自旋极化隧道原子力显微成像方法技术

一种自旋极化隧道原子力显微技术，属于超高分辨磁敏感显像技术领域。采用带有磁性针尖的导电弹性微悬臂，悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制探针接近样品，针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，激光照在光滑的悬臂背面再反射到探测器，并通过反馈系统反馈给控制系统，通过记录扫描时探针的位置坐标ｘ、ｙ、ｚ，可得到样品表面的三维形貌图像。在样品上施加一恒定偏压，测量扫描过程中总隧道电流的变化，记录平面位置坐标（ｘ，ｙ）和对应的总隧道电流值，得到样品磁敏感信息成像。本发明专利技术的磁敏感显像技术不仅可以正确将样品表面的形貌信息与磁信息分离，而且可以达到超高乃至原子级的分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于超高分辨磁敏感显像

技术介绍
宾尼和Rohrer在二十世纪八十年代早期专利技术的扫描隧道显微镜是表面科学领域的一场革命。参见宾尼等，扫描隧道显微技术，瑞士物理学报，55卷，1982年(G.Binnigand H.Rohrer，Helv，Scanning Tunneling Microscopy，.Phys.Acta 55，(1982))；宾尼等，用扫描隧道显微技术研究表面，物理快报评论，49卷，57页，1982年(G.Binnig，et al，Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy，Phys.Rev.Lett.49，57(1982))；在实空间解决硅(111)面7×7重构，宾尼等，物理快报评论，50卷，120页，1983年(7×7 Reconstruction on Si(111)Resolved in Real Space，G.Binnig，et a1，Phys.Rev.Lett.50，120(1983))；宾尼等，扫描隧道显微技术-从诞生到青春期，现代物理评论，59卷，615页，1987年(G.Binnig，et al，Scanning tunneling microscopy-from birth toadolescence，Rev.Mod.Phys.59，615(1987))。它利用控制系统控制导电扫描探针接近导电样品，同时在针尖和样品之间施加一个小的偏压。当针尖和样品的距离足够小时，在样品和针尖之间就会有隧道电流产生。电流的大小随针尖和样品之间的距离增大而呈指数衰减，大约距离每增大1，电流就减小一个数量级，因此隧道电流的大小取决于离样品最近的针尖原子与样品之间电子隧穿。当针尖在样品表面扫描时，控制系统测量针尖样品间的隧道电流大小并通过调节探针z方向位置，也就是说调节针尖-样品间距离来保持针尖和样品之间的电流大小为一恒定值，记录扫描过程中探针的位置坐标，就得到了原子级分辨率的样品表面形貌，参见扫描隧道显微术及其应用，白春礼，上海科技出版社，1992或其它扫描隧道显微技术文献。但是，由于扫描隧道显微镜只能应用于导电样品表面，为了获得超高分辨的绝缘体表面形貌，1986年，宾尼等专利技术了原子力显微镜。见宾尼等，原子力显微镜，物理快报评论，56卷，930页，1986年(G.Binnig，et al，Atomic Force Microscope，Phys.Rev.Lett.56，930(1986))。原子力显微镜采用弹性微悬臂，微悬臂一端连接控制系统，另一端为针尖，悬臂背面为光滑平面。当扫描时，控制系统控制探针接近样品表面，当针尖和样品的距离足够小时，针尖-样品原子间的排斥力使弹性微悬臂弯曲。悬臂的弯曲量采用激光反馈系统来探测，一束激光打在悬臂上，被悬臂背面反射到探测器上，探测器探测悬臂的弯曲量并将其反馈给控制系统，控制系统调整探针z方向的位置使悬臂弯曲量恒定，记录扫描过程中探针的位置坐标，就得到了超高分辨乃至原子级分辨率的样品表面形貌，参见白春礼等《扫描力显微术》，科学出版社，2000。 样品表面形貌之外，另一个梦想就是探测样品表面局域磁化强度，从而对样品表面磁畴结构进行超高分辨率乃至原子级分辨率成像。无论是基础研究还是应用研究，都迫切的需要超高分辨的磁敏感成像技术。比如在基础研究方面，超高分辨率的磁敏感成像技术为探索微磁(连续介质)理论的细节提供了可能，微磁(连续介质)理论通常被用于模拟磁有序介质中的磁畴壁。还有，在二维反铁磁薄膜中，最近邻原子具有相反的磁矩方向已经被提出很长时间了，但是由于以前没有可以达到原子级分辨率的超高分辨磁敏感成像技术，所以在不久前自旋极化扫描隧道显微镜专利技术以前，一直没有得到反铁磁表面原子级分辨率的磁图像。在应用研究方面，最主要的就是超高密度磁存储器件的分析和表征。随着存储密度的飞速发展，硬磁盘的位长最迟将在3-5年达到10nm左右，可以对磁存储介质和磁头表征和控制的超高分辨磁敏感成像技术的需求变得越来越迫切。 现有的磁敏感显像技术的分辨率，除了自旋极化扫描隧道显微镜外，其它现有的磁敏感成像技术的最佳空间分辨率不是小于位长，就是与位长相当，这使得这些技术不可能应用超高密度存储器件的表征。 表1、现有磁敏感显像技术及其最佳分辨率(参见中国科学院物理所博士论文张臻蓉，2002) 自旋极化扫描隧道显微技术有两种不同的概念，一种采用GaAs针尖，另一种采用磁性针尖。其中第二种已经成功应用于实验研究。其原理是类似于扫描隧道显微技术，不同的是它采用磁性针尖，当针尖和样品都为磁性时，隧道电流可以表示为I(r→T,U,θ)=I0(r→T,U)+ISP(r→T,U,θ)]]>可以看出，道电流分为非自旋极化电流和自旋极化电流两部分，非自旋极化电流大小与所施加偏压大小和针尖原子与样品表面原子间距离有关，与样品表面磁性质无关。自旋极化电流除与上述两项有关外，还与针尖及样品表面的磁性质有关，随样品表面的磁性质变化而变化。目前自旋极化扫描隧道显微镜主要有三种运行模式一、恒电流模式，在针尖样品间施加一恒定偏压，保持隧道电流在扫描过程中为一恒定值，记录扫描过程中探针的位置坐标得到实验图像。但是由于自旋极化电流和非自旋极化电流没有分离，为了得到样品表面的磁信息，需要仔细比较在同一区域用磁性针尖和非磁性针尖得到的图像，非常困难。第二种，微分电导模式，在针尖样品间施加一恒定偏压的基础上施加一小幅交变电压，测量电流变化与电压变化的比值。但是由于反馈信号与信息信号仍然都是电流，正确分离磁信号与形貌信号仍比较困难。第三种，在针尖上缠绕一个小线圈，通过改变小线圈电流方向来周期性变化针尖的磁化方向。但是由于针尖十分微小，在针尖上缠绕线圈技术上十分复杂，并且小线圈产生的磁场很可能会影响到样品表面的磁性质，而使获得的样品表面磁信息不真实。参见伯德，自旋极化扫描隧道显微技术，物理进展报告，66卷，523页，2003年(M.Bode，Spin-polarized scanning tunneling microscopy，Rep.Prog.Phys.66，523(2003))。
技术实现思路
为了克服现有的磁敏感显像技术难以得到形貌信息与磁信息正确分离的超高分辨率图像的不足，本专利技术提供一种。 本专利技术，包括使用激光反馈系统、探测器、带有磁性针尖的导电弹性微探针、微悬臂、控制系统、样品和样品台，步骤如下(1)采用带有磁性针尖的导电弹性微探针，带有磁性针尖的导电弹性微探针中的微悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制带有磁性针尖的导电弹性微探针接近样品，磁性针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，(2)使激光照在光滑的微悬臂背面再反射到探测器，探测器探测微悬臂的弯曲量，(3)将弯曲量通过激光反馈系统反馈给控制系统，控制系统调整带有磁性针尖的导电弹性微探针垂直于样品表面z方向位置，改变磁性针尖与样品间力的大小，从而改变微悬臂的弯曲量，控制扫描过程中微悬臂的弯曲量为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋极化隧道原子力显微技术，包括激光反馈系统、探测器、带有磁性针尖的导电弹性微探针、微悬臂、控制系统、样品和样品台，其特征在于，采用带有磁性针尖的导电弹性微悬臂，悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制探针接近样品，针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，激光照在光滑的悬臂背面再反射到探测器，探测器探测悬臂的弯曲量，并通过反馈系统反馈给控制系统，控制系统调整探针垂直于样品表面ｚ方向位置，改变针尖与样品间力的大小，从而改变微悬臂的弯曲量，控制扫描过程中探针微悬臂的弯曲量为一恒定值，即控制针尖原子和样品表面原子间的排斥力恒定，也就控制了针尖和样品表面距离恒定，通过记录扫描时探针的位置坐标ｘ、ｙ、ｚ，可得到样品表面的三维形貌图像；同时，在样品上施加一恒定偏压，当针尖和样品都为磁性时，隧道电流为：Ｉ（＊，Ｕ，θ）＝Ｉ↓［０］（＊，Ｕ）＋Ｉ↓［ＳＰ］（＊，Ｕ，θ），Ｉ↓［０］是自旋极化电流，Ｉ↓［ＳＰ］是自旋极化电流，测量扫描过程中总隧道电流的变化，记录平面位置坐标（ｘ，ｙ）和对应的总隧道电流值，得到样品磁敏感信息成像。

【技术特征摘要】
1.一种自旋极化隧道原子力显微成像方法，包括使用激光反馈系统、探测器、带有磁性针尖的导电弹性微探针、微悬臂、控制系统、样品和样品台，其特征在于，步骤如下(1)采用带有磁性针尖的导电弹性微探针，带有磁性针尖的导电弹性微探针中的微悬臂一端连接控制系统，另一端为磁性针尖，控制系统控制带有磁性针尖的导电弹性微探针接近样品，磁性针尖原子和样品表面原子间产生的原子力使微悬臂弯曲，(2)使激光照在光滑的微悬臂背面再反射到探测器，探测器探测微悬臂的弯曲量，(3)将弯曲量通过激光反馈系统反馈给控制系统，控制系统调整带有磁性针尖的导电弹性微探针垂直于样品表面z方向位置，改变磁性针尖与样品间力的大小，从而改变微悬臂的弯曲量，控制扫描过程中微悬臂的弯曲量为一恒定值，即控制磁性针尖原子和样品表面原子间的排斥力恒定，也就控制了磁性针尖和样品表面距离恒定，通过记录扫描时带有磁性针尖的导电弹性微探针的位置坐标x、y、z，可得到样品表面的三维形貌图像；(4)扫描的同时，在样品上施加一恒定偏压，当磁性针尖和样品都为磁性时，隧道电流为...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩圣浩，庞智勇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]