مجهر القوة المغناطيسية

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 16 صور
الموسوعة الحرة
صور مجهر القوة المغناطيسية لأسطح محركات الأقراص الصلبة للحاسوب بسعة 3.2 جيجابايت (يسار) و 30 جيجابايت (يمين).
مقارنة بين صورة تأثير فاراداي (يسار) وصورة المجهر المغناطيسي للقوة (الصورة المصغرة، أسفل اليمين) لغشاء مغناطيسي

المجهر المغناطيسي للقوة ( MFM ) هو نوع من أنواع مجهر القوة الذرية ، حيث يقوم طرف مغناطيسي حاد بمسح عينة مغناطيسية؛ ويتم رصد التفاعلات المغناطيسية بين الطرف والعينة واستخدامها لإعادة بناء البنية المغناطيسية لسطح العينة. يقيس المجهر المغناطيسي للقوة أنواعًا عديدة من التفاعلات المغناطيسية، بما في ذلك تفاعل ثنائي القطب المغناطيسي . غالبًا ما يستخدم المجهر المغناطيسي للقوة تقنية مجهر القوة الذرية غير التلامسي (NC-AFM)، ويُعتبر غير مُتلف للعينة المختبرة. في المجهر المغناطيسي للقوة، لا يشترط أن تكون العينة (أو العينات) موصلة للكهرباء ليتم تصويرها.

ملخص

في قياسات MFM، يمكن التعبير عن القوة المغناطيسية بين عينة الاختبار والطرف على النحو التالي [ 1 ] [ 2 ]

F→=μo(م→⋅∇)ح→{\displaystyle {\vec {F}}=\mu _{o}({\vec {m}}\cdot \nabla ){\vec {H}}\,\!}

أينم→{\displaystyle {\vec {m}}\,\!}يمثل العزم المغناطيسي للطرف (الذي يُقارب ثنائي القطب النقطي)،ح→{\displaystyle {\vec {H}}\,\!}يمثل المجال المغناطيسي الشارد من سطح العينة، و μ 0 هو النفاذية المغناطيسية للفضاء الحر.

نظراً لأن المجال المغناطيسي المتسرب من العينة قد يؤثر على الحالة المغناطيسية لرأس المسبار، والعكس صحيح، فإن تفسير قياسات المجهر المغناطيسي للقوة ليس بالأمر البسيط. فعلى سبيل المثال، يجب معرفة هندسة مغنطة رأس المسبار لإجراء تحليل كمي.

 يمكن تحقيق دقة نموذجية تبلغ 30 نانومتر، [ 3 ]  على الرغم من إمكانية الوصول إلى دقة منخفضة تصل إلى 10 إلى 20 نانومتر. [ 4 ]

تواريخ مهمة

وقد نتجت زيادة الاهتمام بطب الأم والجنين عن الاختراعات التالية: [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]

المجهر النفقي الماسح (STM) 1982، يُستخدم تيار النفق بين رأس المسبار والعينة كإشارة. يجب أن يكون كل من رأس المسبار والعينة موصلين للكهرباء.

في تقنية المجهر الذري للقوة (AFM) عام 1986، تُستشعر القوى (الذرية/الكهروستاتيكية) بين رأس المسبار والعينة من خلال انحرافات ذراع مرن (الكابولي). يتحرك رأس الكابولي فوق العينة بمسافة نموذجية تبلغ عشرات النانومترات.

المجهر المغناطيسي للقوة (MFM)، 1987 [ 7 ] مشتق من المجهر الذري للقوة (AFM). يتم استشعار القوى المغناطيسية بين رأس المسبار والعينة. [ 8 ] [ 9 ] يتم الحصول على صورة المجال المغناطيسي المتسرب عن طريق مسح رأس المسبار الممغنط على سطح العينة بمسح نقطي . [ 10 ]

مكونات MFM

المكونات الرئيسية لنظام إدارة المرافق هي:

  • المسح الكهروإجهادي
  • يحرك العينة في الاتجاهات س ، ص ، ع .
  • يتم تطبيق جهد كهربائي على أقطاب كهربائية منفصلة باتجاهات مختلفة. عادةً، ينتج عن جهد 1 فولت  إزاحة تتراوح بين 1 و 10 نانومتر.
  • يتم تجميع الصورة عن طريق المسح البطيء لسطح العينة بطريقة المسح النقطي.
  • تتراوح مساحات المسح من بضعة ميكرومترات إلى 200 ميكرومتر.
  • تتراوح أوقات التصوير من بضع دقائق إلى 30 دقيقة.
  • تتراوح ثوابت قوة الاستعادة على الكابولي من 0.01 إلى 100 نيوتن/متر اعتمادًا على مادة الكابولي.
  • طرف ممغنط في أحد طرفي ذراع مرن (الذراع الكابولي)؛ بشكل عام مسبار AFM ذو طلاء مغناطيسي.
  • في الماضي، كانت رؤوس المغناطيس تُصنع من معادن مغناطيسية محفورة مثل النيكل .
  • تُصنّع رؤوس المجسات حاليًا على دفعات (رأس-ذراع) باستخدام مزيج من التصنيع الدقيق والطباعة الضوئية. ونتيجةً لذلك، أصبح من الممكن تصنيع رؤوس أصغر حجمًا، كما تحسّن التحكم الميكانيكي في رأس-ذراع. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
  • الكابولي: يمكن تصنيعه من السيليكون أحادي البلورة ، أو ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ) ، أو نتريد السيليكون ( Si₃N₄ ). عادةً ما تكون وحدات طرف الكابولي المصنوعة من Si₃N₄ أكثر متانة ولها ثوابت قوة استعادة ( k ) أصغر.
  • يتم تغطية الأطراف بطبقة رقيقة (< 50  نانومتر) من المغناطيس (مثل النيكل أو الكوبالت)، وعادة ما تكون ذات إكراه عالي ، بحيث لا تتغير الحالة المغناطيسية للطرف (أو المغنطة M ) أثناء التصوير.
  • يتم تحريك وحدة الطرف الناتئ بالقرب من تردد الرنين بواسطة بلورة كهرضغطية بترددات نموذجية تتراوح من 10  كيلو هرتز إلى 1  ميجا هرتز. [ 5 ]

إجراء المسح

غالبًا ما يتم تشغيل مجهر القوة المغناطيسية (MFM) باستخدام ما يُسمى بطريقة "ارتفاع الرفع". [ 14 ] عندما يمسح رأس المجس سطح العينة على مسافات قريبة (< 10  نانومتر)، لا يتم استشعار القوى المغناطيسية فحسب، بل أيضًا القوى الذرية والكهروستاتيكية. تساعد طريقة ارتفاع الرفع على تحسين التباين المغناطيسي من خلال ما يلي:

  • أولاً، يتم قياس المظهر الطبوغرافي لكل خط مسح. أي يتم تقريب رأس المسبار من العينة لإجراء قياسات المجهر الذري للقوة.
  • ثم يتم رفع الطرف الممغنط بعيدًا عن العينة.
  • في المرور الثاني، يتم استخراج الإشارة المغناطيسية. [ 15 ]

أنماط التشغيل

الوضع الثابت (التيار المستمر)

يُؤثر المجال المغناطيسي المتسرب من العينة بقوة على الطرف المغناطيسي. تُقاس هذه القوة بقياس إزاحة الناتئ عن طريق عكس شعاع ليزر منه. ينحرف طرف الناتئ إما بعيدًا عن سطح العينة أو باتجاهه بمسافة Δz = Fz / k ( عمودية على السطح).

يتوافق الوضع الساكن مع قياسات انحراف الكابولي. وعادةً ما يتم قياس قوى في نطاق عشرات البيكونيوتن .

الوضع الديناميكي (AC)

بالنسبة للانحرافات الصغيرة، يمكن نمذجة طرف الناتئ كمذبذب توافقي مخمد بكتلة فعالة ( m ) بالكيلوجرام، وثابت زنبرك مثالي ( k ) بالنيوتن/متر، ومخمد ( D ) بالنيوتن·ثانية/متر. [ 16 ]

إذا طُبقت قوة خارجية متذبذبة F z على الناتئ، فإن طرفه سينزاح بمقدار z . علاوة على ذلك، سيتذبذب الإزاحة توافقياً أيضاً، ولكن مع فرق في الطور بين القوة المطبقة والإزاحة يُعطى بالعلاقة التالية: [ 5 ] [ 6 ] [ 9 ]

Fz=Foكوس⁡(ωت)،z=zoكوس⁡(ωت+θ){\displaystyle F_{z}=F_{o}\cos(\omega t),\;z=z_{o}\cos(\omega t+\theta )\,\!}

حيث يتم تحديد سعة الإشارة وتحولات الطور من خلال:

zo=Foم(ωن2-ω2)+(ωنωسؤال)2،θ=دالة الظل العكسي⁡[ωنωسؤال(ωن2-ω2)]{\displaystyle z_{o}={\frac {\frac {F_{o}}{m}}{(\omega _{n}^{2}-\omega ^{2})+({\frac {\omega _{n}\omega }{Q}})^{2}}},\;\theta =\arctan \left[{\frac {\omega _{n}\omega }{Q(\omega _{n}^{2}-\omega ^{2})}}\right]\,\!}

فيما يلي عامل الجودة للرنين، والتردد الزاوي للرنين، وعامل التخميد:

سؤال=2π12كzo2πدzo2ωن=12دلتا،ωن=كم،دلتا=د2مك{\displaystyle Q=2\pi {\frac {{\frac {1}{2}}kz_{o}^{2}}{\pi Dz_{o}^{2}\omega _{n}}}={\frac {1}{2\delta }},\;\omega _{n}={\sqrt {\frac {k}{m}}},\;\delta ={\frac {D}{2{\sqrt {mk}}}}\,\!}

يشير نمط التشغيل الديناميكي إلى قياسات تغيرات تردد الرنين. يُحرك الناتئ إلى تردد رنينه، ثم تُكتشف تغيرات التردد. بافتراض سعات اهتزاز صغيرة (وهو ما ينطبق عمومًا على قياسات المجهر المغناطيسي للقوة)، يمكن، كتقريب من الدرجة الأولى، ربط تردد الرنين بالتردد الطبيعي وتدرج القوة. أي أن تغير تردد الرنين ناتج عن تغيرات في ثابت الزنبرك بسبب قوى التجاذب والتنافر المؤثرة على طرف الناتئ.

ωر=ωن1-1ك∂Fz∂z≈ωن(1-12ك∂Fz∂z)\displaystyle \omega _{r}=\omega _{n}{\sqrt {1-{\frac {1}{k}}{\frac {\partial F_{z}}{\partial z}}}}\approx \omega _{n}\left(1-{\frac {1}{2k}}{\frac {\partial F_{z}}{\partial z}}\right)\,\!}

يُعطى التغير في تردد الرنين الطبيعي بالعلاقة التالية:

Δو=ور-ون≈-ون2ك∂Fz∂z{\displaystyle \Delta f=f_{r}-f_{n}\approx -{\frac {f_{n}}{2k}}{\frac {\partial F_{z}}{\partial z}}\,\!}، أينو=ω2π{\displaystyle f={\frac {\أوميغا }{2\pi }}\,\!}

على سبيل المثال، يكون نظام الإحداثيات بحيث يكون المحور z الموجب بعيدًا عن سطح العينة أو عموديًا عليه، وبالتالي تكون قوة التجاذب في الاتجاه السالب ( F < 0)، ويكون التدرج موجبًا. ونتيجة لذلك، بالنسبة لقوى التجاذب، ينخفض ​​تردد الرنين للذراع الناتئ (كما هو موضح في المعادلة). يتم ترميز الصورة بحيث تُصوَّر قوى التجاذب عمومًا باللون الأسود، بينما تُرمَّز قوى التنافر باللون الأبيض.

تكوين الصورة

حساب القوى المؤثرة على الرؤوس المغناطيسية

نظريًا، يمكن حساب الطاقة المغناطيسية الساكنة ( U ) لنظام رأس المسبار والعينة بإحدى طريقتين: [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 17 ] يمكن حساب مغنطة ( M ) رأس المسبار في وجود مجال مغناطيسي مطبق (ح{\displaystyle H}) للعينة أو حساب المغنطة (م{\displaystyle M}) للعينة في وجود المجال المغناطيسي المطبق من طرف المسبار (أيهما أسهل). ثم، قم بتكامل حاصل الضرب النقطي للمغنطة والمجال الشارد على حجم التفاعل (V{\displaystyle V}) مثل

يو=-μo∫Vم→⋅ح→دV{\displaystyle U=-\mu _{o}\int \limits _{V}{{\vec {M}}\cdot {\vec {H}}\,dV}\,\!}

وحساب تدرج الطاقة مع المسافة للحصول على القوة F. [ 18 ] بافتراض أن الناتئ ينحرف على طول المحور z ، وأن طرفه ممغنط في اتجاه معين (مثل المحور z ) ، يمكن تبسيط المعادلات إلى

Fأنا=μo∫Vم→⋅∂ح→∂xأنادV{\displaystyle F_{i}=\mu _{o}\int \limits _{V}{{\vec {M}}\cdot {\frac {\partial {\vec {H}}}{\partial x_{i}}}\,dV}\,\!}

بما أن الطرف ممغنط على طول اتجاه معين، فسيكون حساسًا لمكون المجال المغناطيسي الشارد للعينة الذي يتماشى مع نفس الاتجاه.

عينات التصوير

يمكن استخدام مجهر القوة المغناطيسية (MFM) لتصوير مختلف البنى المغناطيسية، بما في ذلك جدران النطاقات المغناطيسية (بلوخ ونيل)، ونطاقات الإغلاق، والبتات المغناطيسية المسجلة، وغيرها. علاوة على ذلك، يمكن دراسة حركة جدران النطاقات المغناطيسية في مجال مغناطيسي خارجي. ويمكن الاطلاع على صور مجهر القوة المغناطيسية لمواد مختلفة في الكتب والمنشورات العلمية التالية: [ 5 ] [ 6 ] [ 19 ] ، وتشمل هذه المواد الأغشية الرقيقة، والجسيمات النانوية، والأسلاك النانوية، وأقراص البرمالوي، ووسائط التسجيل.

المزايا

تنبع شعبية العلاج متعدد التخصصات من عدة أسباب، منها: [ 2 ]

  • لا يشترط أن تكون العينة موصلة للكهرباء.
  • يمكن إجراء القياس في درجة حرارة الغرفة، وفي فراغ فائق العلو (UHV)، وفي بيئة سائلة، وفي درجات حرارة مختلفة، وفي وجود مجالات مغناطيسية خارجية متغيرة.
  • لا يؤدي القياس إلى إتلاف الشبكة البلورية أو مصفوفة مادة عينة الاختبار.
  • التفاعلات المغناطيسية بعيدة المدى لا تتأثر بتلوث السطح.
  • لا يتطلب الأمر تحضيراً أو طلاءً خاصاً للسطح.
  • إن ترسيب طبقات رقيقة غير مغناطيسية على العينة لا يغير النتائج.
  • تتراوح شدة المجال المغناطيسي القابلة للكشف، H ، في حدود 10 أمبير/متر
  • المجال المغناطيسي القابل للكشف ، B ، يقع في نطاق 0.1 غاوس (10 ميكروتسلا ).
  • تصل القوى المقاسة النموذجية إلى 10-14 نيوتن ، مع دقة مكانية تصل إلى 20  نانومتر.
  • يمكن دمج تقنية المجهر المغناطيسي للقوة مع طرق المسح الأخرى مثل المجهر النفقي الماسح.

القيود

توجد بعض أوجه القصور والصعوبات عند استخدام مجهر القوة المغناطيسية (MFM)، منها: أن الصورة المسجلة تعتمد على نوع رأس المجس والطلاء المغناطيسي، نتيجةً لتفاعلات رأس المجس مع العينة. كما أن المجال المغناطيسي لرأس المجس والعينة قد يُغير مغنطة كل منهما ( M )، مما قد يؤدي إلى تفاعلات غير خطية. وهذا يُعيق تفسير الصورة. بالإضافة إلى ذلك، يتميز الجهاز بنطاق مسح جانبي قصير نسبيًا (في حدود مئات الميكرومترات). ويؤثر ارتفاع المسح (الرفع) على الصورة. لذا، يُعد غلاف نظام مجهر القوة المغناطيسية (MFM) ضروريًا لحجب الضوضاء الكهرومغناطيسية ( قفص فاراداي )، والضوضاء الصوتية (طاولات مضادة للاهتزاز)، وتدفق الهواء (عزل الهواء)، والشحنات الساكنة على العينة.

التطورات

بُذلت عدة محاولات للتغلب على القيود المذكورة أعلاه وتحسين دقة مجهر القوة المغناطيسية (MFM). فعلى سبيل المثال، تم التغلب على قيود تدفق الهواء باستخدام مجاهر MFM تعمل في الفراغ. [ 20 ] كما تم فهم تأثيرات رأس المجس على العينة وحلها عبر عدة مناهج. استخدم وو وزملاؤه رأس مجس مزودًا بطبقات مغناطيسية مقترنة مضادًا للمغناطيسية في محاولة لإنتاج ثنائي قطب عند قمة المجس فقط. [ 21 ]

مراجع

  1. 1 2 3 د. أ. بونيل (2000). "7". مجهر المسح المجهري والتحليل الطيفي (  الطبعة الثانية). وايلي-في سي إتش. ISBN 0-471-24824-X.
  2. 1 2 د. جايلز (1998). "15" . مقدمة في المغناطيسية والمواد المغناطيسية ( الطبعة الثانية). سبرينغر. ISBN  3-540-40186-5.
  3. ↑ ل. أبلمان؛ س. بورثون؛ وآخرون (1998). "مقارنة دقة مجاهر القوة المغناطيسية باستخدام عينات CAMST المرجعية" . مجلة المغناطيسية والمواد المغناطيسية . 190 ( 1-2 ): 135-147 . Bibcode : 1998JMMM..190..135A . doi : 10.1016/S0304-8853(98)00281-9 . 
  4. ↑ شركة نانوسكان إيه جي، قفزة نوعية في تكنولوجيا الأقراص الصلبة
  5. 1 2 3 4 5 هـ. هوبستر وإتش بي أوبن (2005). "11-12". المجهر المغناطيسي للهياكل النانوية . سبرينغر.
  6. 1 2 3 4 م. دي غراف وي. زو (2001). "3". التصوير المغناطيسي وتطبيقاته على المواد: الأساليب التجريبية في العلوم الفيزيائية . المجلد 36. دار النشر الأكاديمية. ISBN  0-12-475983-1.
  7. ↑ مجهر القوة المغناطيسية، مؤرشف في 19 يوليو 2011، على موقع Wayback Machine
  8. ↑ واي. مارتن وك. ويكراماسينغ (1987). "التصوير المغناطيسي بواسطة مجهر القوة بدقة 1000 أنغستروم". رسائل الفيزياء التطبيقية 50 (20): 1455-1457 . رمز Bibcode : 1987ApPhL..50.1455M . doi : 10.1063/1.97800 .
  9. 1 2 يو. هارتمان (1999). "مجهر القوة المغناطيسية". المراجعة السنوية لعلوم المواد 29 : 53-87 . Bibcode : 1999AnRMS..29 ...53H . doi : 10.1146/annurev.matsci.29.1.53 . S2CID 99174136 . 
  10. ↑ تاريخ أساليب الفحص
  11. ↑ ل. غاو؛ ل. ب. يو؛ ت. يوكوتا؛ وآخرون (2004). "رؤوس مجهرية للقوة المغناطيسية من الكوبالت والبلاتين مصنّعة بتقنية الحزم الأيونية المركزة للحصول على صور نطاقية عالية الدقة" . معاملات IEEE في المغناطيسية . 40 (4): 2194-2196 . Bibcode : 2004ITM....40.2194G . doi : 10.1109/TMAG.2004.829173 . S2CID 28850293 .  
  12. ↑ أ. وينكلر؛ ت. موهل؛ س. مينزل؛ وآخرون (2006). "مجسات مجهر القوة المغناطيسية باستخدام أنابيب الكربون النانوية المملوءة بالحديد". مجلة الفيزياء التطبيقية . 99 (10): 104905–104905–5. رمز Bibcode : 2006JAP....99j4905W . doi : 10.1063/1.2195879 . 
  13. ↑ ك. تاناكا؛ م. يوشيمورا وك. أويدا (2009). "مجهر القوة المغناطيسية عالي الدقة باستخدام مجسات أنابيب الكربون النانوية المصنعة مباشرة بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار المعزز ببلازما الميكروويف" . مجلة المواد النانوية . 2009 147204. doi : 10.1155/2009/147204 .
  14. ↑ "دليل المجهر المغناطيسي للقوة (MFM)" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 12 يناير 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2014 .
  15. ↑ إ. ألفارادو، "إجراءات إجراء فحص المجهر بالقوة المغناطيسية (MFM) باستخدام جهاز VEECO Dimension 3100 AFM" ، المؤسسة الوطنية للبحوث، 2006. مؤرشف في 29 مايو 2011 على موقع Wayback Machine .
  16. ↑ "تحليل الكابولي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-02-2018 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15-11-2018 .
  17. ↑ ر. غوميز؛ إي. آر. بيرك؛ آي. دي. مايرغويز (1996). "التصوير المغناطيسي في وجود مجالات خارجية: التقنية والتطبيقات". مجلة الفيزياء التطبيقية . 79 (8): 6441-6446 . Bibcode : 1996JAP....79.6441G . doi : 10.1063/1.361966 . hdl : 1903/8391 .
  18. ^ جاما، سيرجيو. فيريرا ، لوكاس د. بيسا، كارلوس في إكس؛ هوريكاوا، أوزوالدو؛ كويلو، أديلينو أ؛ غاندرا، فلافيو C.؛ أراوجو، راؤول؛ إيجولف، بيتر دبليو (2016). “التحليل التحليلي والتجريبي لمعادلات القوة المغناطيسية”. معاملات IEEE على المغناطيس . 52 (7): 1– 4. بيب كود : 2016ITM....52A7127G . دوى : 10.1109/tmag.2016.2517127 . S2CID 21094593 . 
  19. ↑ د. روجار؛ هـ. ج. مامين؛ ب. غونتر؛ وآخرون (1990). "مجهر القوة المغناطيسية: المبادئ العامة والتطبيق على وسائط التسجيل الطولي". مجلة الفيزياء التطبيقية 68 (3): 1169-1183 . Bibcode : 1990JAP....68.1169R . doi : 10.1063/1.346713 . 
  20. ↑ "تطبيقات نظام MFM عالي الدقة مع مسبار منخفض العزم والتحكم في Q في الفراغ" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 21 يوليو 2013.
  21. ↑ وو، ييهونغ؛ شين، ياتاو؛ ليو، تشييونغ؛ لي، كيبين؛ تشيو، جينجون (2003). "استجابة ثنائية القطب النقطية من طرف مجهر القوة المغناطيسية مع طلاء مضاد للمغناطيسية اصطناعي" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 82 (11): 1748-1750 . Bibcode : 2003ApPhL..82.1748W . doi : 10.1063/1.1560863 .
  • ملاحظات تطبيقية حول القياسات المغناطيسية