У сучасній мікроскопії, де прагнення до розуміння матеріального світу на атомному рівні стає ключовим, методи скануючої зондової мікроскопії (СЗМ) відіграють першорядну роль. СЗМ об’єднують в собі безліч технологій, що використовують фізичний зонд для дослідження поверхонь. Ці Мікроскопи, як правило, забезпечують поле зору порядку 100 мкм, здатні досягти дивовижної атомної роздільної здатності. Серед них особливе місце займають атомно-силові Мікроскопи (АСМ), що використовують принципи ван-дер-ваальсових взаємодій для аналізу структури зразків. Різноманітність АСМ режимів дозволяє дослідникам отримувати інформацію про самих різних фізичних властивостях – від сили тертя до електричного поля і жорсткості, не кажучи вже про електропровідності.
Магнітно-силова мікроскопія (МФМ):” карти ” магнітного поля
У центрі нашого обговорення знаходиться магнітно-силова мікроскопія (МФМ). В МФМ, зонд, який є кремнієвим датчиком з магнітним покриттям, коливається і реагує на градієнт магнітного поля. Це схоже на антену, яка вловлює найменші коливання магнітного поля на поверхні зразка. Цей градієнт впливає на коливання датчика, відхиляючи їх від заданого режиму. Результатом є зображення, що візуально представляє розподіл магнітного поля у вигляді “карти” – колірна гамма якої кодує величину і напрямок градієнта. Важливо розуміти, що ці зображення – не пряме уявлення величини магнітного поля, а скоріше його масштабовані і закодовані “відбитки”.
Калібрування: ключ до кількісних вимірювань
Отримання кількісно точних даних із зображень МФМ-завдання непросте. Обробка зображень МФМ вимагає калібрування. По суті, ми повинні перетворити “карту” на числові значення магнітного поля. Існує два основних шляхи вирішення цього завдання:
- Використання еталонних зразків:Ми можемо використовувати зразки з відомим магнітним полем. Це поле можна визначити розрахунковим шляхом або виміряти альтернативними методами. Порівнюючи отримані зображення з відомими значеннями, ми можемо визначити “передавальну функцію” зонда – співвідношення між показаннями зонда і реальною величиною магнітного поля.
- Вимірювання поля зонда:Ми можемо безпосередньо виміряти магнітне поле, випромінюване самим зондом.
Вимірювання поля зонда: складності та рішення
Вимірювання поля зонда є складним завданням. Хоча електронна мікроскопія є кращим методом, вона пов’язана з певними труднощами. Зображення, отримані за допомогою електронних методів, часто пропорційні не самому полю, а інтегрованому полю вздовж траєкторії руху електрона всередині мікроскопа, що ускладнює їх відкалібрування. Крім того, знос датчика є серйозною проблемою, яка вимагає калібрування як до, так і після кожного вимірювання.
У минулому робилися спроби використовувати котушки мікро – і нанорозміру. Однак, розмір котушки робить істотний вплив на результати, оскільки великі котушки збільшують загальне зусилля на датчик. Використання наноструктур теж не дає точної оцінки поля зонда, оскільки поле зонда неоднорідне.
Використання зразків з відомою намагніченістю: систематичний підхід
Найбільш успішним і простим у застосуванні методом є використання зразків з відомою намагніченістю, наприклад, котушок мікророзміру. Порівнюючи зображення, отримані зі зразком, з відомою намагніченістю, ми можемо визначити “передавальну функцію” зонда. Цей метод, вперше запропонований Хугом і співавторами в 1998 році, доопрацьований і систематизований в рамках проекту NanoMag. Наша робота полягала не тільки в застосуванні цього методу, але і в розробці валідованого протоколу калібрування, а також його реалізації в програмному забезпеченні з відкритим вихідним кодом Gwyddion.
Перспективи та стандартизація
Наше дослідження можна розглядати як робочий приклад стандарту для калібрування МФМ, розробленого в рамках проекту NanoMag. Ми описали методи калібрування, розробили протокол і спираємося на попередньому досвіді проведення каліброваних вимірювань. В майбутньому, застосування стандартизованих методів і програмного забезпечення, такого як Gwyddion, дозволить значно підвищити точність і надійність даних, одержуваних за допомогою магнітно-силової мікроскопії, відкриваючи нові можливості для вивчення магнітного світу на мікро – і наномасштабі.
