Ultra-high-resolution low-temperature magnetic force microscope

Abstract

Tarama probu mikroskobu, yüzey özelliklerini araştırmak için yeni yöntemler açan geleneksel bir tekniktir. Atomları görüntülemek veya bunları manipüle etmek, aynı zamanda yüzey yapılarını yüksek çözünürlük ve hassasiyetle ölçmek, malzemelerin karakterizasyonunu incelemek için yüzey biliminde kullanılan fantastik özelliklerdir. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) standart bir popüler yöntemdir, keskin uç ile numune yüzeyi arasındaki etkileşim kuvvetlerini ölçebilir. Bu yöntem atomları atomik çözünürlük veya moleküllerin yapısı ile ayrı ayrı görüntülememize izin verir. AFM, farklı ortam koşulları altında van der Waals, elektrostatik, sürtünme veya manyetik kuvvetler, yüksek vakum veya Ultra yüksek vakum, ortam ve su ve ayrıca oda veya kriyojenik sıcaklıktaki yüksek manyetik alan gibi çeşitli kuvvetleri ölçebilir. Uygun fiyat, kolay numune hazırlama ve işletme, özellikle nanometreye kadar yüksek çözünürlük bu yöntemin avantajlarıdır. . Ayrıca, seramik malzemenin yüzeyi veya metalik nano partiküllerin ya da çok yumuşak polimerlerin, çok esnek polimerlerin, insan hücresinin ve DNA'nın dağılması gibi hemen hemen her tür numuneyi görüntüleyebilme yeteneği, AFM'nin en önemli avantajlarıdır. Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MFM), bu tezin amacı olan manyetik özelliklerin yüzey araştırması için başka bir standart yöntemdir. MFM, 10 nm ve daha düşük manyetik çözünürlüğe sahip malzeme bilimi alanındaki önemli rollerden biridir; spintronics, spin cam sistemi, manyetik nanopartiküller, süper iletkenlik, yüksek yoğunluklu manyetik kayıt ortamı, manyetik faz gibi farklı bilim alanlarında kritik bilgiler sağlar. geçiş, vb. AFM / MFM'nin 300 kelvin ila yüzlerce millikelvin düşük sıcaklık aralığında çalışma kabiliyeti mikroskobun çok yönlülüğünü arttırır.Prensip olarak, düşük sıcaklıkta Atomik / Manyetik Kuvvet Mikroskobu (LT-AFM / MFM), konsol sapmalarının ölçülmesi ile çalışmaktadır; Bu, lazer ışığını bir fiber kablo ile konsol ucuna yönlendiren fiber interferometresinin, sapmadan geri dönen lazer ışığının yüzdesini hesaplayarak sapmayı ölçebileceği anlamına gelir. Buradaki önemli rol, mikroskobun daha fazla malzeme değerlendirmesi için son derece düşük sıcaklıklarda çalışması ve aynı zamanda çeşitli sıcaklıklarda uygun şekilde çalışmanın güvenilirliğidir.Kritik sorun, konsol ve elyafın sırasıyla soğutma durumunda çökebileceği mikroskop dizilimidir. Bu nedenle, mikroskop kafasının tasarımı tamamen merkezli olmalı ve malzemenin farklı termal büzülmesini göz önünde bulundurarak belirli bir mekanizma aynı hizada olmalıdır. Ayrıca, çoğu kriyojenik sistem numune alanında sınırlıdır; sonuç olarak, bu sınırlama tüm tasarım ve sistem uyumunda uygulanmalıdır.Yüksek lisans tezimde Düşük Sıcaklıkta Fabry-Perot Atomik Kuvvet Mikroskobu / Manyetik Kuvvet Mikroskobu (LT-AFM / MFM) geliştirdim. Bu cihaz grubumuzda daha önce geliştirildi ve konsol sapmasını ölçmek için standart uçlar ve bir Fabry-Perot fiber interferometre kullanıldı. Bu LT-AFM'nin önceki versiyonunda düşük sıcaklıklarda fiber nanopozlayıcı ile bazı güvenilirlik sorunları vardı. Prensip olarak, bir Fabry-Perot AFM / MFM'de, ikincisini hareket ettirerek konsol ile fiber arasındaki mesafeyi azaltmak gerekir. Bu sorun aynı zamanda çözünürlüğü iyileştirmek için gerekli bir araçtır, çünkü yansıyan ışığın sinyal yoğunluğu artabilir. Önceki kurulumda, piezo nanopozlayıcı, kriyostattaki düşey doğrultuda sınırlı alan nedeniyle elyafı tutan yüksüğü hareket ettiremedi. Bu nedenle, tasarımı değiştirdim, böylece elyaf nanopozitörünün güvenilirliğini arttırdım. Bu, (1) piez tüpünde AFM ucunun merkezlenmesi; (2) yüksük kaydığı yivlerin yüzey kalitesini iyileştirmek; (3) elyaf tutucunun atalet kütlesinin arttırılması.Yeni eşmerkezli tasarım, piezoelektrik nanopozitifin sadece fiberi dikey yönde ileri ve geri hareket ettirmekle kalmayıp, aynı zamanda 300 miliKelvin'e kadar olan aşırı düşük sıcaklıklarda da güvenilir ve hassas bir şekilde çalıştı. Elyafın konsoluna göre konumunu optimize etme hareketi mikroskobun performansı için önemlidir. Böylece eğim, yani, fotodiyottaki sinyalin, konsol pozisyonunun, yansıyan lazer sinyalinin değişmesine ve dolayısıyla AFM'nin dikey çözünürlüğüne bağlı olarak değişmesi ile artar. Bu yeni tasarımla, 3.5 mW'lık bir lazer gücü kullanılarak 148 (mV / Ȧ) eğime ulaşılırken, eğimden önce sadece 120 (mV / Ȧ) değerindeydi. Bu eğimi arttırmak, AFM ve MFM'de de dikey çözünürlüğün artması demektir.Bu araştırmada, daha önce geliştirilen AFM / MFM Fabry-Perot düşük sıcaklık mikroskobunu, 25,4 mm'den daha düşük bir dış boyutu olan, farklı üreticilerden veya sıvı He banyolarından gelen çeşitli kriyojen içermeyen kriyolar için tamamen ticarileştirilmiş şekilde geliştirdik. Yeni kurulan kriyojensiz kriyostatta yapılan ve tüm ölçümler Kriyognetik cihazdan 1,3 K değerine ulaşabilir; Bu ultra düşük sıcaklık, malzeme biliminde hayati bir konudur ve aynı zamanda birçok fenomen üzerinde fizik araştırması yapar. Mikroskopun hem AFM hem de MFM modunda çeşitli sıcaklıklarda çalışma potansiyeli, 300 K'da 25 fm / Hz1 / 2 ve 1 K'da 12 fm / Hz1 / 2 civarında ultra düşük gürültü seviyesi yüksek çözünürlüklü görüntüler verir.

Scanning probe microscopy is a conventional technic which has opened new methods to investigate surface properties. Imaging atoms or manipulating them as well as measuring surface structures with high resolution and accuracy are fantastic features which are utilized in surface science to study the characterization of materials. Atomic Force Microscopy (AFM) a standard popular method can measure the interaction forces between the sharp tip and the sample surface. This method allows us imaging atoms individually with the atomic resolution or the structure of molecules. AFM could measure various types of forces like van der Waals, electrostatic, friction or magnetic forces under the different environment condition, high vacuum or Ultra high vacuum, ambient, and aqua, as well as high magnetic field at room or cryogenic temperature. Affordable price, easy sample preparation, and operation, specifically high resolution down to the nanometer are the advantages of this method. Moreover, ability to image almost any type of samples such surface of the ceramic material, or the dispersion of the metallic nanoparticles, or so soft material, such very flexible polymers, the human cell, and DNA is the most considerable advantages of AFM. Magnetic Force Microscopy (MFM) is another standard method for surface investigation of magnetic properties, which is the aim of this thesis. MFM is one of the significant roles in material science that magnetic resolution of 10 nm and less, provides critical information in the different area of science such as spintronics, spin glass system, magnetic nanoparticles, superconductivity, high-density magnetic recording media, magnetic phase transition, etc. The capability of AFM/MFM in working at a low-temperature range of 300 kelvin to hundreds of millikelvin increases the versatility of the microscope.Principally, low-temperature Atomic/Magnetic Force Microscope (LT-AFM/MFM) is working with the measuring the cantilever deflection; This means the fiber interferometer which directs the laser light to the cantilever tip by a fiber cable can measure the deflection with calculating the percentage of laser light coming back from the tip. The significant role here is the operation of the microscope in extremely low temperature for further material evaluation and also the reliability of working that in various temperature properly.The critical issue is microscope alignment, which the cantilever and fiber respectively could collapse in the cooling status. Therefore, the design of the microscope head should be wholly centric, and a particular mechanism aligns considering the different thermal contraction of the material. Besides, most cryogenic systems are limited in the sample space; consequently, this limitation should be applied in the whole design and system alignment. In my master thesis, I have improved a Low-Temperature Fabry-Perot Atomic Force Microscope / Magnetic Force Microscope (LT-AFM/MFM). This instrument was developed earlier in our group and used standard tips and a Fabry-Perot fiber interferometer for measuring the cantilever deflection. The earlier version of this LT-AFM had some reliability issues with the fiber nanopositioner at low temperatures. Principally, in a Fabry-Perot AFM/MFM it is required to reduce the distance between cantilever and fiber by moving the latter. This issue is also an essential means to improve the resolution because thereby, the signal intensity of the reflected light can be increased. In the previous setup, the piezo nanopositioner was not able to move the ferrule that holds to fiber, due to the limited space in the vertical direction in the cryostat. Therefore, I modified the design, resulting in improved reliability of the fiber nanopositioner. This was achieved by (1) centering the AFM tip at the piezo tube; (2) improving the surface quality of the groves in which the ferrule is sliding; (3) increasing the inertial mass of the fiber holder.The new concentric design enabled the piezoelectric nanopositioner not only to move the fiber forward and backward in the vertical direction but also worked reliably and precisely at extremely low temperatures down to 300 milliKelvins. The movability of the fiber to optimize its position with respect to the cantilever is essential for the performance of the microscope. Thereby the slope is increased, i.e., the change of the signal at the photodiode with respect to a change of cantilever position, of the reflected laser signal, and hence the vertical resolution of the AFM. With this new design, a slope of 148 (mV/Ȧ) was reached using a laser power of 3.5 mW, whereas before the slope only amounted to 120 (mV/Ȧ). Increasing this slope also means improved vertical resolution in AFM and MFM as well.In this research, we have improved the previously developed AFM/MFM Fabry-Perot low-temperature microscope with an outer dimension less than 25.4 mm which is completely commercialized for various types of cryogen-free cryostats from different manufacturers or liquid He bathes. All measurements conducted in the newly installed cryogen-free cryostat with the capability to reach 1.3 K from the Cryomagnetic instrument; This ultra-low temperature is a vital issue in material science and also physics investigation on many phenomenon. The working potential of the microscope, in both AFM and MFM mode at various temperatures, besides ultra-low noise level around 25 fm/Hz1/2 in 300 K and 12 fm/Hz1/2 in 1 K gives high-resolution images.