Name: fabrication of magnetic nanostructures on silicon nitride membranes for magnetic vortex studies using transmission microscopy techniques
Uploaded: 2018-07-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 27 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques at JoVE.com

Diese Forschung wurde von der Grant-Agentur der Tschechischen Republik (Projekt Nr. 15-34632 L) und vom CEITEC Nano + Projekt-ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728 finanziell unterstützt. Die Probe-Fertigung und die LTEM Messung wurden in der CEITEC Nano Forschungsinfrastruktur (ID LM2015041, MEYS CR 2016-2019) durchgeführt. Meena Dhankhar wurde mit einem Ph.d. Brünn-Talent-Stipendium unterstützt.

Wir zeigen eine Methode für die Herstellung von Proben für TEM und MTXM. Permalloy Nanodiscs mit Durchmessern von 250-4000 nm und dicken zwischen 20-100 nm sind auf 30 nm dicken Sünde Membranen für TEM und 200 nm Dicke Sünde Membranen für MTXM hergestellt. Fotos von der Sünde-Membranen sind in Abbildung 1dargestellt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig1.jpg"> Abbildung 1 : Foto von Sünde Membranen als Substrat für MTXM (links) und TEM (rechts) Proben verwendet. Das Bild zeigt den Größenvergleich auf ein Lineal. Die MTXM-Frame ist ein 5 x 5 mm Rechteck mit einer Fensterdicke von 200 nm und TEM Rahmen passt einen 3 mm Kreis vom Durchmesser mit einer Fensterdicke von 30 nm. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
1. Herstellung der Proben für TEM
Hinweis: In diesem Abschnitt beschreiben wir die Herstellung der Proben für TEM, die für die Beobachtung des Prozesses der Magnetische Wirbel17Keimbildung verwendet wird. Die Membranen sind als Substrate ausgewählt, weil sie eine feste Stütze für die lithographical Herstellung von magnetischen Strukturen bieten. Ein wichtiger Parameter ist die Membrandicke Fenster. Eine höhere Beschleunigungsspannung ermöglicht durchdringende dickere Proben, aber jede unnötige Dicke wird dazu führen, dass einen Verlust von Signal-19. Aus diesem Grund verwenden wir die dünnsten Membranen zur Verfügung von unserem Lieferanten (30 nm).
<ol><li>
Substrataufbereitung und Spin-coating Hinweis: Spin Coating ist ein weit verbreitetes Verfahren zu einer gewünschten Film auf dem Substrat zu widerstehen. Eine kleine Menge von widerstehen entfällt auf dem Substrat, die dann mit einer sehr hohen Geschwindigkeit zu der gewünschten Schichtdicke gedreht wird. Die Spin-Beschichtung von TEM-Membranen ist ziemlich eigenartig aus den folgenden Gründen: (i) Wenn die Membran auf der Spin Coater Achse gedreht wird, der Resist werden nicht einheitlich durch die Membran mit kleinem Durchmesser und (Ii) Vakuum Halter können nicht verwendet werden, weil sie brechen können die Membran. Für diesen Zweck entwickelt wir 3D gedruckte Adapter (siehe Abbildung 2), die die Membran aus der Achse und erfordern kein Vakuum, das Beispiel zu halten.<ol>
<li>Prebake Sünde Membranen auf einer heißen Platte bei 180 ° C für 15 min, keine Feuchtigkeit zu entfernen.</li>
		<li>Fügt Adapter auf Spin Coater und legt dann Membranen im Adapter.</li>
		<li>Spin Mantel 950 K PMMA (Poly-Methyl-Methacrylat) widerstehen bei 3.000 u/min für 1 min herstellen eine Schichtdicke von ca. 200 nm.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben auf der Heizplatte bei 180 ° C für 3 min die PMMA-Schicht aushärten lassen.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig2.jpg"> Abbildung 2 : Foto von 3D gedruckt Adapter verwendet, um die TEM Membran einfallenden während der Spin-Beschichtung halten. Gleichzeitig können mehrere Membranen beschichtet werden. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="2"><li>
Elektronenstrahl Lithographie (EBL)
	<ol>
<li>Zeichnen Sie das gewünschte Muster von Discs in das grafische Datenbank System (GDS) Format und laden Sie sie auf den Elektronenstrahl (e-Beam)-Lithografie-System.</li>
		<li>Laden Sie die Proben in der Elektronenstrahl-Schriftsteller-System, die Bühne und beamen.</li>
		<li>Setzen Sie den scheibenbereich ein Elektron Dosis von 260 µC/cm2 bei der Strahlenergie von 20 keV. Hinweis: Sind die geeigneten Parameter des Prozesses Ausstellung einen Strahlstrom von 250 pA und einer Schrittweite von 10 nm. Diese Dosis ist etwa 30 % höher im Vergleich um zu bulk-Substrate wie des Photons auf den Membranen stark reduziert ist.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Chemische Entwicklung
	<ol>
<li>Nach der Belichtung entwickeln die Proben in einer Methyl-Isobutyl-Keton (MIBK)-basierte Entwickler für 2 min. stoppen die Entwicklung mithilfe von Isopropylalkohol (IPA) für 30 s.</li>
		<li>Waschen Sie jede Probe in entionisiertem Wasser für 30 s und Föhnen Sie es mit Stickstoff während Sie mit einer Pinzette halten.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Entwicklung der Proben mit dem Lichtmikroskop an einer niedrigen Vergrößerung zuerst (mit einer 5 X Objektiv) und dann bei hoher Vergrößerung (über ein 100 X Objektiv); das Lichtmikroskop Bild einer entwickelten Probe ist in Abbildung 3dargestellt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Elektronenstrahl Verdampfung Hinweis: Elektronenstrahl Verdampfung20 ist eine Form der körperlichen Aufdampfen in dem eine Ziel-Anode mit einen hochenergetischen Elektronenstrahl produziert durch ein geladenes Wolfram-Glühfaden im Hochvakuum bombardiert wird. Der Elektronenstrahl bewirkt, dass Atome aus dem Ziel, in einer gasförmigen Phase zu verwandeln. Diese Atome Niederschlag in fester Form und alles in der Vakuumkammer mit einer dünnen Schicht der Target-Material zu beschichten. Es ist besser, ein Elektronenstrahl-Verdampfung-System für einen Lift-Off-Zweck zu verwenden, wie es eine schöne Flanke auf den Datenträger ohne Hinterlegung zusätzliches Material auf der Scheibe-Begrenzung.<ol>
<li>Kleben Sie die Membranen vorsichtig mit Poly-Oxydiphenylene-Pyromellitimide (z.B.Kapton) auf den Halter und über Last-Sperre in der Ablagerung Handelskammer den Elektronenstrahl-Verdampfer zu übertragen.</li>
		<li>Verwenden der Elektronenstrahl Verdampfung-System, um eine dünne Schicht von Permalloy (Ni80Fe20) zu hinterlegen mit dicken von 20 bis 100 nm bei Abschmelzleistung von etwa 1 Aͦ/s. verwenden die Beschleunigungsspannung von 8 kV und strahlen einen Strom von ca. 120 mA.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Lift-Off
	<ol>
<li>Setzen Sie die Membranen 1 h in ein Becherglas mit Aceton (mit mindestens 99,5 % Reinheit).</li>
		<li>Jetzt Sprühen Sie die Membranen mit Aceton jeweils mit einer Pinzette halten, bis das überschüssige Metall entfernt wird.</li>
		<li>Bleibt das überschüssige Metall auf die Probe, setzen Sie die Membranen wieder in den Becher und wiederholen Sie den Vorgang. Hinweis: Optional ein Megasonic Bad ließe sich der Lift-Off-Verfahren unterstützen. Beachten Sie, dass es nicht möglich, eine klassische Ultraschallbad zu verwenden, wie es die Membranen bricht.</li>
		<li>Bild das letzte Array der magnetischen Scheiben mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) an die Beschleunigungsspannung von 5 kV und einen Strahlstrom von 100 pA für die Endkontrolle. Abbildung 3 bzeigt ein Bild mit der Vergrößerung der 100.000 X.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
LTEM Bildgebung
	<ol>
<li>Montieren Sie die Probe in der TEM Probenhalter und stecken Sie es in das Mikroskop.</li>
		<li>Korrigieren Sie die Probe Höhe und richten Sie das Mikroskop in der Lorentz-Modus auf die gewünschte Beschleunigungsspannung (in unserem Fall 300 kV) mit dem Standardverfahren des Mikroskops.</li>
		<li>Stellen Sie das magnetische Signal durch Defokussierung die Lorentz-Linse.</li>
		<li>Fahren Sie mit dem Experiment. Die Probe zu kippen, um in der Ebene Feldkomponente vorstellen (z.B.die geeigneten Winkel 30° ist, prüfen Sie die Halter-Spezifikationen für den maximalen Neigungswinkel).</li>
		<li>Wenden Sie das magnetische Feld, indem spannende der Objektivlinse (normalerweise in der Lorentz-Modus deaktiviert). Hinweis: Die Feld Kalibrierkurve des Herstellers der TEM vorzusehen.</li>
		<li>Die Probe zu sättigen, stufenweise verringern das magnetische Feld durch das Objektiv deexciting und Aufnahmen vor der Kamera. Beispielergebnisse sind in Abbildung 3 cdargestellt.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig3.jpg"> Abbildung 3 : Letzte Probe durch optische abgebildet und Elektron Microscopies. (ein) zeigt dieses Panel Fenster Silizium-Nitrid Membran mit Arrays von Discs im Resist nach der Elektronenstrahl Exposition und Resist-Entwicklung. (b) dieses Panel zeigt das letzte Array der magnetischen Scheiben durch dieses Panel das LTEM Bild der Magnetische Wirbel Keimbildung Staaten in einem Array von der magnetischen Nanodiscs zeigt SEM (c) abgebildet. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
2. Herstellung der Proben für MTXM
Hinweis: Bei MTXM Messungen können wir die Technik zeitliche Auflösung nutzen. Um eine hochfrequente Anregung der Magnetische Wirbel einzuführen, fabrizieren Sie einen gold Wellenleiter in einem ersten Schritt und dann magnetische Scheiben auf den Hohlleiter in einem zweiten Schritt der Lithographie. Die gesamte Struktur ist auf einer 200 nm Dicke Sünde Membran hergestellt, die für weiche Röntgenstrahlung21transparent genug ist. Die einzelnen Schritte werden im folgenden Text beschrieben und die schematische Darstellung des Prozesses ist in Abbildung 4dargestellt. Der Prozess der MTXM Probe Fabrikation durchläuft alle oben beschrieben für die TEM-Proben-Herstellung aber ein zusätzliche Lithographie Schritt ist erforderlich, um die Wellenleiter zu fabrizieren.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig4.jpg"> Abbildung 4 : Schaltpläne von Vorbereitungsschritten einer Probe mit Scheiben und einen Wellenleiter auf einer Silizium-Nitrid-Membran für MTXM Zeitaufgelöste Experimente. Es geht um eine zweistufige Lithographie um die endgültige Struktur zu erhalten. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol><li>Probenvorbereitung und Spin-coating Hinweis: Die Membran für MTXM ist ein 5 x 5 mm2 Rahmen mit einem 3 x 3 mm-2 Breite und 200 nm Dicke zentrale Fenster. Die Membran kann nicht auf dem Spin Coater Vakuum Futter gestellt werden, wie es die Membrane brechen würde. In diesem Fall verklebt wir die Membran auf einem 10 x 10 mm2 Silizium-Wafer machen es leicht, mit zu arbeiten.<ol>
<li>Prebake Sünde Proben auf einer heißen Platte bei 180 ° C für 15 min, keine Feuchtigkeit aus den Proben zu entfernen.</li>
		<li>Drehen Sie Mantel der positive Resist CSAR bei 3.000 u/min für 1 min; die daraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 500 nm. Hinweis: Diese Art von Widerstand wurde für seine höhere Empfindlichkeit, was zu schneller schreiben Zeiten gewählt. Die Dicke-Spin-Geschwindigkeit-Abhängigkeit finden Sie auf dem Datenblatt widerstehen.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben auf einer heißen Platte bei 150 ° C für 1 min, Lackschicht zu verhärten.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronenstrahllithographie des wellenleiters
	<ol>
<li>Erstellen Sie das gewünschte Muster der Wellenleiter und Ausrichtung Marken (für die zweite Lithographie-Schritte) im GDS-Format und laden Sie sie auf den Elektronenstrahl-Lithographie-System.</li>
		<li>Laden Sie die Proben in der Elektronenstrahl-Schriftsteller-System, die Bühne und beamen.</li>
		<li>Setzen Sie den scheibenbereich ein Elektron Dosis von 65 µC/cm2 bei der Strahlenergie von 20 keV und Strahlstrom von 10 nA einer Schrittweite von 200 nm. Hinweis: Wir verwendet CSAR positive Resist für die Aufdeckung der Wellenleiter und Ausrichtung Markierung. Dieser Widerstand hat eine höhere Empfindlichkeit als PMMA mit der Elektronenstrahl-Dosis von 65 μC/cm2 an die Strahlenergie von 20 keV und ist daher günstig, um die Exposition zu beschleunigen.</li>
	</ol></li>
	<li>Chemische Entwicklung
	<ol>
<li>Nach der Belichtung entwickeln die Proben in der Entwickler für 1 min und danach mit einem Stopfen (IPA) für 30 s.</li>
		<li>Waschen Sie die Proben in entionisiertem Wasser für 30 s und Föhnen sie mit Stickstoff, während Sie sie mit der Pinzette halten.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronenstrahl Verdampfung
	<ol>
<li>Verwenden Sie den Elektronenstrahl-Verdampfer, um Ti(3nm)/Au(100nm) Bilayer der Wellenleiter und Ausrichtung Marken zu hinterlegen.</li>
		<li>Drehen Sie die Proben kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 10 u/min um die Homogenität der Schicht zu erhöhen. Hinweis: Die Titan-Schicht von 3-5 nm macht einen Klebstoffen Kontakt zwischen der Sünde-Probe und der Au-Schicht. Die Dicke der Schicht Au ist in der Regel zwischen 80-120 nm. Dieses Leistungsspektrum Dicke eignet sich für die Drahtbonden der Probe zu maßgeschneiderte Leiterplatten, die wir verwendet, um die Stromimpulse in die Wellenleiter zu injizieren.</li>
		<li>Verwenden Sie eine Abscheiderate für Ti von 0,5 - 0,7 Aͦ/s und für Au ~2.5 Aͦ/s. der Basisdruck der Elektronenstrahl-System bei ca. 10-7 Mbar oder besser pflegen.</li>
		<li>Alternativ können Sie Cu statt Au für die Herstellung des wellenleiters für eine größere Transparenz für die weiche Röntgenstrahlen.</li>
	</ol></li>
	<li>Lift-Off
	<ol>
<li>Setzen Sie nach der Absetzung von der Ti/Au Dünnschicht die Proben in Aceton für 1 h.</li>
		<li>Jetzt Sprühen Sie die Membranen mit Aceton und mit einer Pinzette halten, bis das überschüssige Metall entfernt wird.</li>
		<li>Bleibt das überschüssige Metall auf die Proben, legen Sie sie zurück in das Becherglas mit Aceton und wiederholen Sie den Vorgang. Hinweis: Optional ein Megasonic Bad ließe sich der Lift-Off-Verfahren unterstützen. Die Proben mit der Ti/Au-Waveguide-Struktur und mit Ausrichtungsmarken durchlaufen die gleichen Lithographie-Schritte wieder für die Herstellung der magnetischen Scheiben auf den Hohlleiter.</li>
	</ol></li>
	<li>TiO2 Ablagerung
	<ol>
<li>Legen Sie die Proben mit den Wellenleiter und Ausrichtung Markierungen in der atomic Layer Deposition System und Einzahlung 20 nm des TiO2 Layers, die Isolierschicht zwischen den Hohlleiter und die Scheiben zu machen.</li>
		<li>Ti Vorläufer Tetrakis (Dimethylamido) Titan (TDMAT) und H2O für die Abscheidung von TiO2 durch Sauerstoffplasma verwenden und mit einer Rate von 0,51 Aͦ/Zyklus wachsen.</li>
	</ol></li>
	<li>Spin-Beschichtung der Proben Hinweis: Wir eine doppelte Schicht von Resist verwendet, um die Kantenqualität der Scheiben erhöhen. Während der Elektronenstrahl-Belichtung der unteren-Resist überdosiert, und nach der Entwicklung, es bietet eine raffinierte Unterschnitt.<ol>
<li>Prebake die Proben auf der Heizplatte bei 180 ° C für 15 min um die Feuchtigkeit zu entfernen.</li>
		<li>Drehen Sie Mantel der Copolymer widerstehen bei 4.000 u/min für 1 min. Hinweis: Die resultierende Schichtdicke ist etwa 30 nm.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben auf der Heizplatte bei 180 ° C für 3 min Resists aushärten lassen.</li>
		<li>Drehen Sie Mantel der PMMA 950K widerstehen bei 4.000 u/min für 1 min. Die daraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 270 nm.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben bei 180 ° C für 3 min Resists aushärten lassen.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronenstrahl Lithographie von discs
	<ol>
<li>Erstellen Sie das zweite lithographical Muster der Scheiben in der GDS-Format und laden Sie sie auf den Elektronenstrahl-Lithographie-System.</li>
		<li>Verwenden Sie die globale Marken, um das UV-Koordinatensystem zum Beispiel auszurichten.</li>
		<li>Verwenden Sie die lokalen Marken, Feld schreiben anzugleichen, um des schreiben-Felds Größe, Drehung und Verschiebung zu gewährleisten eine korrekte Position der Scheiben auf den Hohlleiter zu kalibrieren.</li>
		<li>Setzen Sie den scheibenbereich ein Elektron Dosis von 220 µC/cm2 bei einer Strahlenergie von 20 keV. Verwenden Sie einen Strahlstrom von 200-300 pA und einer Schrittweite von 10 nm für die Aufdeckung der Muster.</li>
	</ol></li>
	<li>Chemische Entwicklung
	<ol>
<li>Die Proben in einem MIBK ansässige Entwickler für 1 min entwickeln und danach mit einem Stopfen (IPA) für 30 s.</li>
		<li>Spülen Sie die Proben in entionisiertem Wasser für 30 s und Föhnen sie mit Stickstoff halten sie mit einer Pinzette.</li>
	</ol></li>
	<li>Ionenstrahl-Sputtern
	<ol>
<li>Legen Sie die Proben in das Ionenstrahl-Sputtern System.</li>
		<li>Kippen der Probenhalter um 30° in Bezug auf die Richtung der gesputterten Material um die Scheiben durch den schattierungseffekt verjüngen. Hinweis: Die Verjüngung dient zur Steuerung, die Umschaltung der Wirbel Zirkulation11.</li>
		<li>Hinterlegen Sie eine 20-50 nm Dicke Permalloy (Ni80Fe20) Schicht mit einer Aussage Rate von 0,5 - 0,7 Aͦ/s bei einem Arbeitsdruck von ca. 10-5 Mbar. Hinweis: Der Basisdruck sollte 10-7 Mbar oder besser sein.</li>
	</ol></li>
	<li>Lift-Off
	<ol>
<li>Legen Sie die Proben in Aceton für 1 h.</li>
		<li>Nun, Sprühen Sie die Membranen mit Aceton und eine Pinzette halten, bis das überschüssige Metall entfernt wird.</li>
		<li>Wenn das überschüssige Metall auf die Probe bleibt, legen Sie die Probe zurück in das Becherglas mit Aceton und wiederholen Sie den Vorgang. Hinweis: Optional ein Megasonic Bad ließe sich der Lift-Off-Verfahren unterstützen. Wir haben die endgültige Struktur der Permalloy Scheiben über einen Ti/Au Wellenleiter auf eine Sünde-Membran, wie in Abbildung 5dargestellt.</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig5.jpg"> Abbildung 5 : REM-Aufnahme der die endgültige Struktur des 30 nm dick und 2 µm Breite Permalloy Scheiben auf einem gold Hohlleiter mit Ausrichtungsmarken. Die Proben werden verwendet für Zeitaufgelösten MTXM Experimente weiter. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Wir haben die Herstellung von Proben für LTEM und MTXM magnetische Microscopies bewiesen. Diese Proben müssen auf dünnen Sünde Membranen hergestellt werden, so dass die Elektronen bei der LTEM und weiche Röntgenstrahlen, im Falle der MTXM durch die Proben eindringen können. Diese Proben können (1) eine positive Resist-Lithographie oder durch (2) ein negativ-Resist-Lithographie hergestellt werden.
Wir nutzten die positive Resist-Lithographie-Technik, weil es weniger Probenvorbereitung und weniger Fertigungsschritte erfordert und einfachere Verarbeitung erlaubt. Darüber hinaus können die Forscher den schattierungseffekt zu verwenden, die wir für die genaue Disk-Form-Steuerelement (eine Verjüngung der einen Seite der Scheibe) verwendet. Diese Form wurde verwendet, um die Zirkulation der Magnetische Wirbel während Keimbildung10,11zu kontrollieren.
Der Nachteil dieser Technik ist das komplizierte Lift-Off-Verfahren, weil das Dünnschicht-Material sich manchmal am Rande widerstehen lagert und dann nicht durch einen Lift-Off entfernt werden. Wir lösen dieses Problem mithilfe einer doppelten Lackschicht. Dies schränkt leicht die Auflösung (ca. 20 nm) des lithographical Prozesses aber noch ausreichend für die Zwecke der magnetischen Bildgebung.
Die negativ-Resist-Lithographie-Technik bietet eine höhere Auflösung als Strukturen mit einer Auflösung bis zu 7 nm in der Resist geschrieben werden kann. Das Material ist dann weggeätzt Nassätzen oder durch Ion beam Ätzen. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass der Resist schwierig, nach der Radierung zu entfernen. Häufig verwendete Sauerstoff Plasma Resist stripping ist nicht möglich bei dünnen Permalloy Strukturen, da sie sehr leicht oxidieren. Diese Tatsache, zusammen mit der Notwendigkeit die beschattenden Technik, begünstigt die positive Lithographie-Prozess, der während dieser Arbeit verwendet wurde.
Wir nutzten die Proben von den Methoden, die in diesem Papier für die Beobachtung der Dynamik der Magnetische Wirbel während einer Auflage durch eine MTXM10,11 und für die Beobachtung der verschiedenen Keimbildung Staaten17 beschrieben . Dies kann auf mehrere Arten von Experimenten erfordern lithographically vorbereitete Strukturen auf den Membranen ausgedehnt werden.

Der Magnetismus von Nanostrukturen wurde in den letzten zwei Jahrzehnten nach technologischen Trends zur Miniaturisierung intensiv untersucht. Da die seitlichen Abmessungen der Strukturen kleiner werden und kleiner, die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Strukturen beginnen durch die Geometrie der Struktur zusätzlich zu den Eigenschaften des magnetischen Materials zu Regeln. Das Verhalten der verschiedenen magnetischen Elemente von Schüttgütern Mikrostrukturen wurde im Detail (z. B. durch Hubert und Schäfer)1bewertet. Eines der bekanntesten Beispiele für nicht-triviale Magnetisierung Grundzustand ist Magnetische Wirbel-Curling Magnetisierung Strukturen im µm - und Submikron-Größe dünne magnetische Scheiben und Polygone auftreten. Die Magnetisierung hier ist in der Ebene um eine Out-of-Plane Vortex Core2,3curling. Die Magnetisierung Umkehrung der magnetischen Wirbel wurde ausgiebig studiert in statischen4,5,6 und dynamische7,8,9,10 Regime. Die Anwendungsmöglichkeiten der Magnetische Wirbel sind, z. B. Multi-bit Speicher Zellen11, Logikschaltungen12, Hochfrequenz-Geräte13oder Spin-Wellen-Emitter14.
Um eine magnetische Wirbel und vor allem die Vortex Core image, die räumliche Auflösung der Mikroskopie-Technik sollte so nah wie mögliche an grundlegenden magnetische Längenskalen (unter 10 nm). Lorentz Transmission Electron Microscopy15 (LTEM) und magnetische Übertragung Röntgen-Mikroskopie16 (MTXM) sind ideale Kandidaten für die Bildgebung von magnetischen Wirbeln wie sie eine hohe räumliche Auflösung bieten und MTXM auch eine hohe bietet zeitliche Auflösung für Magnetisierung Dynamik Studien. Der Nachteil dieser Techniken ist die komplizierte Probenvorbereitung, die Gegenstand des vorliegenden Papiers ist.
Die hier dargestellten Prozesse erklären die Herstellung von Proben für imaging-Magnetische Wirbel von TEM17 und MTXM10,11verwendet. Beide Techniken sind Übertragung Charakters und wegen der, dass es notwendig, die Strukturen auf dünnen Membranen zu fabrizieren. Die Membranen sind in der Regel aus Siliziumnitrid und ihre Dicke reicht von zehn Nanometer bis wenige hundert Nanometer gefertigt. Jede dieser beiden Methoden erfordert eine unterschiedliche Support-Rahmengeometrie. Der Rahmen ist bei MTXM, 5 x 5 mm2 und das Fenster ist groß, 2 x 2 mm2. Im Falle von TEM ist die Rahmengeometrie ein Kreis von 3 mm im Durchmesser mit der Fenstergröße abhängig von dem Experiment, in der Regel 250 x 250 µm2. Die Membranen bringen zusätzliche Herausforderungen schwieriger Probenbehandlung mit dem Risiko einer brechen die Fenster bei allen Prozessen der Lithographie.
Die Herstellung der Proben erfolgt durch, dass sowohl positive als auch negative Lithographie Techniken18widerstehen. Das positive Resist Lithographie-Verfahren nutzt eine positive Resist; die chemische Struktur der Resist Änderungen bei der Bestrahlung und dem exponierten Teil werden in der chemischen Entwickler löslich. Die exponierte Bereich wird wegwaschen, während die unbelichtete Bereich auf dem Substrat bleibt. Im Falle einer negativ-Resist Lithographie die Bestrahlung härtet der Resist und exponierte Bereich bleibt auf dem Substrat während der unbelichtete Bereich in der chemischen Entwickler abwaschen wird. Beide Techniken können verwendet werden, für die Herstellung der Proben, aber wir bevorzugen positive Resist Lithographie, denn es erfordert weniger Fertigungsschritte im Vergleich zu den negativen Lithographie-Technik zu widerstehen. Es ist auch einfacher zu handhaben, schneller und liefert oft bessere Ergebnisse.

<table><tbody><tr><td>SiN Membrane - TEM</td><td>Silson</td><td>SiRN-TEM-200-0.25-500</td><td>TEM membrane</td></tr><tr><td>SiN Membrane - MTXM</td><td>Silson</td><td>SiRN-5.0-200-3.0-200</td><td>MTXM membrane</td></tr><tr><td>3D adapter for spin coating</td><td></td><td></td><td>The model of the adapter for 3D printing can be downloaded at: https://www.thingiverse.com/thing:2808368</td></tr><tr><td>PMMA 950k electron beam resist</td><td>Allresist</td><td>AR-P 679.04</td><td>used for TEM sample</td></tr><tr><td>Electron beam resist developer</td><td>Allresist</td><td>AR 600-56</td><td>used for TEM sample</td></tr><tr><td>High-contrast electron beam resist</td><td>Allresist</td><td>AR-P 6200.13</td><td>used for the waveguide on the MTXM sample</td></tr><tr><td>High-contrast electron beam resist developer</td><td>Allresist</td><td>AR-600-546</td><td>used for the waveguide on the MTXM sample</td></tr><tr><td>Tetrakis(dimethylamido)titanium(IV)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>669008 Aldrich&amp;nbsp;</td><td>used for TiO2 thin film deposition by ALD&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Electron beam resist for nanometer lithography</td><td>Allresist</td><td>AR-P 617.02</td><td>used as the bottom layer of bilayer resist for easier lift-off procedure</td></tr><tr><td>PMMA 950k electron beam resist</td><td>Allresist</td><td>AR-P 679.04</td><td>used as the top layer of bilayer resist for easier lift-off procedure</td></tr><tr><td>Electron beam resist developer</td><td>Allresist</td><td>AR 600-56</td><td>used for development of the disks on waveguide</td></tr><tr><td>Permalloy pellets</td><td>Kurt J Lesker</td><td>EVMPERMQXQ-D</td><td>used for the deposition of the magnetic layers</td></tr><tr><td>Titanium pellets</td><td>Kurt J Lesker</td><td>EVMTI45QXQD</td><td>used as adhesive layer for the gold waveguide</td></tr><tr><td>Gold pellets</td><td>Kurt J Lesker</td><td>EVMAUXX40G</td><td>used for the deposition of the waveguide</td></tr></tbody></table>

fabrication of magnetic nanostructures on silicon nitride membranes for magnetic vortex studies using transmission microscopy techniques

Elektron und Röntgen-magnetische Microscopies ermöglichen hohe magnetische Abbildungsleistung bis zehn Nanometer. Allerdings müssen die Proben auf transparenter Membranen vorbereitet werden, die sehr anfällig und schwierig zu handhaben sind. Präsentieren wir Ihnen Prozesse für die Herstellung von Proben mit magnetischen Mikro- und Nanostrukturen mit Spin Konfigurationen bilden Magnetische Wirbel für Lorentz Transmissions-Elektronenmikroskopie und magnetische Übertragung Röntgen-Mikroskopie Studien geeignet. Die Proben werden auf Silizium-Nitrid Membranen zubereitet und die Herstellung besteht aus einem Spin Beschichtung, UV- und Elektronenstrahl Lithographie, die chemische Entwicklung des Resists, und die Verdunstung des magnetischen Materials gefolgt von einem Lift-Off-Prozess bilden die endgültige magnetischen Strukturen. Die Proben für die Lorentz-Transmissions-Elektronenmikroskopie bestehen aus magnetischen Nanodiscs in einem einzigen Lithographie Schritt vorbereitet. Die Proben für die Transmissions-magnetische Röntgen-Mikroskopie dienen zur Zeitaufgelösten Magnetisierung dynamische Versuche, und magnetische Nanodiscs befinden sich auf einem Hohlleiter, die für die Erzeugung wiederholbare Magnetfeld Pulse verwendet wird, indem man ein elektrisches Strom durch den Wellenleiter. Der Wellenleiter wird in einem zusätzlichen Lithographie Schritt erstellt.

Abbildung 1 zeigt die Fotografien der Sünde Rahmen und Membranen für die MTXM und LTEM Microscopies verwendet. Abbildung 2 zeigt den Aufbau der 3D-Druck Adapter, die TEM Membran einfallenden während der Spin-Coating-Verfahren zu halten. Abbildung 3 zeigt die verschiedenen Schritte der LTEM Probenvorbereitung (nach der Resist-Entwicklung und nach dem Lift-Off-Verfahren) und das fertige Bild von der LTEM beobachtet. Abbildung 4 zeigt die Schaltpläne der vorbereitenden Maßnahmen für die Herstellung von Scheiben und der Wellenleiter auf der Sünde-Membran für die MTXM Zeitaufgelöste Experimente. Abbildung 5 zeigt der Endprobe MTXM, enthält die Scheiben auf einen Wellenleiter gelegt.

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Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Ein Protokoll für die Herstellung von magnetischen Mikro- und Nanostrukturen mit Spin Konfigurationen bilden Magnetische Wirbel geeignet für Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Röntgen-Mikroskopie (MTXM) Untersuchungen zur magnetischen Übertragung wird vorgestellt.

Herstellung von magnetische Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid Membranen für magnetische Wirbel Studien mit Übertragungstechniken Mikroskopie

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

fabrication-magnetic-nanostructures-on-silicon-nitride-membranes-for

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K Aufrufe.  Brno University of Technology. Ein Protokoll für die Herstellung von magnetischen Mikro- und Nanostrukturen mit Spin Konfigurationen bilden Magnetische Wirbel geeignet für Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Röntgen-Mikroskopie (MTXM) Untersuchungen zur magnetischen Übertragung wird vorgestellt.

Serie: Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Fabricating Nanogaps by Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two electrodes-and generating them in practical quantities-is still challenging. The preparation of nanogap electrodes using nanoskiving, which is a form of edge lithography, is a fast, simple and powerful technique. This method is an entirely mechanical process which does not include any photo- or electron-beam lithographic steps and does not require any special equipment or infrastructure such as clean rooms. Nanoskiving is used to fabricate electrically addressable nanogaps with control over all three dimensions; the smallest dimension of these structures is defined by the thickness of the sacrificial layer (Al or Ag) or self-assembled monolayers. These wires can be manually positioned by transporting them on drops of water and are directly electrically-addressable; no further lithography is required to connect them to an electrometer.

The fabrication of electrically addressable, high-aspect-ratio (> 1000:1) metal nanowires separated by gaps of single nanometers using either sacrificial layers of aluminum and silver or self-assembled monolayers as templates is described. These nanogap structures are fabricated without a clean room or any photo- or electron-beam lithographic processes by a form of edge lithography known as nanoskiving.

Fabricating Nanogaps durch Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two ...

Forschung

Chemie

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned and bonded silicon wafers. Unlike confinements in porous materials often used for these types of experiments3, bonded wafers provide predesigned uniform spaces for confinement. The geometry of each cell is well known, which removes a large source of ambiguity in the interpretation of data.
Exceptionally flat, 5 cm diameter, 375 &#181;m thick Si wafers with about 1 &#181;m variation over the entire wafer can be obtained commercially (from Semiconductor Processing Company, for example). Thermal oxide is grown on the wafers to define the confinement dimension in the z-direction. A pattern is then etched in the oxide using lithographic techniques so as to create a desired enclosure upon bonding. A hole is drilled in one of the wafers (the top) to allow for the introduction of the liquid to be measured. The wafers are cleaned2 in RCA solutions and then put in a microclean chamber where they are rinsed with deionized water4. The wafers are bonded at RT and then annealed at ~1,100 &#176;C. This forms a strong and permanent bond. This process can be used to make uniform enclosures for measuring thermal and hydrodynamic properties of confined liquids from the nanometer to the micrometer scale.

A method for permanently bonding two silicon wafers so as to realize a uniform enclosure is described. This includes wafer preparation, cleaning, RT bonding, and annealing processes. The resulting bonded wafers (cells) have uniformity of enclosure ~1%1,2. The resulting geometry allows for measurements of confined liquids and gasses.

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Ingenieurwesen

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomar Traceable Nanostrukturen

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

Erweiterte Experimentelle Methoden für Niedertemperatur-Magneto Messung der Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual vortices is necessary in order to study how vortices interact with each other, with the lattice, and with other magnetic objects. Here, we present a protocol for vortex manipulation in thin superconducting films by local contact, without applying current or magnetic field. Vortices are imaged using a scanning superconducting quantum interference device (SQUID), and vertical stress is applied to the sample by pushing the tip of a silicon chip into the sample, using a piezoelectric element. Vortices are moved by tapping the sample or sweeping it with the silicon tip. Our method allows for effective manipulation of individual vortices, without damaging the film or affecting its topography. We demonstrate how vortices were relocated to distances of up to 0.8 mm. The vortices remained stable at their new location up to five days. With this method, we can control vortices and move them to form complex configurations. This technique for vortex manipulation could also be implemented in applications such as vortex based logic devices.

We present a protocol for manipulation of individual vortices in thin superconducting films, using local mechanical contact. The method does not include applying current, magnetic field or additional fabrication steps.

Scannen SQUID-Studie von Vortex Manipulation durch Kontakt vor Ort

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Eine neuartige Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Elektromechanische Charakterisierung von nanoskaligen Proben

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Iron Nanowire Fabrication by Nano-Porous Anodized Aluminum and its Characterization

Magnetic nanowires possess unique properties that have attracted the interest of different fields of research, including basic physics, biomedicine, and data storage. We demonstrate a fabrication method for iron (Fe) nanowires&#160;via electrochemical deposition into anodic&#160;alumina oxide (AAO) templates. The templates are fabricated by anodization of aluminum (Al) discs, and the pore length and diameter are controlled by changing the anodizing conditions. Pores with an average diameter of around 120 nm are created using oxalic acid as the electrolyte. Using this method, cylindrical nanowires are synthesized, which are released by dissolving the alumina using a selective chemical etchant.

In this work, we describe a&#160;protocol to fabricate iron nanowires, including the formation of the porous alumina membrane that is used as the template, electrodeposition into templates using electrolyte solution, and the release of the nanowires into the solution.

Eisen-Nanodraht-Fertigung durch nanoporöses eloxiertes Aluminium und seine Charakterisierung

Magnetic nanowires possess unique properties that have attracted the interest of different fields of research, including basic physics, biomedicine, and ...

Magnetic Field Mapping using Off-Axis Electron Holography in the Transmission Electron Microscope

Off-axis electron holography is a powerful technique that involves the formation of an interference pattern in a transmission electron microscope (TEM) by overlapping two parts of an electron wave, one of which has passed through a region of interest on a specimen and the other is a reference wave. The resulting off-axis electron hologram can be analyzed digitally to recover the phase difference between the two parts of the electron wave, which can then be interpreted to provide quantitative information about local variations in electrostatic potential and magnetic induction within and around the specimen. Off-axis electron holograms can be recorded while a specimen is subjected to external stimuli such as elevated or reduced temperature, voltage, or light. The protocol that is presented here describes the practical steps that are required to record, analyze, and interpret off-axis electron holograms, with a primary focus on the measurement of magnetic fields within and around nanoscale materials and devices. Presented here are the steps involved in the recording, analysis, and processing of off-axis electron holograms, as well as the reconstruction and interpretation of phase images and visualization of the results. Also discussed are the need for optimization of the specimen geometry, the electron optical configuration of the microscope, and the electron hologram acquisition parameters, as well as the need for the use of information from multiple holograms to extract the desired magnetic contributions from the recorded signal. The steps are illustrated through a study of specimens of B20-type FeGe, which contain magnetic skyrmions and were prepared with focused ion beams (FIBs). Prospects for the future development of the technique are discussed.

Guidelines are presented for recording and interpreting off-axis electron holograms to provide quantitative images of magnetic fields in nanoscale materials and devices in the transmission electron microscope.

Off-axis electron holography is a powerful technique that involves the formation of an interference pattern in a transmission electron microscope (TEM) by ...

Optimizing Magnetic Force Microscopy Resolution and Sensitivity to Visualize Nanoscale Magnetic Domains

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force microscopy (AFM) probe whose tip has been magnetized vertically (i.e., perpendicular to the probe cantilever) is oscillated at a fixed height above the sample surface. The resultant shifts in the oscillation phase or frequency, which are proportional to the magnitude and sign of the vertical magnetic force gradient at each pixel location, are then tracked and mapped. Although the spatial resolution and sensitivity of the technique increases with decreasing lift height above the surface, this seemingly straightforward path to improved MFM images is complicated by considerations such as minimizing topographical artifacts due to shorter range van der Waals forces, increasing the oscillation amplitude to further improve sensitivity, and the presence of surface contaminants (in particular water due to humidity under ambient conditions). In addition, due to the orientation of the probe's magnetic dipole moment, MFM is intrinsically more sensitive to samples with an out-of-plane magnetization vector. Here, high-resolution topographical and magnetic phase images of single and bicomponent nanomagnet artificial spin-ice (ASI) arrays obtained in an inert (argon) atmosphere glovebox with &lt;0.1 ppm O2 and H2O are reported. Optimization of lift height and drive amplitude for high resolution and sensitivity while simultaneously avoiding the introduction of topographical artifacts is discussed, and detection of the stray magnetic fields emanating from either end of the nanoscale bar magnets (~250 nm long and &lt;100 nm wide) aligned in the plane of the ASI sample surface is shown. Likewise, using the example of a Ni-Mn-Ga magnetic shape memory alloy (MSMA), MFM is demonstrated in an inert atmosphere with magnetic phase sensitivity capable of resolving a series of adjacent magnetic domains each ~200 nm wide.

Magnetic force microscopy (MFM) employs a vertically magnetized atomic force microscopy probe to measure sample topography and local magnetic field strength with nanoscale resolution. Optimizing MFM spatial resolution and sensitivity requires balancing decreasing lift height against increasing drive (oscillation) amplitude, and benefits from operating in an inert atmosphere glovebox.

Optimierung der Auflösung und Empfindlichkeit der Magnetkraftmikroskopie zur Visualisierung nanoskaliger magnetischer Domänen

Magnetic force microscopy (MFM) enables mapping local magnetic fields across a sample surface with nanoscale resolution. To perform MFM, an atomic force ...