transmitting the data to the control measurement unit 300, It is.

그리고, 상기 측정부(110)는, 측정하고자 하는 시료(N)가 장착되고, 외팔보(112)와, 상기 외팔보(112)의 하측에 구비되고, 상기 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하는 광섬유(114)와, 상기 외팔보(112)의 상측에 구비되고, 하측방향으로 검사하고자 하는 시료(N)의 특정영역을 지정하는 역할을 수행하는 자석(116)과, 상기 외팔보(112)의 일측에 구비되고, 전자기파를 발생시키는 알에프 코일(118)을 포함하여 구성된다.
상기 알에프 코일(118)은 도 3 및 도 5와 같이 다중 공진주파수를 갖는 LC회로가 적용되었다.
The measurement unit 110 includes a cantilever 112 and a cantilever 112 disposed below the cantilever 112 to measure the motion of the cantilever beam and to measure the motion of the cantilever beam A magnet 116 which is provided on the upper side of the cantilever 112 to designate a specific area of the specimen N to be inspected downward; And an RF coil 118 which is provided at one side of the RF coil 118 and generates an electromagnetic wave.
The RF coil 118 has an LC circuit having multiple resonance frequencies as shown in FIG. 3 and FIG.

한편, 자석(116)-시료(N)-광섬유(114)의 위치를 관찰할 수 있는 Charge-Coupled Device (CCD) 즉, 영상촬영부(160)는 도 3에 표시된 프로브 장치(100)의 내부 모습을 관찰하는데 사용한다. A charge-coupled device (CCD) capable of observing the position of the magnet 116 - the sample N - the optical fiber 114, that is, the image capturing unit 160, It is used to observe the figure.

상기 프로브 장치(100)의 내부 모습은 도 3과 같다. 통상 도 3과 같은 설치는 상온(T=300K) 상태에서 상기 프로브 장치(100)를 열어서 작업을 수행하게 되는데, 작업이 완료된 후 상기 프로브 장치(100)를 다시 밀봉하여 거대한 저온 용기(200)에 넣게 되는데, 이 이후로는 육안으로 더 이상 내부의 상태를 관찰할 수 없게 된다. The inside view of the probe apparatus 100 is shown in FIG. 3, the probe device 100 is opened at room temperature (T = 300K) to perform an operation. After the operation is completed, the probe device 100 is sealed again and is placed in a large cold container 200 After that, the state of the inside can no longer be observed with the naked eye.

그리고, 상기 프로브 장치(100)를 이용하여 특성 실험시에는 자석(116)-시료(N)-광섬유(114)의 상대적 위치가 매우 중요한데, 극저온상태에서는 부분품들의 수축으로 이 위치가 상온과는 다르게 된다. The relative position of the magnets 116 to the sample (N) to the optical fiber 114 is very important at the time of the characteristic test using the probe apparatus 100. In the cryogenic temperature state, do.

통상 영상을 관찰하는 도구로 CCD가 영상촬영장치로 널리 사용된다. 그러나 상온에서의 상기 영상촬영장치의 작동은 크게 문제가 발생하지 않으나, 액체질소나 액체헬륨과 같은 극저온상태에서는 전자회로의 특성상 작동이 되지 않는다. 우리는 이것을 해결하는 방법으로 상기 영상촬영부(160)를 구성하는 상기 헤드부(162)와 바디부(164.전자회로) 부분을 별도로 분리하고, 이 부분을 전선으로 연결하는 방법으로 저온에서 사용하는 상기 측정부(110)의 내부 상태를 관찰할 수 있는 장치를 제작하였다. A CCD is widely used as a device for photographing a normal image. However, the operation of the image capturing apparatus at room temperature does not cause a serious problem, but it can not operate due to the characteristics of an electronic circuit at a cryogenic temperature such as liquid nitrogen or liquid helium. In order to solve this problem, the head part 162 and the body part (the 164th electronic circuit) constituting the image pickup part 160 are separately separated, and the part is connected by a wire. A device capable of observing the internal state of the measuring unit 110 was manufactured.

기존에는 이러한 상기 측정부(110)의 상태를 관찰할 수 있는 장치가 없어, 문제 발생시 이를 수정할 수 있는 방법이 없었다. In the past, there was no device capable of observing the state of the measuring unit 110, and there was no way to correct the problem in the event of a problem.

요약하면 냉매에 담겨지는 도 2의 "A"로 표시된 진공통 내부에 분리된 상기 헤드부(162)를 장착시키고, 상온에 위치되는 그림 2의 "B"로 표시된 부위에 상기 바디부(164)를 위치시킨 후 상기 바디부(164)의 영상단자를 상기 제어측정부(300)로 연결하면 극저온 상태인 "A" 내부에 위치한 상기 측정부(110)의 내부 측정상태의 모습을 실시간으로 관찰할 수 있다.Briefly, the separated head portion 162 is mounted in a common interior indicated by "A" in Fig. 2, which is contained in the refrigerant, and the body portion 164 is mounted on a portion indicated by "B" When the video terminal of the body part 164 is connected to the control measuring part 300, the state of the internal measuring state of the measuring part 110 located in the cryogenic state 'A' is observed in real time .

1. 자기공명 힘 현미경 (MRFM) 100. 프로브 장치
110. 측정부 112. 외팔보
114. 광섬유 116. 자석
118. 알에프 코일 120. 상측 구동부
130. 하측 구동부 140. 댐핑부
150. 커넥션부 160. 영상촬영부
162. 헤드부 164. 바디부
166. 디스플레이부 200. 저온 장치
300. 제어측정부 N . 시료
1. Magnetic Resonance Force Microscope (MRFM) 100. Probe device
110. Measurement part 112. Cantilever
114. Optical fiber 116. Magnet
118. RF coil 120. Upper driving part
130. Lower driver 140. Damping part
150. Connection unit 160. Video shooting unit
162. Head part 164. Body part
166. Display unit 200. Low temperature apparatus
300. Control measuring part N. sample

Claims (6)

나노 크기 이하의 영역에서 발현하는 시료의 고유특성을 극저온에서 관찰하는 저온 자기공명 힘 현미경(Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)의 프로브 장치에 있어서,
측정하고자 하는 시료가 장착되고, 전자기파를 공급해서 시료의 특성을 외팔보(Cantilever)로 측정하는 측정부와,
상기 측정부의 상측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 상측 구동부와,
상기 측정부의 하측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 하측 구동부와,
상기 상측 구동부의 상측에 구비되고, 상기 측정부의 진동을 방지하는 댐핑부와,
상기 댐핑부의 상측에 구비되고, 상기 측정부에서 연결된 전기회로를 제어측정부로 전기적으로 연결시키는 커넥션부와,
상기 측정부의 일측에 구비되고, 상기 측정부의 측정상태를 영상으로 촬영하여 제어측정부로 데이터를 송신하는 영상촬영부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 저온 MRFM의 프로브 장치.
In a probe device of a low-temperature magnetic resonance force microscope (MRFM) for observing intrinsic properties of a sample expressed in a region of nano-size or less at a cryogenic temperature,
A measuring unit to which a sample to be measured is mounted and which measures the characteristics of the sample with a cantilever by supplying an electromagnetic wave;
An upper driving unit provided on the upper side of the measurement unit so as to be controllable in units of nm;
A lower driver provided below the measurement unit so as to be controllable in units of nm;
A damping unit provided on the upper side of the upper driving unit to prevent vibration of the measuring unit,
A connection unit provided on the damping unit and electrically connecting the electric circuit connected by the measurement unit to the control measurement unit,
And an imaging unit provided at one side of the measurement unit and configured to photograph the measurement state of the measurement unit with an image and transmit data to the control measurement unit.
제 1 항에 있어서, 상기 측정부는,
측정하고자 하는 시료가 장착된 외팔보와,
상기 외팔보의 하측에서 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하며 상기 하측 구동부와 연동하는 광섬유(Optical fiber)와,
상기 외팔보의 상측에서 하측에 위치한 시료의 특정영역을 지정하며, 상기 상측 구동부와 연동하는 자석과,
상기 외팔보의 일측에 구비되고, 전자기파를 발생시키는 알에프 코일(RF coil)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 저온 MRFM의 프로브 장치.
The apparatus according to claim 1,
A cantilever equipped with a sample to be measured,
An optical fiber that measures the motion of the cantilever beam under the cantilever and performs a function of the optical interferometer and interlocks with the lower driver,
A magnet for specifying a specific region of the sample located on the lower side from the upper side of the cantilever,
And a RF coil provided on one side of the cantilever and generating an electromagnetic wave.
제 2 항에 있어서, 상기 영상촬영부는,
상기 측정부의 측정상태를 관찰하는 헤드부와,
상기 헤드부에서 촬영된 영상을 디지털 신호로 변환하여 제어측정부로 송신하는 소정의 회로소자로 구성된 바디부와,
상기 제어측정부 일측에 구비되어 바디부에서 송신된 데이터를 영상으로 재현하는 디스플레이부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 MRFM의 프로브 장치.
The apparatus according to claim 2,
A head unit for observing a measurement state of the measurement unit,
A body unit configured by predetermined circuit elements for converting an image photographed by the head unit into a digital signal and transmitting the digital signal to a control measurement unit,
And a display unit provided at one side of the control measurement unit and reproducing data transmitted from the body unit as an image.
제 3 항에 있어서, 상기 헤드부는 극저온에 노출되고,
상기 바디부는 상온분위기에 위치하며, 상기 바디부와 헤드부는 상호 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 저온 MRFM의 프로브 장치.
4. The apparatus according to claim 3, wherein the head portion is exposed to a cryogenic temperature,
Wherein the body part is located in a room temperature atmosphere, and the body part and the head part are electrically connected to each other.
제 4 항에 있어서, 상기 알에프 코일은 다중 공진주파수를 갖는 LC회로인 것을 특징으로 하는 저온 MRFM의 프로브 장치.
5. The probe apparatus of claim 4, wherein the RF coil is an LC circuit having a multiple resonance frequency.
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