RU238288U1 - Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля нанообъектов с высоким пространственным и количественным разрешением - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области криогенных нанотехнологий, а именно к устройствам, способным измерять очень малые магнитные поля, обеспечивать высокое разрешение при сканировании, измерять небольшие изменения температуры, а также детектировать электромагнитное излучение и диссипацию энергии. Техническим результатом полезной модели является возможность исследования локальных магнитных явлений и обнаружения очень слабых магнитных полей. Использование данного устройства в криогенных сканирующих зондовых микроскопах позволяет изучать возникающий магнетизм и распределения тока в различных системах, включая вихревую динамику в сверхпроводниках, топологические изоляторы, разнообразные гетероструктуры, графен, наномагниты и другие материалы. Зонд также может использоваться для локального измерения температуры. Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля включает кантилевер атомно-силового микроскопа, изготовленный из монокристаллического кремния и содержащий планарный джозефсоновский контакт, состоящий из двух сверхпроводящих слоев, разделенных слабой связью, причем через джозефсоновский контакт пропускается электрический ток и измеряется падение напряжения, что позволяет фиксировать изменения критического тока под влиянием внешнего магнитного поля для определения локального распределения магнитного поля на поверхности образца. Кроме того, на кантилевере предусмотрены контактные площадки для четырехточечных измерений, обеспечивающие проведение точного измерения вольт-амперной характеристики зонда. Причем джозефсоновский контакт выполнен из нормального металла и сверхпроводника, где нормальный металл выбран из группы, включающей медь (Cu) или никель-медь (NiCu), а сверхпроводник выбран из группы, включающей ниобий, сплавы на основе ниобия, MoRe или Pb с толщиной слоев от 1 до 100 нм, нанесенных методом магнетронного напыления. Так же джозефсоновский контакт имеет ширину 100 нм и длину 2 мкм, обеспечивая оптимальное соотношение между чувствительностью к магнитному полю и пространственным разрешением устройства. Кроме того, нанозонд дополнительно предназначен для измерения локальных изменений температуры и обнаружения источников электромагнитного излучения на поверхности образца за счет чувствительности джозефсоновского контакта к изменениям температуры и электромагнитного поля.

Description

Полезная модель относится к области криогенных нанотехнологий, а именно к устройствам, способным измерять очень малые магнитные поля, обеспечивать высокое разрешение при сканировании, измерять небольшие изменения температуры, а также детектировать электромагнитное излучение и диссипацию энергии.

В последние десятилетия активно развивается магнитная сканирующая зондовая микроскопия. Необходимость исследования магнитных явлений на микро- и наноуровне в различных областях науки и техники привела к созданию ряда методов, и сканирующая зондовая микроскопия стала одним из наиболее востребованных направлений.

Однако современными ограничениями таких магнитных датчиков остается компромисс между пространственным разрешением и чувствительностью к магнитному полю: с уменьшением размера датчика пространственное разрешение улучшается, но чувствительность к магнитному полю снижается.

Одним из наиболее доступных и распространенных примеров является магнитно-силовая микроскопия (МСМ), обладающая высоким пространственным разрешением (от 10 до 100 нм), однако ее чувствительность к магнитному полю относительно низка по сравнению с другими существующими аналогами.

Широкая доступность криогенных магнитно-силовых микроскопов сделала эту область быстроразвивающейся. Одним из распространенных датчиков магнитного поля является датчик Холла, в котором ток подается на тонкую полоску из металла. В присутствии магнитного поля, перпендикулярного направлению тока, носители заряда отклоняются под действием силы Лоренца, создавая разность электрического потенциала между двумя сторонами полоски. Эта разность (напряжение Холла) пропорциональна силе магнитного поля, что позволяет детектировать его величину.

Известен зонд, основанный на датчике Холла (холловская микроскопия), представляющий собой кантилевер атомно-силового микроскопа, на наконечник которого напылен слой проводящего металла. В работе Applied Physics Letters 88, 013901 (2006) описан такой зонд, где интегрированный на наконечнике кантилевера миниатюрный датчик Холла позволяет измерять локальные магнитные поля с субмикронным разрешением. Это позволяет измерять локальное магнитное и электрическое поле с субмикронным разрешением над поверхностью образца. Ток и напряжение направляются в датчик и измеряются через перпендикулярные грани пирамиды кончика кантилевера, обеспечивая минимальную инвазивность данной методики. Недостатками данного метода являются ограниченная чувствительность к слабым магнитным полям на нанометровых масштабах и сложность достижения высокого пространственного разрешения.

На сегодняшний день одним из самых чувствительных приборов для детектирования магнитного поля является сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД), который обладает низкой шумовой температурой и совместим с другими сверхпроводниковыми устройствами. СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта. Принцип работы устройства основан на измерении градиента критического тока по внешнему магнитному полю, при этом внешнее магнитное поле смещает критический ток, позволяя измерять очень малые доли кванта магнитного потока (2.07-10^-15 Вб).

Следующим этапом стала реализация СКВИДа в качестве зонда для сканирующей микроскопии. Известен датчик магнитного поля на основе СКВИДа, расположенный на кончике полой круговой кварцевой иглы, служащей зондом для атомного силового микроскопа (US 201610319 A1, опублик. 14.04.2016 г.), где описывается устройство для визуализации магнитных полей, в котором СКВИД интегрирован на наконечнике кварцевой иглы, обеспечивая высокую чувствительность и разрешение при измерении магнитных полей на нанометровых расстояниях). Область слабой связи формируется утончением сверхпроводника в одном или нескольких местах (мостик Дайема) в закольцованной области, придавая кончику иглы форму "цветка". Эта конфигурация позволяет измерять магнитные поля на расстоянии от поверхности объекта до нескольких нанометров с пространственным разрешением 100 нм. Недостатками устройства являются сложность и высокая стоимость изготовления такого зонда, а также ограниченная совместимость с существующими микроскопическими системами.

Также известен зонд для детектирования магнитного поля с использованием СКВИД-микроскопии (JP 5493197 B2, опублик. 06.03.2008 г.), в котором применяется СКВИД, интегрированный с зондом сканирующего туннельного микроскопа, что позволяет проводить высокоточные измерения магнитных свойств поверхности образца при сохранении нанометрового пространственного разрешения. Это позволяет неинвазивный подход к поверхности объекта с помощью туннельного тока. Недостатками данного зонда являются сложности в контроле туннельного тока на малых расстояниях и высокая чувствительность к внешним вибрациям, что затрудняет получение стабильных и точных результатов.

Известен сканирующий магнитный микроскоп для измерения микромагнитного распределения на поверхности магнитного материала (JPH 1123591 A, опублик. 29.01.1999 г.). В данном устройстве используется гибкий кантилевер с зондом на конце, на котором установлен СКВИД для обнаружения интенсивности магнитного поля с высоким пространственным разрешением, что улучшает чувствительность измерений. Недостатками данного устройства являются сложность и высокая стоимость производства гибких кантилеверов, отдельное расположение СКВИДа, что усложняет конструкцию, отсутствие возможности четырехточечных измерений и ограниченный рабочий диапазон СКВИДа.

Джозефсоновский контакт является системой чувствительной к внешним магнитным полям, изменениям температуры и электромагнитному излучению, что делает его хорошим кандидатом для использования в качестве сенсора. Существуют два метода определения магнитного поля с помощью одиночного джозефсоновского контакта. Первый метод - это измерение зависимости дифференциального напряжения от внешнего магнитного поля, а второй - измерение модуляции критического тока от внешнего магнитного поля.

Описан прибор на основе джозефсоновского контакта в форме "сэндвич" на наконечнике иглы сканирующего туннельного микроскопа (Review of Scientific Instruments 70, 4344 (1999), где авторы представили метод измерения локальных магнитных полей с использованием джозефсоновского контакта, интегрированного на наконечнике STM, позволяющий достичь субмикронного пространственного разрешения и чувствительности по полю до 1 mV/Фо). Принцип работы устройства основан на измерении падения напряжения на джозефсоновском контакте при смещающем токе, превышающем критический ток. Недостатками данного устройства являются необходимость работы при сверхнизких температурах, сложности в контроле токов, превышающих критический ток, и риск повреждения джозефсоновского контакта при высоких токах.

Известно, что планарный джозефсоновский контакт с эффектом собственного поля (self-field effect) может дать возможность измерить магнитное поле с высокой точностью, следя за соотношением dI_o/dФ₀ (Physical Review Applied 11, 014062 (2019), где авторы исследовали влияние собственного магнитного поля на характеристики планарных джозефсоновских контактов и продемонстрировали возможность повышения точности измерения магнитного поля за счет этого эффекта), что дает преимущество относительно СКВИД-технологии, которые зависят от межконтурного взаимодействия. Джозефсоновские контакты в данном случае основываются на измерении локальных изменений в критическом токе, что делает их перспективными для высокоточных измерений магнитного поля.

Задачей полезной модели является предоставление технического решения для более простого и точного устройства измерения локальных магнитных полей с высоким пространственным разрешением в области низкотемпературной сканирующей зондовой микроскопии.

Техническим результатом полезной модели является возможность исследования локальных магнитных явлений и обнаружения очень слабых магнитных полей. Использование данного устройства в криогенных сканирующих зондовых микроскопах позволяет изучать возникающий магнетизм и распределения тока в различных системах, включая вихревую динамику в сверхпроводниках, топологические изоляторы, разнообразные гетероструктуры, графен, наномагниты и другие материалы. Зонд также может использоваться для локального измерения температуры.

Технический результат достигается следующим образом.

Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля включает кантилевер атомно-силового микроскопа, изготовленный из монокристаллического кремния и содержащий планарный джозефсоновский контакт, состоящий из двух сверхпроводящих слоев, разделенных слабой связью, причем через джозефсоновский контакт пропускается электрический ток и измеряется падение напряжения, что позволяет фиксировать изменения критического тока под влиянием внешнего магнитного поля для определения локального распределения магнитного поля на поверхности образца.

Кроме того, на кантилевере предусмотрены контактные площадки для четырехточечных измерений, обеспечивающие проведение точного измерения вольт-амперной характеристики зонда.

Причем джозефсоновский контакт выполнен из нормального металла и сверхпроводника, где нормальный металл выбран из группы, включающей медь (Cu) или никель-медь (NiCu), а сверхпроводник выбран из группы, включающей ниобий, сплавы на основе ниобия, MoRe или Pb, с толщиной слоев от 1 до 100 нм, нанесенных методом магнетронного напыления.

Так же джозефсоновский контакт имеет ширину 100 нм и длину 2 мкм, обеспечивая оптимальное соотношение между чувствительностью к магнитному полю и пространственным разрешением устройства.

Кроме того, нанозонд дополнительно предназначен для измерения локальных изменений температуры и обнаружения источников электромагнитного излучения на поверхности образца за счет чувствительности джозефсоновского контакта к изменениям температуры и электромагнитного поля.

Суть полезной модели дополнительно описывается чертежами.

Сущность технического решения поясняется чертежом на Фиг. 1, где представлена конструкция зонда на основе стандартного кантилевера атомно-силового микроскопа из монокристаллического кремния в трех проекциях. На кантилевере напылены слои нормального металла и сверхпроводника, из которых будет изготовлен джозефсоновский контакт со слабой связью на кончике кантилевера, а также контактные площадки для проведения транспортных измерений.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - площадки для проведения вольтовых контактов к зонду

2 - площадки для проведения токовых контактов к зонду

3 - вырезы до нормального металла, выполненные с помощью FIB, для разделения четырех площадок для четырехточечных электронно-транспортных измерений

4 - вырез до кремния, сделанные с помощью FIB, для создания изолирующей прослойки.

5 - слабая связь джозефсоновского контакта, вырез до нормального металла, сделан с помощью FIB для создания слабой связи

6 - монокристаллический кремний

7 - слой нормального металла

8 - слой сверхпроводящего металла.

Основной элемент прибора заключается в кантилевере с изготовленным на нем джозефсоновским контактом. Могут использоваться готовые кантилеверы, предназначенные для исследований с помощью атомно-силовой микроскопии.

Размер чипа кантилевера обычно составляет 3,5×1,5 мм при толщине 300-500 мкм. Размер балки, на конце которой обычно расположена игла, может варьироваться. Длина балки обычно составляет порядка 100-200 мкм, ширина - около 40 мкм, а толщина - порядка 2 мкм. На этих кантилеверах изготавливаются контакты из сверхпроводящего материала и нормального металла с использованием технологий магнетронного напыления. В качестве нормального металла могут использоваться медь (Cu), никель-медь (NiCu) и другие металлы с высоким удельным сопротивлением. В качестве сверхпроводника могут использоваться ниобий (Nb), его сплавы, а также молибден-рений (MoRe) или свинец (Pb), для которых хорошо известна и разработана технология осаждения слоев. Характерная толщина нормального металла (Cu) составляет ~50 нм, а сверхпроводника (Nb) ~100 нм, но возможны варьирования параметров толщины от 1 до 100 нм в зависимости от металла.

После создания двухслойной структуры осуществляется формирование слабой связи (джозефсоновского контакта) с помощью гелиевого или ксенонового двулучевого сканирующие электронно-ионные микроскопа (также сокращенно: FIB - Focused Ion Beam). Ширина джозефсоновского контакта может варьироваться в зависимости от конкретной задачи. Увеличение ширины контакта повышает чувствительность к магнитному полю, но одновременно снижает разрешение и уменьшает критический ток, что также будет влиять на снижение чувствительности к магнитному полю. Рекомендуется использовать размеры джозефсоновского контакта 2 мкм длина и 100 нм ширина.

Устройство устанавливается в криогенный атомно-силовой микроскоп как обычный кантилевер, но с специальным держателем для зонда, к которому подводятся провода для измерений транспортных характеристик методом четырехточечных электронно-транспортных измерений джозефсоновского контакта.

Измерение магнитного поля при подведении зонда к поверхности образца рекомендуется проводить методикой, предложенной в работе Review of Scientific Instruments 70, 4344 (1999). В этой методике используется джозефсоновский контакт, установленный на наконечнике сканирующего туннельного микроскопа, через который пропускается ток, превышающий критический ток контакта. При этом измеряется падение напряжения на контакте, которое чувствительно к изменениям внешнего магнитного поля. Рабочая точка устанавливается с помощью регулировки внешнего магнитного поля таким образом, чтобы достигнуть максимального значения производной зависимости напряжения от магнитного потока (dV/dФ₀). Это обеспечивает максимальную чувствительность к локальным изменениям магнитного поля при сканировании поверхности образца. В такой конфигурации могут быть достигнуты пространственное разрешение до 10-100 нм и разрешение по магнитному полю до 10^-3 Ое.

По сравнению с обычными кантилеверами проектируемый зонд обладает большими возможностями для исследований и более высоким разрешением при сканировании. Отличительной особенностью является неинвазивность зонда по сравнению с магнитными кантилеверами, поскольку магнитные поля от токов, проходящих через джозефсоновский контакт, значительно меньше магнитного поля кантилеверов, используемых в магнитно-силовой микроскопии. Это особенно важно при изучении систем, в которых слабые магнитные поля могут изменить свойства исследуемого объекта. Данный подход позволит исследовать поведение двумерных магнитных материалов, абрикосовских вихрей в тонких сверхпроводниках, доменов в мягких ферромагнетиках и другие подобные явления. Предлагаемый зонд также позволяет проводить количественный анализ получаемых результатов, что в случае использования магнитного кантилевера затруднено и требует предварительных калибровок.

По сравнению с аналогом на основе наносквида стоимость предлагаемого зонда должна быть ниже, так как процесс его изготовления намного проще. Другим преимуществом джозефсоновского контакта является то, что он позволяет получать более высокое разрешение вдоль одной из осей, что определяется формой и размерами слабой связи.

Также, в связи с тем, что критический ток джозефсоновского контакта является чувствительным к изменениям температуры и к электромагнитному излучению, сканирующую методику на его основе можно использовать для получения информации о локальном распределении температуры и источников излучения на поверхности образца (Wang, L. В., О.-P. Saira и J. P. Pekola, "Fast thermometry with a proximity Josephson junction," Applied Physics Letters 112, 013105 (2018), где авторы демонстрируют использование джозефсоновского контакта в качестве быстродействующего термометра, способного измерять локальные изменения температуры с высокой точностью и скоростью).

Таким образом, предлагаемая полезная модель предлагает более компактное, точное и универсальное решение для измерения локальных магнитных полей с высоким пространственным разрешением в низкотемпературной сканирующей зондовой микроскопии.

Claims (5)

1. Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля, включающий кантилевер, выполненный из монокристаллического кремния, на котором размещён планарный джозефсоновский контакт, содержащий два сверхпроводящих электрода, выполненных из сверхпроводника, выбранного из группы, включающей, или ниобий, или сплавы на основе ниобия, или молибден-рения MoRe, или свинец Pb, разделённые перемычкой из нормального металла, выбранного из группы, включающей, или медь Cu, или сплав никель-медь NiCu, при этом указанный джозефсоновский контакт соединён с четырьмя контактными площадками, выполненными с возможностью подключения по четырёхточечной схеме.

2. Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что длина джозефсоновского контакта составляет 2 мкм, а его ширина – 100 нм.

3. Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что толщина перемычки из нормального металла составляет ~50 нм, толщина сверхпроводящих электродов составляет ~100 нм.

4. Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что слои сверхпроводящего и нормального металлов, формирующих джозефсоновский контакт, нанесены методом магнетронного напыления.

5. Нанозонд для неинвазивного измерения локального магнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что перемычка из нормального металла сформирована с использованием фокусированной ионной обработки (FIB).