RU2193769C2 - Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа - Google Patents
Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2193769C2 RU2193769C2 RU2000131289/28A RU2000131289A RU2193769C2 RU 2193769 C2 RU2193769 C2 RU 2193769C2 RU 2000131289/28 A RU2000131289/28 A RU 2000131289/28A RU 2000131289 A RU2000131289 A RU 2000131289A RU 2193769 C2 RU2193769 C2 RU 2193769C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- scanning
- scan
- sample
- oscillations
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/50—MFM [Magnetic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. MFM probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
- G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/038—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices
- G01R33/0385—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices in relation with magnetic force measurements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Nitrogen And Oxygen Or Sulfur-Condensed Heterocyclic Ring Systems (AREA)
Abstract
Способ включает использование магниточувствительного проводящего зонда. При первом сканировании возбуждают колебания зонда на первой частоте и сближают его с поверхностью образца до достижения амплитуды его колебаний предустановленного значения и поддерживают системой обратной связи амплитуду колебаний зонда путем взаимного относительного вертикального позиционирования зонда и поверхности образца. Запоминают сигнал относительного вертикального позиционирования в каждой точке сканирования. Прекращают колебательное механическое воздействие на зонд и осуществляют второе сканирование, при этом колебания возбуждают за счет приложения на зонд и образец разности потенциалов, содержащей постоянную и переменную во времени составляющие. Постоянную составляющую выбирают такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике второй частоты, и запоминают эту величину. Второе сканирование проводят с использованием запомненного сигнала относительного вертикального позиционирования. Затем проводят дополнительное сканирование с использованием запомненного сигнала относительного вертикального позиционирования и одновременно прикладывают постоянную составляющую разности потенциалов такой величины, которая была запомнена на предыдущем сканировании, а переменную составляющую выбирают равной нулю, обеспечивая компенсацию поверхностного электрического потенциала. Затем регистрируют отклонение зонда в этих точках сканирования, получая характеристики магнитного поля. Обеспечиваются исключение влияния фазовой неоднородности поверхности и повышение точности измерений. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а именно к способам измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с применением сканирующего зонда (атомно-силового микроскопа, магнитосилового микроскопа).
Известен способ измерения магнитного поля с учетом вариаций рельефа поверхности измеряемого образца (статья "Разделение магнитных и топографических эффектов в силовой микроскопии", Schonenberger С., Alvarado S.F., Lanbert S. E., Sanders I.L. Separation of magnetic and topographic effects in force microscopy.//1990. J. Appl. Phys. V.67, N 12. P. 7278-7280).
Способ включает в себя использование магниточувствительного проводящего зонда, представляющего собой кантилевер (гибкую консоль) с зондирующей иглой на его свободном конце, при этом:
- прилагают электрическую разность потенциалов между образцом и зондирующей иглой, причем разность потенциалов содержит независимую от времени и переменную с частотой f составляющие;
- приближают колеблющуюся зондирующую иглу к поверхности образца до достижения амплитуды ее колебаний на удвоенной частоте предустановленного значения;
- сканируют поверхность, при этом система обратной связи путем взаимного позиционирования колеблющейся зондирующей иглы и образца поддерживает амплитуду ее колебаний на удвоенной частоте равной предустановленному значению;
- регистрируют величину сигнала относительного позиционирования образца и зонда и среднюю величину отклонения колеблющегося зонда.
- прилагают электрическую разность потенциалов между образцом и зондирующей иглой, причем разность потенциалов содержит независимую от времени и переменную с частотой f составляющие;
- приближают колеблющуюся зондирующую иглу к поверхности образца до достижения амплитуды ее колебаний на удвоенной частоте предустановленного значения;
- сканируют поверхность, при этом система обратной связи путем взаимного позиционирования колеблющейся зондирующей иглы и образца поддерживает амплитуду ее колебаний на удвоенной частоте равной предустановленному значению;
- регистрируют величину сигнала относительного позиционирования образца и зонда и среднюю величину отклонения колеблющегося зонда.
Сигнал, подаваемый на устройство вертикального позиционирования, рассматривается в качестве сигнала, отображающего топографию образца, а средняя величина отклонения кантилевера рассматривается в качестве сигнала, отображающего величину магнитного поля.
Действие способа основано на взаимосвязи амплитуды колебаний кантилевера на второй гармонике с расстоянием между образцом и зондирующей иглой. Поддержание величины этой амплитуды постоянной в процессе сканирования означает постоянство среднего расстояния между поверхностью и колеблющейся зондирующей иглой. В то же время средняя величина отклонения кантилевера пропорциональна величине магнитного поля, что позволяет по изменению среднего отклонения кантилевера в процессе сканирования определять распределение магнитного поля по поверхности измеряемого образца.
Однако данный способ имеет недостаток, который заключается в том, что величина приповерхностного электрического поля, определяющего амплитуду колебаний кантилевера, при заданной разности потенциалов между исследуемым образцом и зондирующей иглой отражает истинное расстояние между ними лишь для однородных поверхностей с постоянными по поверхности потенциалом и поверхностной емкостью. Это требование существенно ограничивают область применимости этого метода только для образцов с фазово однородной поверхностью, не содержащей поверхностных загрязнений.
Известен также способ "Измерение полей с применением атомно-силового микроскопа, работающего по двухпроходной, с двойной амплитудой методике" (Патент США 5907096, G 01 B 7/34, 02.06.1997), предназначенный для измерений характеристик силового поля, распространяющегося от поверхности образца, при котором указанный способ включает следующую последовательность действий:
- приводят зондирующую иглу, гибко закрепленную на виброприводе, в колебательное состояние на первой частоте;
- приближают колеблющуюся зондирующую иглу к поверхности образца до достижения амплитуды ее колебаний предустановленного значения;
- центр колебаний зондирующей иглы устанавливают на первом заранее определенном от поверхности образца расстоянии;
- сканируют поверхность образца таким образом, что указанная зондирующая игла движется по указанной линии в первом проходе, при этом данные о положении центра колебаний указанного кантилевера заносят в память в качестве индикаторов топографических особенностей указанного образца вдоль указанной линии;
- по окончании первого сканирования уменьшают уровень колебаний зондирующей иглы;
- центр колебательных движений зондирующей иглы устанавливают на втором заранее установленном расстоянии от указанной поверхности образца;
- осуществляют повторное сканирование (второй проход) по указанной линии в соответствии с запомненными на первом проходе данными о положении центра колебаний указанного вибропривода;
- запоминают в указанной памяти данные, представляющие собой величины отклонения гибкого кантилевера как индикатора уровней градиентов указанных силовых полей.
- приводят зондирующую иглу, гибко закрепленную на виброприводе, в колебательное состояние на первой частоте;
- приближают колеблющуюся зондирующую иглу к поверхности образца до достижения амплитуды ее колебаний предустановленного значения;
- центр колебаний зондирующей иглы устанавливают на первом заранее определенном от поверхности образца расстоянии;
- сканируют поверхность образца таким образом, что указанная зондирующая игла движется по указанной линии в первом проходе, при этом данные о положении центра колебаний указанного кантилевера заносят в память в качестве индикаторов топографических особенностей указанного образца вдоль указанной линии;
- по окончании первого сканирования уменьшают уровень колебаний зондирующей иглы;
- центр колебательных движений зондирующей иглы устанавливают на втором заранее установленном расстоянии от указанной поверхности образца;
- осуществляют повторное сканирование (второй проход) по указанной линии в соответствии с запомненными на первом проходе данными о положении центра колебаний указанного вибропривода;
- запоминают в указанной памяти данные, представляющие собой величины отклонения гибкого кантилевера как индикатора уровней градиентов указанных силовых полей.
Действие способа основано на взаимосвязи величины отклонения гибкого кантилевера с величиной магнитного поля.
Однако данный способ имеет недостаток, заключающийся в необходимости использования образцов с фазово однородной поверхностью, в противном случае неоднородные приповерхностные электрические поля, обусловленные наличием контактной разности потенциалов между различными участками поверхности, также влияют на отклонение зонда и искажают полученные данные о величине магнитного поля, что существенно ограничивает область применимости этого метода.
Наиболее близким по технической сущности и функциональному назначению является способ измерения магнитного поля с учетом вариаций рельефа поверхности измеряемого образца (статья "Разделение магнитных и топографических эффектов в силовой микроскопии", Schonenberger С., Alvarado S.F., Lanbert S. E., Sanders I.L, Separation of magnetic and topographic effects in force microscopy. // 1990. J. Appl. Phys. V. 67, 12. P. 7278-7280), который включает в себя использование магниточувствительного проводящего зонда, при этом:
- прикладывают постоянную разность потенциалов между образцом и зондирующей иглой;
- возбуждают колебания зонда;
- приближают его к поверхности образца до достижения амплитуды его колебаний предустановленного значения;
- сканируют поверхность, при этом система обратной связи поддерживает амплитуду колебаний зонда равной предустановленному значению путем взаимного относительного вертикального позиционирования зонда и поверхности образца;
- запоминают сигнал относительного вертикального позиционирования;
- регистрируют среднюю величину вертикального отклонения колеблющегося зонда.
- прикладывают постоянную разность потенциалов между образцом и зондирующей иглой;
- возбуждают колебания зонда;
- приближают его к поверхности образца до достижения амплитуды его колебаний предустановленного значения;
- сканируют поверхность, при этом система обратной связи поддерживает амплитуду колебаний зонда равной предустановленному значению путем взаимного относительного вертикального позиционирования зонда и поверхности образца;
- запоминают сигнал относительного вертикального позиционирования;
- регистрируют среднюю величину вертикального отклонения колеблющегося зонда.
В процессе сканирования регистрируют величину сигнала, подаваемого на устройство относительного вертикального позиционирования образца и зонда, и среднюю величину отклонения колеблющегося зонда.
Сигнал, подаваемый на устройство относительного вертикального позиционирования, рассматривается в качестве сигнала, отображающего топографию образца, а средняя величина отклонения зонда рассматривается в качестве сигнала, отображающего величину магнитного поля.
Действие способа основано на взаимосвязи амплитуды колебаний кантилевера, зависящей от градиента электрического поля, с расстоянием между образцом и зондирующей иглой. Поддержание величины этой амплитуды постоянной в процессе сканирования означает постоянство среднего расстояния между поверхностью и колеблющимся кантилевером зондирующей иглы. В то же время средняя величина отклонения зонда пропорциональна величине магнитного поля, что позволяет по изменению среднего отклонения кантилевера в процессе сканирования определять распределение магнитного поля по поверхности измеряемого образца.
Однако данный способ имеет недостаток, который заключается в том, что при его применении к неоднородным образцам полученные данные по величине магнитного поля оказываются неточными. Это связано с тем, что поверхностный электрический потенциал фазово не однородных образцов непостоянен, соответственно непостоянен по поверхности и градиент электрического поля. Это вносит искажения не только в определение топографии поверхности, но и в определение магнитного поля.
Технической задачей, выполняемой изобретением, является исключение влияния фазовой неоднородности поверхности на измерения характеристик магнитного поля и, соответственно, повышение точности измерений. В фазово не однородных магнитных образцах вследствие контактной разности потенциалов на поверхности образца формируются различно заряженные участки поверхности, соответственно, поверхностный электрический потенциал становится неоднородным. Таким образом, фазовая неоднородность образцов приводит к появлению приповерхностных электрических полей, влияющих на статическое и динамическое поведение магниточувствительных зондов и искажающих получаемые в процессе измерений характеристики магнитных полей.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа, включающем использование магниточувствительного проводящего зонда:
- возбуждают колебания зонда на первой частоте путем колебательного механического воздействия;
- сближают зонд с поверхностью образца до достижения амплитуды колебаний зонда, равной предустановленному значению;
- производят первое сканирование поверхности зондом, колеблющимся с первой частотой, при этом поддерживают посредством системы обратной связи амплитуду колебаний зонда, равной предустановленному значению, путем взаимного относительного вертикального позиционирования зонда и поверхности образца, при этом сканирование поверхности зондом проводят при ограничении амплитуды колебаний зонда контактными силами отталкивания;
- запоминают сигнал взаимного относительного вертикального позиционирования в каждой точке сканирования;
- прекращают колебательное механическое воздействие на зонд;
- прикладывают разность потенциалов между образцом и зондом, причем приложенная разность потенциалов содержит постоянную во времени и переменную со второй частотой составляющие, при этом зонд начинает колебаться под действием электрических сил между образцом и зондом;
- осуществляют второе сканирование по той же кривой с использованием запомненного сигнала относительного вертикального позиционирования, причем относительное вертикальное позиционирование образца и зонда устанавливают равным с точностью до постоянной составляющей запомненному значению, а в каждой точке сканирования выбирают постоянную составляющую разности потенциалов такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике, и запоминают эту величину;
- после этого осуществляют дополнительное сканирование по тем же точкам кривой, что и на предыдущих сканированиях, при этом относительное вертикальное позиционирование образца и зонда устанавливают равным с точностью до постоянной составляющей запомненному значению, одновременно в каждой точке сканирования постоянную составляющую разности потенциалов прикладывают такой величины, которая была выбрана на предыдущем сканировании из условия минимизации амплитуды колебаний на первой гармонике, а переменную со второй частотой составляющую выбирают равной 0;
- регистрируют величину отклонения зонда, которая и характеризует градиент магнитного поля.
- возбуждают колебания зонда на первой частоте путем колебательного механического воздействия;
- сближают зонд с поверхностью образца до достижения амплитуды колебаний зонда, равной предустановленному значению;
- производят первое сканирование поверхности зондом, колеблющимся с первой частотой, при этом поддерживают посредством системы обратной связи амплитуду колебаний зонда, равной предустановленному значению, путем взаимного относительного вертикального позиционирования зонда и поверхности образца, при этом сканирование поверхности зондом проводят при ограничении амплитуды колебаний зонда контактными силами отталкивания;
- запоминают сигнал взаимного относительного вертикального позиционирования в каждой точке сканирования;
- прекращают колебательное механическое воздействие на зонд;
- прикладывают разность потенциалов между образцом и зондом, причем приложенная разность потенциалов содержит постоянную во времени и переменную со второй частотой составляющие, при этом зонд начинает колебаться под действием электрических сил между образцом и зондом;
- осуществляют второе сканирование по той же кривой с использованием запомненного сигнала относительного вертикального позиционирования, причем относительное вертикальное позиционирование образца и зонда устанавливают равным с точностью до постоянной составляющей запомненному значению, а в каждой точке сканирования выбирают постоянную составляющую разности потенциалов такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике, и запоминают эту величину;
- после этого осуществляют дополнительное сканирование по тем же точкам кривой, что и на предыдущих сканированиях, при этом относительное вертикальное позиционирование образца и зонда устанавливают равным с точностью до постоянной составляющей запомненному значению, одновременно в каждой точке сканирования постоянную составляющую разности потенциалов прикладывают такой величины, которая была выбрана на предыдущем сканировании из условия минимизации амплитуды колебаний на первой гармонике, а переменную со второй частотой составляющую выбирают равной 0;
- регистрируют величину отклонения зонда, которая и характеризует градиент магнитного поля.
Таким образом, при втором сканировании производят выбор постоянной составляющей разности потенциалов такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике, и запоминают ее (т.е. запоминают распределение поверхностного электрического потенциала вдоль линии сканирования), а на дополнительном сканировании величину постоянной составляющей выбирают такой, чтобы компенсировать влияние поверхностного электрического потенциала, определенного и запомненного на предыдущем сканировании, что обеспечивает решение поставленной технической задачи, а именно исключение влияния фазовой неоднородности поверхности на измерения характеристик магнитного поля.
Действие изобретения основано на установлении взаимосвязи между амплитудой колебаний на первой гармонике второй частоты и величиной отклонения магнитного зонда.
На фиг. 1 изображена блок-схема примера сканирующего зондового микроскопа, с применением которого может быть осуществлен предлагаемый способ;
на фиг. 2. изображен пример выполнения зонда и соединенного с ним устройства контроля изгиба зонда.
на фиг. 2. изображен пример выполнения зонда и соединенного с ним устройства контроля изгиба зонда.
В качестве примера реализации способа приведен сканирующий зондовый микроскоп (см. фиг.1), содержащий зонд 1, выполненный магниточувствительным и проводящим, и измеряемый образец 2, установленный на контактной площадке 3, закрепленной на устройстве подвода 4. Зонд 1 закреплен на виброприводе 5, приводимом в колебательное состояние управляющим генератором 6. Вибропривод 5 закреплен на устройстве позиционирования 7 для прецизионного перемещения зонда 1 по координатам x, y, z. Зонд 1 и образец 2 через контактную площадку 3 соединены с источником разности потенциалов 8, кроме того, зонд 1 оптически связан с устройством контроля изгиба 9 зонда. Общее управление работой сканирующего зондового микроскопа осуществляется управляющим устройством 10, которое выдает управляющие сигналы на устройство подвода 4, управляющий генератор 6, устройство позиционирования 7, источник разности потенциалов 8 и связано с устройством контроля изгиба 9 зонда. К управляющему устройству 10 подсоединены также запоминающее устройство 11 и устройство отображения 12.
Примеры выполнения зонда 1 и соединенного с ним устройства контроля изгиба 9 зонда изображены на фиг.2.
Зонд 1 состоит из держателя 13 (см. фиг.2), которым он крепится к виброприводу 5, кантилевера 14, выполненного в виде гибкой консоли. На свободном конце кантилевера 14 находится игла 15, выполненная магниточувствительной. Устройство контроля изгиба 9 зонда состоит из лазера 16 и фотоприемника 17, при этом лазер 16 через кантилевер 14 оптически соединен с фотоприемником 17.
Рассмотрим конкретный пример реализации предлагаемого способа.
Для этого в сканирующем зондовом микроскопе осуществляют следующие действия.
- На виброприводе 5 устанавливают зонд 1 посредством держателя 13.
- Измеряемый образец 2 устанавливают на контактной площадке 3, закрепленной на устройстве подвода 4.
- Возбуждают колебания зонда на первой частоте путем колебательного механического воздействия, например, вибропривода 5.
Для этого запускают управляющее устройство 10, посредством которого активизируют генератор 6, при этом приводятся в колебательное состояние вибропривод 5 и закрепленный на нем зонд 1. Частота колебаний близка к резонансной частоте зонда 1, который колеблется с некоторой исходной амплитудой колебаний А0.
С помощью устройства подвода 4 и устройства позиционирования 7 колеблющийся зонд 1 сближают с поверхностью образца 2 до касания его поверхности, при этом амплитуда его колебаний достигает некоторого предустановленного значения А, меньшего А0 и определяемого контактными силами отталкивания. Момент достижения амплитуды колебаний величины А устанавливается управляющим устройством 10 по данным устройства контроля изгиба 9 зонда.
- После осуществления касания колеблющимся зондом 1 образца 2 (т.е. установления амплитуды колебаний зонда 1 равной предустановленному значению А) посредством устройства позиционирования 7 осуществляют сканирование поверхности образца 2 колеблющимся зондом 1. Система обратной связи (включающая устройство контроля изгиба 9 зонда, управляющее устройство 10, устройство позиционирования 7) позволяет поддерживать амплитуду колебаний зонда 1, равной предустановленному значению А, путем относительного вертикального позиционирования зонда 1 и поверхности образца 2.
В процессе первого сканирования в каждой точке проводят запоминание сигнала относительного вертикального позиционирования в запоминающем устройстве 11.
- После запоминания сигнала относительного вертикального позиционирования прекращают колебательное механическое воздействие на зонд, для чего отключают генератор 6, при этом вибропривод 5 перестает колебаться.
- К зонду 1 и образцу 2 через контактную площадку 3 от источника разности потенциалов 8 прикладывают разность потенциалов U, содержащую две составляющие. Первая из них, U1•sinωt, постоянна по амплитуде и переменна с частотой ω, а вторая, U2, постоянна во времени. Это вновь приводит к возбуждению колебаний зонда 1, на этот раз под действием электрических сил, причем колебания возбуждаются в общем случае сразу на двух частотах - ω и 2ω.
- После этого осуществляют второе сканирование (второй проход) зондом 1 по той же кривой (тем же точкам поверхности образца 2), что и при первом сканировании (первом проходе), при этом на устройство позиционирования 7 подают с точностью до постоянной составляющей запомненный на предыдущем сканировании сигнал относительного вертикального позиционирования. Это обеспечивает прохождение зонда 1 по той же кривой, что и на предыдущем проходе.
- После этого осуществляют второе сканирование (второй проход) зондом 1 по той же кривой (тем же точкам поверхности образца 2), что и при первом сканировании (первом проходе), при этом на устройство позиционирования 7 подают с точностью до постоянной составляющей запомненный на предыдущем сканировании сигнал относительного вертикального позиционирования. Это обеспечивает прохождение зонда 1 по той же кривой, что и на предыдущем проходе.
При втором сканировании в каждой точке сканирования величину постоянной составляющей разности потенциалов U2 с использованием системы обратной связи (включающей устройство контроля изгиба 9 зонда, управляющее устройство 10, генератор 6) выбирают такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике, и запоминают это значение.
- После этого осуществляют дополнительное сканирование (дополнительный проход). При этом после того как определили и запомнили значения U2, соответствующие минимуму амплитуды колебаний на частоте ω при втором сканировании, переменную составляющую электрической разности потенциалов на дополнительном сканировании выбирают равной нулю и осуществляют дополнительное прохождение зондом 1 по рассматриваемому участку поверхности по той же кривой, что и на втором сканировании (проходе), при этом подают на устройство позиционирования 7 тот же сигнал относительного вертикального позиционирования в тех же точках кривой, что и на предыдущих сканированиях, а между образцом 2 и зондом 1 прикладывают разность потенциалов U2 с величинами в каждой точке сканирования, равными выбранным и запомненным значениям на предыдущем сканировании, и осуществляют дополнительное сканирование зондом исследуемой поверхности образца 2 по той же кривой, одновременно производят регистрацию отклонения зонда 1 с помощью устройства контроля изгиба 9 зонда, которое отображают на отображающем устройстве 12. За счет того, что при дополнительном сканировании между образом 2 и зондом 1 прикладывают разность потенциалов U2, на зонд 1 действует только магнитная сила, влияние приповерхностных электрических полей компенсируется, поэтому величина отклонения зонда 1 пропорциональна градиенту магнитного поля Н. Именно это обеспечило решение поставленной технической задачи, а именно исключение влияния фазовой неоднородности поверхности на измерения характеристик магнитного поля.
Работа сканирующего зондового микроскопа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.
В сканирующем зондовом микроскопе устанавливают зонд 1, который выполнен магниточувствительным и проводящим, и измеряемый образец 2, при этом зонд 1 и образец 2 подключены к источнику разности потенциалов 8. Подключение образца 2 к источнику разности потенциалов 8 производится, например, через закрепленную на устройстве подвода 4 контактную площадку 3, на которой закрепляется образец 2, например, проводящим клеем. Зонд 1 устанавливается на виброприводе 5, который, в свою очередь, установлен на устройстве позиционирования 7. В исходном состоянии зонд 1 не касается поверхности образца 2.
После установки зонда 1 и образца 2 запускают управляющее устройство 10, посредством которого включают генератор 6, подающий переменное напряжение на вибропривод 5, представляющий собой, например, пьезоэлектрическую пластинку с металлическими обкладками. В результате приложения переменного напряжения от генератора 6 вибропривод 5 начинает колебаться, путем колебательного механического воздействия на зонд 1 раскачивается и кантилевер 14 зонда 1, игла 15 которого начинает колебаться с некоторой амплитудой A0. Частота переменного напряжения выбирается близкой резонансной частоте кантилевера 14.
После этого по сигналу от управляющего устройства 10 включают устройство подвода 4 и колеблющийся зонд 1 сближают с поверхностью образца 2 до того момента, когда в процессе колебаний игла 15 начинает касаться поверхности образца 2, при этом размах ее колебаний становится ограниченным и амплитуда колебаний за счет касания поверхности образца 2 уменьшается и становится равной некоторому предустановленному значению А.
Процесс сближения зонда 1 с образцом 2 контролируется управляющим устройством 10 по данным от устройства контроля изгиба 9 зонда. В рассматриваемом примере устройство контроля изгиба 9 зонда состоит из лазера 16 и фотоприемника 17, в простейшем случае состоящего из двух секций. Луч света от лазера 16 падает на кантилевер 14, ближе к его свободному концу, и, отражаясь от кантилевера, направляется на фотоприемник 17. В зависимости от величины изгиба кантилевера 14 распределение по двум секциям падающего на фотоприемник 17 света меняется, и по величине разностного сигнала можно судить о величине изгиба кантилевера 14.
При достижении амплитуды колебаний предустановленного значения А устройство подвода 4 выключают и процесс сближения зонда 1 и образца 2 прекращается.
После приведения в контакт колеблющейся иглы 15 и образца 2 и установления требуемого расстояния между зондом 1 и образцом 2 (т.е. установления амплитуды колебаний зонда 1 равной предустановленному значению А) по команде от управляющего устройства 10 посредством устройства позиционирования 7 осуществляют сканирование поверхности образца 2 колеблющимся зондом 1, при этом система обратной связи (включающая устройство контроля изгиба 9 зонда, управляющее устройство 10, устройство позиционирования 7) поддерживает амплитуду колебаний зонда 1 равной предустановленному значению А путем относительного вертикального позиционирования зонда 1 и поверхности образца 2. В процессе сканирования в каждой точке проводят запоминание сигнала относительного вертикального позиционирования в запоминающем устройстве 11.
После запоминания сигналов относительного вертикального позиционирования выключают генератор 6, при этом вибропривод перестает колебаться, а к зонду 1 и образцу 2 через контактную площадку 3 от источника разности потенциалов 8 прикладывают разность потенциалов U, содержащую две составляющие. Первая из них, U1•sinωt, постоянна по амплитуде и переменна с частотой ω, а вторая, U2, постоянна во времени. Это вновь приводит к возбуждению колебаний зонда 1, на это раз под действием электрических сил, причем колебания возбуждаются в общем случае сразу на двух частотах - ω и 2ω.
Поясняется это следующим образом. Пусть величина электрической емкости системы зонд 1 - образец 2 равна С, в этом случае величина электрической энергии, запасенная в ней, будет равна Е=CU2/2. При этом сила F, с которой зонд 1 будет притягиваться к поверхности, равна:
Параметры зонда 1 полагаются такими, что сила F определяется главным образом притяжением между поверхностью образца 2 и находящимся на расстоянии единиц нанометров от нее кончиком иглы 15.
Поясняется это следующим образом. Пусть величина электрической емкости системы зонд 1 - образец 2 равна С, в этом случае величина электрической энергии, запасенная в ней, будет равна Е=CU2/2. При этом сила F, с которой зонд 1 будет притягиваться к поверхности, равна:
Параметры зонда 1 полагаются такими, что сила F определяется главным образом притяжением между поверхностью образца 2 и находящимся на расстоянии единиц нанометров от нее кончиком иглы 15.
Полная разность потенциалов между образцом и иглой 15 равна
U = US+U1×sin(ωt), (2)
где US = U2-φ(x,y), φ(x,y) - потенциал поверхности образца 2 в точке х, y.
U = US+U1×sin(ωt), (2)
где US = U2-φ(x,y), φ(x,y) - потенциал поверхности образца 2 в точке х, y.
В соответствии с (1), (2) электродинамическая сила, действующая между поверхностью образца 2 и иглой 15, будет равна
то есть на иглу 15 будут действовать электродинамическая сила на нулевой гармонике:
на первой гармонике возбуждающего сигнала
на второй гармонике возбуждающего сигнала
Помимо этого в приповерхностной области образца в дополнение к электродинамическим на кантилевер будет действует магнитная сила, равная
где μ - намагниченность кончика иглы 15.
то есть на иглу 15 будут действовать электродинамическая сила на нулевой гармонике:
на первой гармонике возбуждающего сигнала
на второй гармонике возбуждающего сигнала
Помимо этого в приповерхностной области образца в дополнение к электродинамическим на кантилевер будет действует магнитная сила, равная
где μ - намагниченность кончика иглы 15.
Как следует из выражений (2), (4) при выполнении равенства U2 = φ(x, y), составляющая электродинамической силы, действующей на иглу 15 на первой гармонике возбуждающего сигнала, становится равной нулю. Это дает возможность определять поверхностный потенциал φ(x, y) в каждой точке поверхности образца 2 путем соответствующего подбора величины U2 в этой точке.
Таким образом, после запоминания сигналов относительного вертикального позиционирования, отключения генератора 6, приложения к зонду 1 и образцу 2 разности потенциалов U, содержащей постоянную и переменную во времени составляющие, осуществляют повторное прохождение зондом 1 (второе сканирование) по той же кривой и в тех же точках сканирования, данные относительного вертикального позиционирования в которых были запомнены на предыдущем проходе, при этом зонд 1 может располагаться на постоянной выбранной высоте от поверхности образца в зависимости от того, величина магнитного поля на каком расстоянии от поверхности нас интересует.
При втором сканировании по той же кривой, что и при предыдущем сканировании в каждой точке сканирования, величину постоянной составляющей разности потенциалов U2 выбирают такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике, т.е. привести составляющую электродинамической силы в каждой измеряемой точке к нулю, и запоминают это значение.
После определения и запоминания значений U2, соответствующих минимуму амплитуды колебаний на частоте ω, осуществляют дополнительное сканирование зондом 1 по исследуемому участку поверхности по той же кривой, что и в предыдущем проходе. При этом между образцом 2 и зондом 1 прикладывают разность потенциалов U2 с величинами в каждой точке сканирования, равными выбранным и запомненным управляющим устройством 10 на предыдущем сканировании, так что действие электрических сил на отклонение кантилевера оказывается исключенным.
Регистрируют величину изгиба (отклонения) кантилевера 14 в каждой точке кривой.
Таким образом, при дополнительном сканировании зондом 1 по исследуемым точкам поверхности на него действует только магнитная сила, т.е. величина отклонения кантилевера 14 пропорциональна градиенту магнитного поля Н, величина которого, в свою очередь, определяется из величины отклонения кантилевера 14 по паспортным данным о жесткости используемого в данном конкретном случае зонда 1.
Величина изгиба кантилевера 14, обусловленного действием магнитных сил, определяется с помощью устройства контроля изгиба 9 зонда. При этом в соответствии с выражением (6) изгиб зонда пропорционален градиенту измеряемого магнитного поля.
Предлагаемый способ реализуется как при сканировании строка за строкой, так и при сканировании скан за сканом.
В случае исследований характеристик образцов, для которых приповерхностную емкость С можно считать постоянной по поверхности (т.е. независящей от координат х, у), в соответствии с выражением (6) постоянная составляющая электродинамической силы также не зависит от координат х, у. Это дает возможность одновременно проводить операции второго и дополнительного сканирования для определения величины магнитной силы (с точностью до постоянной составляющей (6)).
Реализация устройства:
- вибропривод 5 может быть выполнен, например, как пьезокерамическая плоская пластинка с проводящими обкладками, расположенная в непосредственной близости от зонда 1 и подключенная обкладками к управляющему генератору 6;
- в качестве устройства контроля изгиба 9 зонда может быть использован лазер 16, оптически сопряженный с отражающей поверхностью кантилевера 14 и с фотоприемником 17, подключенным к управляющему устройству 10. Другие варианты выполнения устройства контроля изгиба 9 зонда см., например, в Hartmann U. Magnetic force microscopy. Adv. Mater. 1990. V. 2, 11. P. 550;
- устройство подвода 4 зонда 1 к образцу 2 может быть выполнено в виде винтовой передачи, сопряженной с шаговым двигателем (на фигурах не показан) и установленной неподвижной частью, например, на держателе 13 зонда, при этом подвижная часть (винт) сопряжена, например, с держателем образца (см., например, положительное решение по заявкам РФ 96122357, 99108911), либо в виде инерциального двигателя, выполненного в виде пьезокерамических элементов, установленных на неподвижной платформе и сопряженных с подвижным элементом, на котором закреплен, например, держатель 13 зонда, держатель образца закреплен при этом на платформе, (см., например, патент РФ 2152103);
- устройство позиционирования 7 может быть выполнено в виде секционированной пьезотрубки (см. , например, патент США 4880975, H 01 J 37/04, 09.08.1988 г.);
- управляющее устройство 10, запоминающее устройство 11 и устройство отображения 12 выполнены, например, на основе PC уровня не ниже IBM-486 с дополнительным электронным блоком (промышленный каталог продукции ЗАО НТ МДТ. М., ЗАО НТ-МДТ, 1998 г., с. 26-31);
- контактная площадка 3 может быть выполнена, например, из поликора с нанесенным на него слоем металла;
- управляющий генератор 6 и источник разности потенциалов 8 выполняются, например, на электронной микросхеме AD 7008 производства фирмы Analog Device (промышленный каталог фирмы Analog Device, США, 2000 год; см. также сайт фирмы Analog Device: www.analog.com).
- вибропривод 5 может быть выполнен, например, как пьезокерамическая плоская пластинка с проводящими обкладками, расположенная в непосредственной близости от зонда 1 и подключенная обкладками к управляющему генератору 6;
- в качестве устройства контроля изгиба 9 зонда может быть использован лазер 16, оптически сопряженный с отражающей поверхностью кантилевера 14 и с фотоприемником 17, подключенным к управляющему устройству 10. Другие варианты выполнения устройства контроля изгиба 9 зонда см., например, в Hartmann U. Magnetic force microscopy. Adv. Mater. 1990. V. 2, 11. P. 550;
- устройство подвода 4 зонда 1 к образцу 2 может быть выполнено в виде винтовой передачи, сопряженной с шаговым двигателем (на фигурах не показан) и установленной неподвижной частью, например, на держателе 13 зонда, при этом подвижная часть (винт) сопряжена, например, с держателем образца (см., например, положительное решение по заявкам РФ 96122357, 99108911), либо в виде инерциального двигателя, выполненного в виде пьезокерамических элементов, установленных на неподвижной платформе и сопряженных с подвижным элементом, на котором закреплен, например, держатель 13 зонда, держатель образца закреплен при этом на платформе, (см., например, патент РФ 2152103);
- устройство позиционирования 7 может быть выполнено в виде секционированной пьезотрубки (см. , например, патент США 4880975, H 01 J 37/04, 09.08.1988 г.);
- управляющее устройство 10, запоминающее устройство 11 и устройство отображения 12 выполнены, например, на основе PC уровня не ниже IBM-486 с дополнительным электронным блоком (промышленный каталог продукции ЗАО НТ МДТ. М., ЗАО НТ-МДТ, 1998 г., с. 26-31);
- контактная площадка 3 может быть выполнена, например, из поликора с нанесенным на него слоем металла;
- управляющий генератор 6 и источник разности потенциалов 8 выполняются, например, на электронной микросхеме AD 7008 производства фирмы Analog Device (промышленный каталог фирмы Analog Device, США, 2000 год; см. также сайт фирмы Analog Device: www.analog.com).
Предлагаемый способ позволяет получить более точные данные, по сравнению с прототипом, о распределении производных магнитного поля, поскольку их регистрация проводится в процессе сканирования образца при заданном расстоянии и нулевой разности потенциалов между зондом и поверхностью, что до минимума сводит влияние поверхностной, в т.ч. фазовой, неоднородности образца и неконтролируемых загрязнений на его поверхности.
Claims (6)
1. Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа, включающий использование магниточувствительного проводящего зонда, возбуждение колебаний зонда на первой частоте и сближение его с поверхностью образца до достижения амплитуды его колебаний предустановленного значения, сканирование поверхности зондом, колеблющимся с первой частотой, при поддержании системой обратной связи амплитуды колебаний зонда, равной предустановленному значению, путем взаимного относительного вертикального позиционирования зонда и поверхности образца, запоминание сигнала относительного вертикального позиционирования, приложение разности потенциалов между образцом и зондом, регистрацию отклонения колеблющегося зонда в процессе сканирования, отличающийся тем, что сканирование поверхности зондом проводят в несколько проходов, причем при первом сканировании возбуждают колебания зонда на первой частоте путем колебательного механического воздействия на зонд и сканируют поверхность колеблющимся зондом, одновременно запоминают сигнал относительного вертикального позиционирования в каждой точке сканирования, затем прекращают колебательное механическое воздействие на зонд и осуществляют второе сканирование, при этом колебания возбуждают за счет приложения разности потенциалов на зонд и образец, определяют и запоминают величину поверхностного электрического потенциала в каждой точке с использованием запомненного на предыдущем сканировании сигнала относительного вертикального позиционирования в тех же точках сканирования, что и на предыдущем проходе, дополнительное сканирование проводят по той же кривой с использованием запомненного сигнала относительного вертикального позиционирования и одновременно в каждой точке сканирования компенсируют поверхностный электрический потенциал, определенный на предыдущем сканировании, затем регистрируют отклонение зонда в этих точках сканирования, получая характеристики магнитного поля.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вертикальное относительное позиционирование образца и зонда устанавливают с точностью до постоянной составляющей запомненного значения.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разность потенциалов содержит постоянную и переменную во времени составляющие, при этом постоянную составляющую разности потенциалов в каждой точке кривой при втором сканировании выбирают такой величины, чтобы свести к минимуму амплитуду колебаний на первой гармонике второй частоты и запоминают эту величину, а при дополнительном сканировании в каждой точке кривой прикладывают постоянную составляющую разности потенциалов такой величины, которая была выбрана и запомнена на предыдущем сканировании, переменную же составляющую со второй частотой выбирают равную нулю, обеспечивая компенсацию поверхностного электрического потенциала.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сканирование поверхности зондом, колеблющимся с первой частотой, проводится при ограничении амплитуды колебаний зонда контактными силами отталкивания.
5. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что последовательные сканирования проводятся построчно.
6. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что последовательные сканирования проводятся по всей исследуемой поверхности.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000131289/28A RU2193769C2 (ru) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа |
| AU2002219736A AU2002219736A1 (en) | 2000-12-14 | 2001-12-13 | Measurement method for characteristics of a near-surface magnetic field using a scanning probe microscope |
| PCT/RU2001/000544 WO2002048682A1 (en) | 2000-12-14 | 2001-12-13 | Measurement method for characteristics of a near-surface magnetic field using a scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000131289/28A RU2193769C2 (ru) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2193769C2 true RU2193769C2 (ru) | 2002-11-27 |
| RU2000131289A RU2000131289A (ru) | 2002-12-10 |
Family
ID=20243390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000131289/28A RU2193769C2 (ru) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AU (1) | AU2002219736A1 (ru) |
| RU (1) | RU2193769C2 (ru) |
| WO (1) | WO2002048682A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2740176C1 (ru) * | 2019-10-14 | 2021-01-12 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Рязанское гвардейское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В.Ф. Маргелова" Министерства обороны Российской Федерации | Устройство определения контактной разности потенциалов |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10239329A (ja) * | 1997-02-27 | 1998-09-11 | Jeol Ltd | 走査プローブ顕微鏡 |
| US5907096A (en) * | 1997-06-02 | 1999-05-25 | International Business Machines Corporation | Detecting fields with a two-pass, dual-amplitude-mode scanning force microscope |
| US5918274A (en) * | 1997-06-02 | 1999-06-29 | International Business Machines Corporation | Detecting fields with a single-pass, dual-amplitude-mode scanning force microscope |
| JPH11160333A (ja) * | 1997-11-25 | 1999-06-18 | Jeol Ltd | 走査プローブ顕微鏡 |
| RU2145055C1 (ru) * | 1999-02-08 | 2000-01-27 | Ао "Автэкс" | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
-
2000
- 2000-12-14 RU RU2000131289/28A patent/RU2193769C2/ru not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-12-13 WO PCT/RU2001/000544 patent/WO2002048682A1/ru not_active Application Discontinuation
- 2001-12-13 AU AU2002219736A patent/AU2002219736A1/en not_active Abandoned
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Applyed Physics, V. 67, 1990, №12, с. 7278-7280. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2740176C1 (ru) * | 2019-10-14 | 2021-01-12 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Рязанское гвардейское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В.Ф. Маргелова" Министерства обороны Российской Федерации | Устройство определения контактной разности потенциалов |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2002219736A1 (en) | 2002-06-24 |
| WO2002048682A1 (en) | 2002-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2730673B2 (ja) | 超音波を導入するカンチレバーを用いた物性の計測方法および装置 | |
| US5319977A (en) | Near field acoustic ultrasonic microscope system and method | |
| US10215773B2 (en) | Material property measurements using multiple frequency atomic force microscopy | |
| Rabe | Atomic force acoustic microscopy | |
| EP0410131B1 (en) | Near-field lorentz force microscopy | |
| US6185991B1 (en) | Method and apparatus for measuring mechanical and electrical characteristics of a surface using electrostatic force modulation microscopy which operates in contact mode | |
| US8037762B2 (en) | Whispering gallery mode ultrasonically coupled scanning probe microscopy | |
| JP2934739B2 (ja) | 走査型近視野原子間力顕微鏡 | |
| US6181131B1 (en) | Magnetic resonance force microscopy with oscillator actuation | |
| JPH10332715A (ja) | 単一パス２重振幅モード走査力顕微鏡による場の検出 | |
| JP4446929B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダおよびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 | |
| US6349591B1 (en) | Device and method for controlling the interaction of a tip and a sample, notably for atomic force microscopy and nano-indentation | |
| JPH11108940A (ja) | 走査プローブ顕微鏡 | |
| JP3905254B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| CA2231224A1 (en) | Apparatus for machining, recording, and reproducing, using scanning probe microscope | |
| EP1002216B1 (en) | Microscope for compliance measurement | |
| US20040129063A1 (en) | Method for performing nanoscale dynamics imaging by atomic force microscopy | |
| EP2463665B1 (en) | Cantilever excitation device and scanning probe microscope | |
| RU2193769C2 (ru) | Способ измерения характеристик приповерхностного магнитного поля с использованием сканирующего зондового микроскопа | |
| La Rosa et al. | Whispering-gallery acoustic sensing: Characterization of mesoscopic films and scanning probe microscopy applications | |
| JP2005106786A (ja) | 走査形プローブ顕微鏡 | |
| JP2008241619A (ja) | カンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡 | |
| RU2425356C1 (ru) | Устройство для измерения физико-механических свойств материалов | |
| US6037769A (en) | Torque magnetometric apparatus and method for determining the magnetic moment of a specimen | |
| JP4209891B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091215 |