Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István 8. MFM TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

8. MFM Elmélet – Mágneses erő mikroszkópia – Spin szenzitív mikroszkópiás módszerek – Kelvin próba és egyéb közeli tér alapú mikroszkópiás technikák Gyakorlat – Topográfiai és mágneses információk együttes kezelése Segédanyagok

Mágneses erő mikroszkópia

MFM alapok Mágneses anyaggal fedett tű Mágnesezett tű Kétmenetes leképezés – Kopogtató üzemmód: Topográfia – Tű konstans magasságba elemése: Mágneses kontraszt

MFM kontraszt A sajátfrekvencia elhangolódik a mágneses erőtér gradiensének függvényében A frekvencia változás amplitúdó változássá konvertálódik állandó frekvenciájú gerjesztés mellett. Az energia disszipáció fázisváltozást eredményez

MFM tű és minta kölcsönhatás Az erőhatás függ a tű mágnesezettségétől és annak irányától. Mágneses „pólusok” közti erőhatás: A felületből kiszóródó merővonalak: doménfalak detektálása. A minta átmágnesezése: Lágy mágneses minta esetén a tű alkalmas lehet a mágnes szerkezet befolyásolására. Vezető minta: örvényáramok keletkezése és kölcsönhatása tűvel: Disszipáció és erőhatás

Alkalmazási területek Mágneses adatrögzítés, adatrögítő anyagok viszgálata Mágneses anyagok doménszerkezetének vizsgálata Doménfal szerkezetének vizsgálata Örvényáramú veszteségen alapuló vizsgálatok vezető anyagokban

Spin szenzitív mikroszkópiás módszerek.

Atomi feloldás elérése MFM mikroszkópiával A minta és a tű közti közeli tér kölcsönhatások alkalmazásával – Spinpolarizált alagútáram mérése – nc-AFM vizsgálatok mágneses tűvel Spinpolarizált áramok Erőhatások vizsgálata – Frekvencia moduláció – Amplitudó moduláció – Fázistolás mérése

Spinpolarizált alagútáram Sávmágnesség, mágneses anyagok sávszerkezete Alagútáram spinpolarizált rendszerekben Spinfüggő elektrin szóródás – GMR – GTR

Mágneses kicserélődési erő mikroszkópia Kicserélődési kölcsönhatás: a ferromágneses rendeződés kialakulásáért felelős csatolás az egyedi momentumok között Spin-Spin kicserélődési kölcsönhatáson alapuló lokális erő a tű és a minta között. a) A minta síkjában érzékeny momentum b) Külső térrel orientált a merőlegesen érzékeny spin

MRFM mikroszkópia Az MRI és a mágneses erő mikroszkópia együttes alkalmazásán alapuló módszer A tű végére helyezett mágneses nanorészecskére lokálisan módosítja az MRI jeleket Az MRI jel segítségével térfogati leképezést lehet biztosítani nanoskálán Egyedi spin érzékenységet sikerült demonstrálni A cél biomolekulák közvetlen vizsgálata és azonosítása

Mágneses gerjesztés alkalmazása Folyadék AFM vizsgálatok során a közeg csillapítása miatt mechanikai úton nehéz a tűt gerjeszeteni Mágneses tű alkalmazásával a gerjesztő erő közvetlenül a tűre hat, lehetővé téve a megfelelő amplitudó biztosítását Pozítív visszacsatolással a csillapítás kompenzálható, a rezgő rendszer jósági tényezője növelhető

Kelvin próba és egyéb közeli tér alapú mikroszkópiás technikák

Kelvin próba Kétmenetes technika – Kopogtató üzemmódú topográfia – Előfeszített tűvel (töltött) a felület feletti pásztázás konstans magassággal eltávolodva Lokális potenciál térkép – Kilépési munka változása – Felületi töltések – Piezoelektromos anyag szórt tere

Erőhatások

nc-AFM Kelvin próba A felület közelében rezgő tű Erő gradiens és erőhatás egyidejű meghatározása – Alapharmónikus frekvencia eltolódásának kompenzálása külső feszültséggel – Második harmonikus mérése Amplitúdó és Fázis modulált Kelvin próba mikroszkópia

Egyéb vizsgálatai módszerek A tű és a sík minta közti átmenet információt tartalmaz a minta tulajdonságairól – Elektromos, – Mágneses, – Optikai – Termikus, – Kémiai A tű közelében bekövetkező változások – Külső gerjesztés és detektálás (válaszfüggvény mérése) – Lokális, nem lineáris hatások detektálása

SPM technikák Atomi erő Elektrosztatikus erő Felületi potenciál (Kelvin próba) Kapacitás és kapacitív erő Ellenállás (lokális) Impedancia Alagútáram Mikrohullámú sc-STM Közelitér optikai Piezóerő mikroszkópia

Topográfiai és mágneses információk együttes kezelése Gyakorlati feladatok

Mágneses erő és topográfia MFM mikroszkópiás kép előállítása – Videó szalag – Winchester – Nanomágneses anyag Felületi topográfia és MFM képek szétválasztása és elemzése MFM képek szűrése MFM kontraszt értelmezése

Ellenőrző kérdések

1.Hogy történik a kétmenetes leképezés a távoli erők mérése során? 2.Milyen kölcsönhatások léphetnek fel egy mágenesezett tű és a minta között? 3.Milyen területeken alkalmazható a mágneses erő mikroszkópia? 4.Hogy lehet mágneses tulajdonságokat vizsgálni STM segítségével? 5.Milyen kölcsönhatás révén lehet egyedi atomok mágneses viselkedését meghatározni erőméréssel? 6.Milyen egyéb célból alkalmaznak mágneses tűt az AFM vizsgálatok során? 7.Milyen kölcsönhatásokat lehet mérni a Kelvin próba segítségével? 8.Hogy lehet szétválasztani a felületi potenciál és a lokális töltések hatását? 9.Milyen további fizikai mennyiségek vizsgálhatók AFM segítségével? 10.Milyen vizsgálatokra alkalmas a MRFM mikroszkópia?

Segédanyagok

Kiegészítő olvasmányok Franz J Giessibl, SeizoMorita: „Non-Contact AFM” 2012 JPC v24 special section – /24/8/ /24/8/080301

Programok GWYDDION SPM kép megjelenítő és manipuláló program –

Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István KÖSZÖNÖM A FIGYELMET ! TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"