MFM Magnetic Force Microscopy Magnetische Rasterkraftmikroskopie Inhaltverzeichnis 1. Aufgabenstellung, Erforderliche Kenntnisse und Literatur 2. AFM/SPM Grundlagen 3. MFM Grundlagen 4. Festplatten 5. Magnetische Mikrostrukturen
Aufgabenstellung MFM (Stand SS 2012) 0. ACHTUNG! AFM/MFM Spitzen sind zerbrechlich! Warten Sie, bis der Betreuer Ihnen erklärt hat, wie die Spitzen eingebaut werden sollen. Der Betreuer wird Ihnen alte defekte Spitzen zum Üben besorgen. Lassen Sie NIEMALS eine defekte Spitze zurück in der Spitzenschachtel (Im Fall von Zweifeln, Betreuer informieren). Dies kann zu Verwirrung für die nächste Gruppe führen. A. Erste Schritte: 1. Lesen Sie sorgfältig die Anleitungen von Nanosurf im Versuchsordner und am Versuchsort. 2. Nehmen Sie eine MFM Spitze und montieren Sie diese im Messkopf. (Der Betreuer wird dieses Verfahren erklären). Die Spitze muss zuerst magnetisiert werden. Benutzen Sie dafür den vom Betreuer besorgten Permanentmagneten. B. Messung an einer Festplatte: 1. Nehmen Sie ein Stück der Festplatte (Kunststoffskasten, mit HDD1 und Seagate gekennzeichnet). Warten Sie auf den Betreuer bevor Sie mit den Messungen starten. Sie werden eine ausführliche Erklärung des Geräts bekommen. Lesen Sie auch die Anleitung von Nanosurf. Machen Sie sich mit Gerät und Software vertraut. Vergessen Sie nicht die Art der Spitze und Messmodus (dynamic, phase constrast ) in der Software zu ändern! 2. Vermessen Sie die Topographie eines Ausschnitts der Festplatte. Was sehen Sie? Beginnen Sie mit einem Messbereich von 25x25 µm². 3. Schalten Sie zum MFM Modus. Machen Sie eine Messung im selben Bereich wie in Versuchsteil B2. Was sehen Sie? Sieht das Bild ähnlich aus, wie die Beispiele im Versuchsordner? Hinweis: Nicht die gesamte Fläche einer Festplatte wird zum Speichern genutzt. Es gibt auch Orientierungsstellen die eine andere Struktur haben. Was haben sie gesehen? Um sicher zu sein, messen Sie an mehreren Stellen der Festplatte. 4. Vermessen Sie auch kleinere (16x16, 4x4, 8x8 µm²) Bereiche. 5. Berechnen Sie die lineare Dichte, die Spurdichte und die Flächedichte der Festplatte anhand der aufgenommenen Bilder. Benutzten Sie ausnahmsweise keine SI Einheiten, sondern Bits/zoll, Spur/Zoll und Bits/Zoll². Vergleichen die Ergebnisse mit dem Graphen im Versuchsordner. Können Sie raten, in welchem Jahr die Festplatte produziert wurde? C. Messungen an magnetischen Mikrostrukturen: 1. Festplatten haben eine sehr flache Oberfläche und große Streufelder. Dies erlaubt eine einfache Trennung zwischen Topographie und magnetischem Signal. In anderen magnetischen Mikrostrukturen ist die Trennung zwischen Topographie und mag. Signal oft nicht einfach zu erkennen. Der Betreuer wird Ihnen einige Proben besorgen und eine Anleitung zu den Messungen, die Sie durchführen müssen. Es handelt sich
um Strukturen mit Dimensionen zwischen 10-100µm. Die dünnen magnetischen Schichten wurden mittels lithographischer Prozesse strukturiert. Bemerkungen zu den Messungen 1. Proben und Spitzen nur mit Pinzetten berühren. 2. Der Einbau der Spitzen verlangt eine ruhige und nicht zitternde Hand, trinken Sie nicht viel Kaffee vor dem Versuch! 3. Es ist ein Spulenpaar vorhanden. Damit können kleine magnetische Felder erzeugt werden. Mit Hilfe dieser Felder lassen sich die magnetischen Zustände der Strukturen manipulieren (Formation von neuen Domänen, Verschiebung von Domänewände, etc.), was in Teil C1 zu untersuchen ist. Eine Kalibration der Spule mit einer Hall Sonde ist erforderlich. 4. Erforderliche Kenntnisse: - Wie funktioniert ein AFM/MFM? - Was ist der Hauptunterschied zwischen einer AFM- und einer MFM-Spitze? - Ist es möglich eine MFM Spitze für AFM zu benutzen? Und umgekehrt? - Unterschied zwischen statischem/kontakt und dynamischem AFM - Wird ein MFM im statischen oder dynamischen Modus betrieben? - Phase- und Amplitude des Signals. - Was misst eigentlich ein MFM? - Two-Pass Methode: warum wird diese Methode oft benutzt? Wird sie auch im FP- Gerät benutzt? - Struktur einer Festplatte. Literatur: - Fundamentals of Scanning Probe Microscopy V. L. Mironov, The Russian Academy of sciences, Institute of Physics of microstructures, 2004. (AFM/SPM und MFM Grundlagen) - Wikipedia (Bilder von AFM Spitzen) - Modern Techniques for characterizing magnetic materials, Yimeu Zu (Editor), Springer, 2005. - Magnetische Sichtsysteme. 30 Ferienkurs des Instituts für Festkörperforschung 1999.(Kap. B6.1, R. Schäfer, IFW Dresden)
Kurze Einleitung - Schalten Sie den MFM Kontroller an. - Starten Sie die NanoSurf Easyscan Software (Desktop-Verknüpfung). - Das Startfenster wird wie unten aussehen: - Wählen Sie die richtige Spitze (Mounted Cantilever): Multi75M-G. Bei Operating Mode wählen Sie Dynamic Force. Damit wird das Topografie Messverfahren aktiviert. - Minimieren Sie die Lithography und Spectroscopy Fenster. Sie werden nicht gebraucht. - Das Bedienungsfeld links (Windows) erlaubt die Navigation zwischen den verschiedenen Messfenstern. Während des Praktikums werden nur Positioning und Imaging benutzt. Wählen Sie Positioning:
Spitze - Die zwei Bilder zeigen eine obere und eine seitliche Kameraansicht der Spitze. Im Video Panel Feld kann man sich nur eine davon anzeigen zu lassen. Dies wird später nützlich sein. - Im Feld Approach sind 4 Kontrollen zu sehen. Bei Advance und Retract wird die Spitze schrittweise an die Probe herangebracht bzw. von der Probe abgezogen. Die Schrittgröße ist sehr klein und diese Kontrollen sind nur nützlich wenn der Abstand Spitze-Probe sehr klein ist (< 100 nm). - Die Näherung der Probe wird zuerst manuell mit Hilfe der seitlichen Kameraansicht durchgeführt. Danach wird die Endnäherung automatisch mit Approach durchgeführt. Beim Drücken von Home wird die Spitze auf einen sicheren Abstand gebracht. Bevor die Näherung gestartet wird, soll zuerst getestet werden, ob der Laser die Spitze richtig trifft. Wenn ja, soll der reflektierte Strahl mittig die Sensoren treffen. Um dies zu prüfen: Menu Options Scan Head diagnostics:
- Der grüne Punkt markiert die Position des Laserstrahls im Sensorarray. Um die Position des Lasers zu justieren, lesen Sie sorgfältig die Anleitungen von Nanosurf im Versuchsordner und am Versuchsort. Wenn Sie unsicher sind, fragen Sie dem Betreuer. HINWEIS: Ein heller/roter Fleck an der Spitze kann mit beiden Kameraansichten beobachtet werden. Dies markiert die Position des Lasers. Die Helligkeit der Kameraansicht kann mit Gain geändert werden, falls die Reflektion zu schwach ist. - Jetzt ist es möglich die Näherung durchzuführen. Die erste grobe Näherung wird manuell mit dem Rad an der rechten Seite des MFM-Gerätes gemacht. - ACHTUNG!: Gleichzeitig soll die seitliche Kameraansicht ständig kontrolliert werden, um einen Zusammenstoß Probe-Spitze zu vermeiden. - Die Bilderreihe (nächste Seite) zeigt was im diesen ersten Näherungsschritt beobachtet wird: o 1: Am Anfang liegt die Probe so weit entfernt, dass sie in der Kameraansicht nicht sichtbar ist. o 2: Nach einigen Drehungen ist die Probe zu sehen. o 3: Wenn das Rad weiter gedreht wird, ist der Schatten der Spitze auf der Probe zu sehen. Solange sich optisch die Spitze und deren Schatten nicht berühren, besteht keine Gefahr für die Spitze. ACHTUNG: Niemals versuchen manuell näher als in Abbildung 3 zu kommen. - Ab hier übernimmt das Programm: Approach klicken. Die automatische Näherung kann ein paar Minuten im Anspruch nehmen. Eine Meldung mit Approach OK wird gezeigt, wenn alles korrekt verlaufen ist.
Probe Spitze Schatten - Wechseln Sie zum Imaging Fenster. Hier gibt drei Felder: Imaging Area, Imaging Options und Imaging Modes. o Imaging Area: Die Parameter, die in der Abbildung gezeigt sind, sind so gewählt um Bilder in guter Qualität zu bekommen. Es dauert allerdings sehr lange (~10 min pro Bild). Um schnell die ersten Testbilder zu erhalten, sollten sie bei Lines 256 oder 128 einzugeben. Hinweis: die maximale Bildbreite ist 100 µm. o Imaging Options: x- und y-slope werden automatisch berechnet (wenn Auto Set aktiv ist). Mit Image X- und Y- Pos. ist es möglich der Position der Spitze zu ändern. - Man kann das erste Bild durch drücken von Start aufgenommen werden. o Recht-Klicken an den Bildern und bei Signal soll Topography Backward bzw. Forward gewählt werden. Bei Chart Type ist hier Color Map oder Shaded Map zu wählen.
- Mit den oben beschriebenen Einstellungen werden nur Topografie Bilder aufgenommen. Und MFM-Bilder zu messen, müssen noch einige Änderungen gemacht werden: o Operating Mode: Phase Contrast statt von Dynamic Force wählen. o Imaging Mode: Einblenden und Fixed Distance aktivieren (-263 nm als Startwert) o Start o Recht-Klick auf den Bildern und bei Signal Phase Backward bzw. Forward auswählen. Bei Chart Type ist hier Color Map zu wählen. Hinweise für die Magnetspulen: - ACHTUNG: Vor jeder Feldänderung, muss auf dir Home Position gefahren werden. Der MFM Messkopf hat magnetische Teile und wird sich bei jeder Feldänderung bewegen. Es besteht Gefahr, die Spitze zu zerstören. - Stromquelle: Mit Strom-Begrenzung arbeiten (Betreuer fragen). Nur Fine Course benutzen (max. 0.26 A). Wenn größere Felder gewünscht sind, Betreuer fragen. Auf keinen Fall darf der Strom größer als 0.5 A sein.