برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۴,۰۷۷
  • بازدید این ماه ۵۳
  • بازدید امروز ۵
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۸۳
  • قبول شدگان ۲۴۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۴۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (2)

در مقاله پیشین به تاریخچه، سیستم کاری و نحوه عملکرد دستگاه میکروسکوپ نیروی مغناطیسی و نیز به برخی تکنیک ها و فرمول های مرتبط پرداخته شد. در ادامه مباحث مقاله گذشته، روش های کنترل فاصله سوزن و نمونه و برهمکنش ها و تکنیک های مطرح، در مقاله حاضر پیگیری می شود. نحوه تشکیل کنتراست و شکل گیری تصاویر و همچنین نمونه هایی از محاسبات مربوط به میکروسکوپ نیروی مغناطیسی در پایان ذکر می گردد.
مقدمه
از میکروسکوپ های نیروی مغناطیسی، برای اندازه گیری خواص مغناطیسی مواد در مقیاس نانو استفاده می شود. سوزن در این سیستم، با لایه نازکی از ماده فرومغناطیس پوشانده می شود تا سوزن خاصیت مغناطیسی موقت پیدا کند. سپس نیروی مغناطیسی بین سوزن و سطح ایجاد می شود که با اندازه گیری آن، وضعیت مغناطیسی سطح را اندازه گیری می کنند[3و7].

1- روش های کنترل فاصله سوزن و نمونه در MFM
در اغلب آزمایش های میکروسکوپی نیروی روبشی، فاصله سوزن– نمونه طوری به نحوی کنترل می شود که برهمکنش اندازه گیری شده سوزن– نمونه، ثابت نگه داشته شود. یک شرط لازم ولی ناکافی برای پایداری بازخورد این است که نباید علامت برآیند برهمکنش اندازه گیری شده، در طی روبش تصویر، تغییر کند. به عبارت دیگر برای تصحیح انحراف از نقطه تنظیم، جهت عمل بازخورد، باید به صورت مناسبی از پیش تدابیری تعریف شود. در مورد نیروهای توپوگرافی (نیروهای تماسی یا واندروالس)، این شرایط برآورده می شود زیرا وابستگی نیرو به فاصله سوزن – نمونه در محدوده به اندازه کافی بزرگ از فواصل سوزن – نمونه، یکنواخت است. اما نیروهای مغناطیسی این شرایط را تأمین نمی کنند. این موضوع به این دلیل می باشد که نیروی مغناطیسی می تواند در ناحیه مورد نظر، جذبی یا دفعی باشد. در نتیجه روش های دیگری برای کنترل فاصله سوزن– نمونه، توسعه یافته است. این روش ها را می توان در دو گروه تقسیم بندی نمود:

گروه اول:
اولین گروه شامل حالت های کاری است که تک سیگنال برهمکنش سوزن – نمونه، شامل سیگنال مغناطیسی، را ثابت نگه می دارد. سپس می توان سیگنال مغناطیسی را از تغییرات فاصله سوزن – نمونه، حذف نمود.

گروه دوم:
گروه دوم شامل حالت های کاری است که با کنترل فاصله بر مبنای یک نیروی برهمکنش غیرمغناطیسی مشخص می شوند [2, 21].

1-1- برهمکنش های کنترل کننده شامل سیگنال مغناطیسی
از آنجا که نیروی مغناطیسی در قسمت های مختلف نمونه، می تواند جذبی یا دفعی باشد، به نیروی خود مهار (Servo-force) اضافی برای اطمینان از پایداری بازخورد، نیاز است. در اصل این نیروی خود مهار، می تواند برهمکنش واندروالس باشد که جذبی باقی می ماند. اما نیروهای واندروالس معمولا بسیار کوچک و در واقع قابل مقایسه با قدرت نیروهای مغناطیسی هستند، بنابراین ممکن است برآیند کل نیرو هنوز هم منفی باقی بماند.
با استفاده از میدان الکتریکی بین سوزن و نمونه، که به اندازه کافی قوی باشد، می توان از پایداری بازخورد فاصله اطمینان حاصل نمود [1]. مشکل اصلی در کارکرد حالات متکی به برهمکنش سوزن – نمونه این است که تغییرات برهمکنش مغناطیسی یا غیرمغناطیسی سوزن – نمونه باعث تغییرات فاصله سوزن – نمونه می شود. بنابراین اطلاعات مغناطیسی و توپوگرافی با هم مخلوط (convoluted) می شوند. علاوه بر این، رزولوشن (قدرت تفکیک) جانبی ساختار مغناطیسی تصویر شده، با فاصله سوزن – نمونه بصورت زیر تغییر می کند:
وقتی که سوزن در بالای قسمتی از نمونه با نیروی مغناطیسی جذبی یا دفعی بزرگ باشد، بازخورد، فاصله سوزن – نمونه را به ترتیب، افزایش یا کاهش می دهد.

عنوان : رزولوشن میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)

توضیحات : رزولوشن میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM) به عواملی نظیر برهمکنش سوزن مغناطیسی ونمونه و همچنین حساسیت به نسبت ثابت فنر پایه و ممان مغناطیسی بستگی دارد. بنابراین تفکیک عرضی سوزن بدلیل حساسیتش محدود می باشد. یکی از راه های افزایش رزولوشن، کوچک کردن سوزن مغناطیسی است که موجب کاهش مساحت برهمکنش آن با نمونه می شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1 : رزولوشن میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM)

این باعث خواهد شد که تفسیر برهمکنش مغناطیسی بسیار مشکل شود. به هر حال، این حالت کاری در بسیاری از آزمایشات اولیه MFM بکار برده شد [2, 3].

1-2- برهمکنش جداگانه برای کنترل و اندازه گیری
در این روش با اندازه گیری یک خاصیت فیزیکی وابسته به فاصله (برهمکنش کنترل) متفاوت از نیروی مغناطیسی سوزن – نمونه (برهمکنش مورد نظر)، از بروز مشکلات بازخورد موجود در روش قبل اجتناب کرد. در این صورت برهمکنش کنترل برای سیگنال ورودی مدار بازخورد فاصله سوزن– نمونه استفاده می شود و تغییرات موضعی نیروی مغناطیسی باعث برهمکنش متغیر مغناطیسی می گردد. اصولا از برهمکنش های فیزیکی بسیاری می توان برای کنترل فاصله استفاده کرد. در زیر به سه مورد اشاره می شود:
الف) جریان تونلی ثابت
ب) استفاده از ظرفیت سوزن – نمونه
ج) تکنیک های lift-off

1-2-1- جریان تونلی ثابت
فاصله سوزن– نمونه به نحوی تنظیم می شود که جریان تونلی بین نمونه و کانتیلور ثابت بماند. در این صورت خمش کانتیلور (با تغییر در فرکانس رزونانس آن) می تواند منعکس کننده سیگنال مغناطیسی باشد.

1-2-2- ظرفیت سوزن – نمونه
ظرفیت سوزن– نمونه به صورت خطی به فاصله سوزن– نمونه بستگی دارد. چنانچه یک پتانسیل الکتریکی سینوسی متغیر به نمونه اعمال شود، انحراف یا فرکانس رزونانس مربوطه کانتیلور می تواند برای کنترل فاصله استفاده شود. چنانچه دامنه پتانسیل متغیر سینوسی به اندازه کافی کوچک باشد و اگر فرکانسی متفاوت از فرکانس رزونانس کانتیلور انتخاب شود، اندازه گیری سیگنال مغناطیسی وابسته به ولتاژ نخواهد بود.

1-2-3- تکنیک های lift-off
توپوگرافی نمونه مغناطیسی می تواند حتی در حضور نیروهای مغناطیسی نیز اندازه گیری شود، زیرا پارامترهای کاری می توانند بگونه ای انتخاب شوند که برهمکنش غیر مغناطیسی سوزن – نمونه، سیگنال اصلی تشکیل تصویر باشد. با در تماس قرار دادن سوزن با نمونه، این شرط به آسانی محقق می شود. همانطور که رابطه های 1 و 2 نشان می دهند، انحراف کانتیلور ناشی از نیروهای مغناطیسی بسیار کوچک بوده و بنابراین توپوگرافی نمونه اندازه گیری می شود. اما توپوگرافی را می توان در حالت نیمه تماسی (نوک زنی) یا حتی در حالت غیرتماسی نیز اندازه گیری نمود. استفاده از حالت غیرتماسی معمولا نیازمند یک حلقه قفل شونده فازی (Phase- locked) است که باعث نوسان رزونانس کانتیلور با دامنه ثابت می شود.
برای تهیه نقشه توپوگرافی، فاصله سوزن – نمونه طوری تنظیم می شود که فرکانس رزونانس را در نقطه تنظیم جابجایی (shift) فرکانس منفی بزرگ نگه دارد. نقطه تنظیم جابجایی فرکانس باید بسیار بزرگتر از تغییرات فرکانس ناشی از نیروی برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه باشد. در این صورت تغییرات ثبت شده فاصله تقریبا منعکس کننده توپوگرافی است. اما اگر حداکثر برآیند نیروهای واندروالس بسیار بزرگتر از گرادیان نیروی مغناطیسی نباشد، این شرایط برآورده نخواهد شد. در چنین مواردی می توان یک پتانسیل الکترواستاتیک به نمونه اعمال کرد تا نیروی برهمکنش غیرمغناطیسی تولید کند و بنابراین شرایط بازخورد پایدار با نقطه تنظیم جابجایی فرکانس منفی بزرگ حاصل گردد.
وقتی که توپوگرافی حاصل اندازه گیری شد، می توان از این داده ها برای ثابت نگه داشتن فاصله سوزن – نمونه در طی روبش دوم همان ناحیه استفاده نمود. سپس برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه ثبت می شود.
بیشتر آزمایشات میکروسکوپی نیروی مغناطیسی در دمای اتاق انجام می شوند و حرکت دمایی و خزش پیزو، اجازه روبش دوباره، درست در همان ناحیه روبش اول را نمی دهند. برای غلبه بر این مشکل، جمع آوری داده های توپوگرافی و مغناطیسی در حالت خط به خط انجام می پذیرد. در این حالت، سوزن هر موضع از نمونه را دو بار روبش می کند، یکبار برای اندازه گیری توپوگرافی و بار دوم، در حالی که سوزن از سطح نمونه دور شده است، برای تهیه نقشه نیروهای مغناطیسی [2, 3].

2- تشکیل کنتراست
قلب آزمایش MFM، سوزن مغناطیسی متصل به یک کانتیلور است. برای درک تشکیل کنتراست، باید برهمکنش این سوزن مغناطیسی با میدان مغناطیسی نمونه، تجزیه و تحلیل گردد. برهمکنش توزیع مغناطش نمونه با خطوط میدان مغناطیسی سوزن نیز می تواند مطالعه شود [4]. تعداد محدودی خطوط میدان مغناطیسی نیز وجود دارد که الگوی خطوط میدان مشابهی را تولید می کنند. بنابراین، در بهترین شرایط، فقط خطوط میدان سطح نمونه (با چگالی بار مغناطیسی) را می توان از داده های MFM بدست آورد [3].

عنوان : توزیع مغناطش نمونه در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)

توضیحات : با حرکت سوزن مغناطیسی روی سطح نمونه در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)، دیواره نواحی مغناطیسی حرکت می کنند و تغییرات برگشت ناپذیری در ساختار حوزه های مغناطیسی نمونه ایجاد می شود. این توزیع مغناطش شدیداٌ وابسته به ارتفاع سوزن از نمونه و دامنه نوسان آن می باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2 : توزیع مغناطش نمونه در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM)

شرط لازم برای تعیین خطوط میدان از داده های MFM اندازه گیری شده، داشتن اطلاعات کافی از توزیع مغناطش سوزن است. در این حالت می توان سوزن را با مدل نقطه - قطبی (Point-pole models) ساده یا با مدل های هندسی شرح داد و تابع پاسخ سوزن را از آزمایشات کالیبراسیونی که بدقت طراحی شده اند، تعیین نمود. چنانچه ساختار مغناطیسی سوزن شناخته شده باشد، نیروی روی سوزن از تغییر کنولوسیون (convolutions) مغناطش سوزن و خطوط میدان نمونه در فضای مستقیم قابل محاسبه است.
میدان مغناطیسی تولید شده توسط توزیع مغناطیسی نمونه، ممکن است بر ساختار مغناطیسی سوزن اثر بگذارد و برعکس.

عنوان : کاربرد میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM) در نوشتن روی نمونه

توضیحات : درمیکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)، با بکارگیری اثر مغناطیسی نوک سوزن بر روی نمونه میتوان نواحی مغناطیسی بر وری نمونه ایجاد نمود. بعنوان مثال در اثر تماس نوک سوزن با فیلم کبالت پلی کریستاله در نیروی ثابت، نواحی مغناطیسی روی سطح نوشته می شود که شعاع این نواحی به مدت زمان تماس نوک سوزن با نمونه وابسته است.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 3 : کاربرد میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM) در نوشتن روی نمونه

قدرت این اختلالات (perturbations) متقابل به شرایط تصویرگیری، شکل هندسی و مواد سوزن و نمونه بستگی دارد. به عنوان مثال اگر نمونه یک محیط ذخیره اطلاعات باشد، حالت میکرومغناطیس آن با خطوط میدان سوزن، تغییر چندانی نمی کند ولی ممکن است مغناطش سوزن، از میدان مغناطیسی نمونه اثر بپذیرد. از سوی دیگر در هنگام تصویرگیری از نمونه های مغناطیسی نرم مانند عناصر پرمالوی (permalloy) میکروساختاری یا ساختارهای میکرومغناطیسی نرم مانند ساختارهای میکرومغناطیس ظریف دیواره های حوزه در Fe2O3 [5]، خطوط میدان سوزن، اغلب بر مغناطش نمونه اثر می گذارد.

عنوان : تاثیر برهمکنش سوزن مغناطیسی و سطح نمونه در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)

توضیحات : میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM)، از جمله دستگاه های مشهور مشخصه سازی میکرو و نانوساختارهای مغناطیسی می باشد اما برهمکنش سوزن مغناطیسی و سطح نمونه می تواند تفسیر عددی تصاویر بدست آمده از MFM را با مشکل روبرو سازد. گاه فرایند اندازه گیری خواص مغناطیسی از طریق MFM، تغییرات برگشت ناپذیری را روی سطح نمونه ایجاد می کند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 4 : تاثیر برهمکنش سوزن مغناطیسی و سطح نمونه در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM)

بنابراین وقتی که توزیع مغناطش سوزن و خطوط میدان نمونه برهم اثر می گذارند، ممکن است توزیع مغناطش سوزن و نمونه، هر دو تابع موقعیت سوزن – نمونه و زمان باشند [3].

2-1- فرآیندهای تشکیل کنتراست
بسته به دامنه تأثیرپذیری مغناطش سوزن و خطوط میدان نمونه، فرآیندهای تشکیل کنتراست در میکروسکوپی نیروی مغناطیسی می تواند به گونه های تقسیم بندی شود [6] :
در حالت اول تا زمانی که مغناطش سوزن و توزیع خطوط میدان نمونه با موقعیت سوزن – نمونه تغییر نکند، می توان کنتراست اندازه گیری شده را به عنوان عملکرد خطی روی خطوط میدان نمونه، توصیف نمود. در حالت دوم توزیع خطوط میدان نمونه بر مغناطش سوزن می تواند با موقعیت سوزن – نمونه تغییر کند. تا زمانی که تمام تغییرات در سیستم برگشت پذیرند، کنتراست اندازه گیری شده، فقط تابعی از موقعیت سوزن – نمونه است. در نهایت در حالت سوم توزیع خطوط میدان نمونه یا مغناطش سوزن در طی روبش بصورت برگشت ناپذیر(هیستریک)، تغییر می کنند. در این حالت کنتراست مشاهده شده، فقط به موقعیت واقعی سوزن – نمونه بستگی دارد نه به موقعیت قبلی سوزن – نمونه.
بنابراین با تلفیق گونه های تأثیر سوزن با گونه های تأثیر نمونه، نه گونه احتمالی برای مکانیزم کنتراست وجود خواهد داشت. علاوه بر این، حتی در مورد تأثیر ناچیز برهمکنش های اندازه گیری شده سوزن – نمونه، ممکن است حاوی مشارکت های غیرمغناطیسی باشد که به اشتباه به عنوان منشاء مغناطیسی، تفسیر می شود[3].

2-2- تشکیل تصاویر MFM
کنتراست در تصاویر MFM، نهایتا به توزیع مغناطیس پذیری در نمونه مرتبط می شود. جزئیات شکل گیری تصاویر MFM، می تواند به کمک تقریب زنی برهمکنش (دوقطبی –دوقطبی) بیان شود. در این حالت نمونه مغناطیسی به حجم های اولیه تقسیم می شود که مغناطیس پذیری بوسیله دوقطبی های مغناطیسی filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820 ، توصیف می شوند.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل1- برهمکنش نمونه – سوزن در یک تقریب دوقطبی[7]

سوزن در ساده ترین مدل، می تواند بعنوان یک دوقطبی منفرد filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2، تقریب زده شود. سپس مؤلفه z، گرادیان نیرو بوسیله رابطه زیر بیان می گردد:
filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc
که میدان مغناطیسی filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9 مربوط به دوقطبی Jth نمونه در رأس سوزن عبارتست از:

filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

با حرکت دادن سوزن در بالای ساختار مغناطیسی در همان ارتفاع و محاسبه تغییر فاز filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6 در هر نقطه، امکان مدل کردن و ساختن تصویر MFM فراهم می شود [7]. نتایج محاسبات مدلسازی تصویر MFM، برای ذرات همگن به شکل استوانه بیضوی در شکل 2، آمده است.

filereader.php?p1=main_5890595e16cbebb88
شکل2- مدلسازی تصویر MFM از یک ذره مغناطیسی همگن الف) نحوه توزیع مغناطیس پذیری در ذره
ب) تصویر MFM مربوطه [7]

تصویر آزمایشگاهی MFM از یک آرایه منظم از ذرات مغناطیسی با شکل بیضوی در شکل 3، نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_bd11537f1bc31e334
شکل3- تصویر MFM از یک آرایه نانوذرات مغناطیسی ایجاد شده بوسیله آنیل کردن اینترفرنشیال لیزری فیلم های Fe-Cr ا[8]


نتیجه گیری
در حالات مبتنی به برهمکنش سوزن – نمونه، تغییرات برهمکنش مغناطیسی یا غیر مغناطیسی سوزن - نمونه باعث تغییرات فاصله سوزن - نمونه می شود. بنابراین اطلاعات مغناطیسی و توپوگرافی با هم مخلوط می شوند. از جمله برهمکنش های فیزیکی که می توان برای کنترل فاصله از آن استفاده کرد، جریان تونلی ثابت، استفاده از ظرفیت سوزن – نمونه و تکنیک های lift-off می باشد. به عنوان مثال، در جریان تونلی ثابت، فاصله سوزن تا نمونه طوری تنظیم می شود که جریان تونلی بین کانتیلور و نمونه ثابت بماند و در حالت ظرفیت سوزن - نمونه با اعمال پتانسیل الکتریکی سینوسی متغیر به نمونه، از روی فرکانس رزونانس کانتیلور برای کنترل فاصله استفاده می شود. زیرا ظرفیت سوزن - نمونه با فاصله سوزن تا نمونه رابطه خطی دارد.
فرآیندهای تشکیل کنتراست در میکروسکوپی نیروی مغناطیسی، به سه دسته تقسیم می شود. حالت اول تا زمانی است که مغناطش سوزن و توزیع خطوط میدان نمونه با موقعیت سوزن – نمونه تغییر نکند. در حالت دوم توزیع خطوط میدان نمونه بر مغناطش سوزن می تواند با موقعیت سوزن – نمونه تغییر کند و در حالت سوم، توزیع خطوط میدان نمونه یا مغناطش سوزن در طی روبش بصورت برگشت ناپذیر تغییر می کند که کنتراست مشاهده شده، فقط به موقعیت واقعی سوزن - نمونه بستگی دارد. بنابراین با تلفیق گونه های تأثیر سوزن با گونه های تأثیر نمونه، نه گونه احتمالی برای مکانیزم کنتراست وجود خواهد داشت.

منابـــع و مراجــــع

1. F.J. Giessibl: In S. Morita, R. Wiesendanger, and E. Meyer (Eds.), oncontaet Atomic Force Microscopy (Springer, Berlin, 2002) p.ll

2. E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, "Scanning Probe Microscopy The Lab on a Tip", USA, Springer, (2003).

3. علیرضا ذوالفقاری، محمدالماسی، پیروز مرعشی، مهرداد نجبا، امید سیفی، "میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن"، تهران، پیک نور، (1385).

4. Wadas, P. Grutter and H.J. Guntherodt: 'Analysis of magnetic bit pattern by magnetic force microscopy', J. Vac. Sci. Technol. A 8 (1), 416 (1990). .

5. Wadas, M. Dreyer, and M. Loehndorf, and R. Wiesendanger: 'Magnetostatic interaction studided by force microscopy in ultrahigh vacum', Appl. Phys. A 64 (4),353 (1997)

6. U. Memmert, P. Leinenbach, 1. Losch, and U. Hartmann: 'Ultrahigh vacuum magnetic force microscopy: domain imaging on in situ grown Fe(l00)thin film ' J. Mag. Magn. Mat. 190 (1-2), 124 (1998)

7. V. L. Mironov ,"Fundamentals of scanning probe microscopy", (2004). .

8. A. Alexeev, V.A.Bykov, A.F.Popkov, N.I.Polushkin, V.I.Korneev, "Remanent state studies of elliptical magnetic particles", J. Magn. Mater., vol. 258-259, p. 42-44 (2003). .