Mikro ve Nanomanyetik Yapıların Görüntülenmesi

İnce ferromanyetik tabakalarının mikromanyetik davranışını anlamak için oluşan büyük bir ilgi vardı ve bu ilgi, manyetik alan algılayıcıları ile manyetik rastgele erişim hafıza aygıtlarının (MRAM) teknolojik ilerlemesi ile sürdü. Yüksek bir depolama yoğunluğunun, böyle hafıza aygıtlarının tasarımında çok önemli bir amaç olduğu gibi, yeni yapılan araştırmalar mikrometrenin altındaki boyutlarıyla beraber ferromanyetik öğelerinin araştırılmasında bir yoğunlaşmaya sebep olmaktadır. Onun manyetik gelişiminden bağımsız olarak boyutlar 0 veya 1 bitlik depolama hücresi için düzenlice mıknatıslanan iki kararlı mıknatıslanma durumuna sahip olmalıdır, yani bir manyetik alan oluşturmalıdır.

Diğer güçlü manyetik görüntüleme tekniklerinin dışında biz, mikro ve nanomanyetik yapıları manyetik alan biçimlerini araştırmak için iki özel tekniği inceleyeceğiz bu yazıda: Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MFM) ve Taramalı Yakın Alan Optik Mikroskobu (SNOM).

Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MFM)

Manyetik Kuvvet Mikroskobu, Şekil 1’de görüldüğü gibi mavi oklarla gösterilmiş olan manyetik öğelerin (bitler) kenarlarında veya alan duvarlarında oluşturulan manyetik rastgele alanları bulmaya çalışır. Bunun için bir küçük manyetik iğne (uç), bir desteğin sonuna bağlanır ve iğne eksen boyunca gezdirilerek mıknatıslanır. Sırasıyla bu uç, manyetik öğenin (bit) yüzeyinden dışarı veya içine manyetik rastgele alanlar noktasını iteler. Desteğin dönmesi sebebiyle dört bölümlük bir dedektörün destek ve vuruşların kenarında yansıtılan bir lazer ışını tarafından bu dipol-dipol etkileşmesi dedekte edilir. Şekil1’deki şemada bu sinyalden nasıl manyetik bilgi sağlandığı görülmektedir. MFM’nin ilk topografi taraması “atomik kuvvet” bilgisi kaynaklıdır.

İlk taramada gözlenen topografik profil boyunca yapılan taramada ve yaklaşık olarak 90 nm’lik bir yüksekliğe o ucu yukarı kaldırarak manyetik bilgi kaydedilir. Bu metot, manyetik rastgele alanların yönlü gücü ve idaresine bağımlı olan “karanlık ve aydınlık kontrast” ile tipik MFM görüntülerini verir.

Şekil2’ de 1,5 µm ve 500 nm yanal boyutlarıyla mikroyapılı Fe(110) elipsoit-biçimli elementlerin MFM görüntüsü yer almaktadır. Başlangıçta 25 nm kalın demir film ile (110) oryantasyonuna sahip elementler argon iyon kazıması (etch edilmesi) ve elektron ışın litografisi kullanılarak üretilirler. Öğelerin uzun eksenine dikey çizgisinde yani manyetik sert eksen boyunca 1 Tesla’lık manyetik alanını uyguladıktan sonra MFM görüntüsü, sıfır manyetik alan için üç farklı manyetik durumu sergiler (Şekil 2’de beyaz yapıda görülmekte).
Eğer parlak kontrastı tarif edersek Şekil2’de sol üstte görüldüğü gibi mıknatıslanma işareti sağ tarafı gösterirken beyaz çerçevede görülen tek alan durumunda üstteki oklar, uç ve rastgele alanların arasında çekici bir etkileşimi göstermektedir. Buna göre beyaz çerçevedeki aşağı elementin mıknatıslanmasın işareti sağa doğrudur. Orta kısımda görülen manyetik kontrast belirgin olarak daha azdır. Bu, bir kanıttır, bir katmerli alan durumu olduğu için (Veya resmi manyetizmayı önler). Rastgele alanlar durumu, elementin içinde manyetik akıyı kapatarak en aza indirir (Şekil2’de üstte sağ tarafta) .

Taramalı Yakın Alan Optik Mikroskobu (SNOM)

Kutuplanmış ışıkla aydınlatılmış manyetik bir numunenin, ışığın dönüşümlü geçirilen polarizasyonu (Faraday etkisi) ve yansımasının yansıtılması (Kerr etkisi), bir miktar onun mıknatıslanması ile orantılıdır. Bu yüzden, farklı şekilde mıknatıslanan alanların bir deseni, polarizasyon hassas manyeto-optik mikroskopta bir kontrast üretir. Bu mikroskobun çalışması için, ne bir vakum ne de atomik olarak temiz yüzeyler gereklidir. O, içeride dış bir manyetik alan ve alandaki, alan deseninin bağımlılığını araştırır . Hem de, MFM’den iyi alan deseninin, şekillendirme ile değiştirildiği için hiçbir tehlike yoktur, kendini işleme tabi tutmaz. Numunede her aydınlatılan nokta, onun kendi kırılma desenini üretir, ve başka bir noktanın kırılma deseninden 1-2 nm uzakta daha az saptanır, yani ışığın dalga boyu 1 olduğunda. Daha küçük yapılarda bu yüzden, karar verilemez.

Yakın alan taramalı optik mikroskobu (SNOM), örnekleri ayırt ederek içlerinden ihtiyacımız olanı seçiyor (Şekil 3). En yaygın olan “diyafram konşekilasyonu”, l’den çok daha küçük bir açıklıkla bir sonda ile birim zamanda numunede seçtiğini aydınlatır. Işığın, nasıl kırılıyor olduğuna bağlı olmaksızın, numunenin tam bir şekli, noktaların bir parmaklığının karşısında sondayı tarayarak oluşturulur ve bütünüyle bilgiyi toplanarak bilgisayar ile seçilir.

Aydınlatan, herhangi bir şekilde bu kadar küçük diyafram nasıl yayılabilir? Kendisinin aşağısında bir açıklığın, saydam olmadığı l/2’in kesilen-kötü bir çapı yok mudur? O, senin, parlaklığa ne kadar yakın baktığına bağlıdır. Işık, gerçekte, parlaklık boyunca geçirilir, ama kuvvetle (üstel) gevşetilir, l/2’den daha dar oluncaya kadar. Onun şiddeti, 1 e’nin bir faktörü tarafından her 20 nm de bir azaltır. Işık, bu yüzden gözden kaybolur veya yakın alan ışığı ve onun numuneyle herhangi bir şekilde birbirini etkilememesi için, parlaklık, numunenin içerde 20 nm’ye getirilmelidir. Parça, ışıktan, normale geri döndüğünde, numune ile ışığı çoğaltmak bu yüzden bulunabilir. Eğer toplanan ışık, kullanılırsa, farklı şekilde mıknatıslanan alanlar, alışıldığı şekilde bir mukayese üretir.

Şekil 4’te bizim Co/Pt çoklukatman film üzerine kurulan manyeto-optik SNOM ile manyeto-optik görüntü üretimi görülmektedir. Böyle bir filmin mıknatıslanması, film düzlemine dik olduğu zaman kararlı, dışa doğru (yukarıya) ya da içeriye doğru (aşağı). Tutulan görüntüden önce, film düzleminde yüksek bir manyetik alan (2 T) oluşturuldu. Alan, kapandığı zaman, bu kararsız yönde mıknatısı tutması için hiçbir şey yoktu, bundan dolayı gevşekti. Bu alanlar, şekilde parlak ve karanlık alanlar olarak gözükür; Alan sınırları, kırmızı çizgilerle işaretlidir. Şekil 4’te boyutu l/3 olan, çapı 100 nm civarı bir diyafram ve dalga boyu l= 488 nm olan laser ışığı kullanılarak en küçük alanlar görünür.

Hazırlayan: Polat Narin | Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak: http://www.europhysicsnews.com/full/24/article7/article7.html