Магнитная силовая микроскопия

Метод Биттера

Выбор метода регистрации магнитограмм

Технические требования

Научно-исследовательская часть.

Основными данными для расчета оптической системы устройства регистрации магнитограмм являются следующие параметры и характеристики:

Размер магнитограммы, не более – 10x10 мм.

Разрешающая способность, не менее – 100 лин/мм.

Методы визуализации магнитных полей рассеяния носителей записи позволяют создавать визуальное представление рабочих поверхностей носителя с разрешением, достаточным для побитового исследования информации. Наиболее распространенные методы визуализации полей магнитными частицами (метод порошковых фигур; визуализации в коллоидном растворе; визуализации на ферромагнитной пленке и метод деформации (пластификации) рабочего слоя) являются разрушающими и, кроме того, носят качественный характер. Для визуализации применяют методы электронной микроскопии, использующие воздействие магнитных полей рассеяния исследуемого объекта на движение пучка электронов. Сообщалось о визуализации с помощью методов магнитооптики. Для этой цели были применены аморфные пленки GdFe, DyFe, TbFe. Пленки намагничивались полями рассеяния сигналограмм с изменением соответствующим образом направления плоскости поляризации отраженного от них света (эффект Керра) [1].

Миниатюрные датчики, применяемые для топографирования магнитных полей (Холла, индукционные и магниторезистивные), обладают невысоким пространственным разрешением и лишены свойств визуализации.

В отличие от принятого в технике магнитной записи трактования понятия «сигналограмма» как временного распределения амплитуд сигнала записи/ считывания, техника визуализации данных на магнитных носителях использует другой подход. Под магнитной сигналограммой понимается пространственное распределение амплитуд остаточной намагниченности М, что дает возможность «увидеть» данные на носителе [2]. Здесь рассмотрены те методы визуализации, которые наиболее часто используются для исследования магнитных полей рассеяния магнитных носителей.

Это самый старый из известных методов визуализации магнитных полей. Ф. Биттер использовал его для исследования магнитной структуры материалов еще в 1930г., когда еще не была сформирована теория магнитных доменов, поэтому в публикациях говорилось просто о неоднородностях в ферромагнетиках.

Рис. 1.1. Изображения доменов в монокристалле железа

То, что на полученных Биттером изображениях (рис. 1.1) были действительно домены, только в 1949г. доказали ученые одной из исследовательских лабораторий «Белл компани».

Чтобы понять суть метода, достаточно вспомнить известный школьный эксперимент, в котором на лист бумаги насыпают железных опилок, а внизу располагают магнит. В результате можно «увидеть» магнитное поле магнита, поскольку опилки выстраиваются вдоль его силовых линий.

Биттер усовершенствовал эту технологию, применив вместо опилок коллоидную суспензию магнитных частиц, каждая из которых по форме напоминает микроскопическую иглу размерами всего несколько микрон. Пребывая во взвешенном состоянии и практически не испытывая трения, такие частицы могут быстро переориентироваться в зависимости от направления приложенного поля. Если нанести на намагниченную поверхность тонкий слой суспензии, они концентрируются вдоль участков образца, где намагниченность меняет свой знак, формируя так называемые картины Биттера, которые можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. Для достижения большего контраста образец иногда помещают в небольшое внешнее магнитное поле, направленное вдоль его поверхности [3].

Метод показан на рис.1.2. На образцах можно наблюдать изображения доменов. Для наблюдений можно используется металлографический микроскоп с увеличением 70¸150×.

Рис.1.2. Метод наблюдения порошковых фигур.

Для таких исследований очень хорошо иметь небольшой магнит типа показанного на рисунке 1.3. С его помощью можно создавать любое необходимое поле.

Рис.1.3. - Электромагнит, применяемый при наблюдении доменов.

Образец помещают над магнитом, наносят на него сверху с помощью пипетки одну – две капли суспензии и, наложив сверху покровное стекло, изучают образец под микроскопом (рис.1.2). Частицы суспензии притягиваются к границам между доменами, образуя здесь черные линии. На рисунке 6 приведено изображение доменов, наблюдавшихся таким способом на поверхности. Черные линии – границы доменов, а стрелки указывают направление намагниченности в отдельных доменах. Направление намагниченности проще всего определить, используя то, что она перпендикулярна полоскам, которые в большом количестве видны внутри доменов. Полоски могут появляться на неровностях или на неоднородностях концентрации сплава в образце, поскольку в этих местах возникают магнитные полюсы, или их еще называют линиями насыщения [4].

Рис. 1.4. Изображение доменов. Границы доменов обведены тушью (чёрные линии). Горизонтальной линией в середине рисунка показано, как выглядит царапина, сделанная механическим способом.

Разрешение метода определяется, в основном, размерами магнитных частиц и составом раствора, и в меньшей мере разрешающей способностью используемого микроскопа. Раньше приготовление суспензии было одним из сложнейших этапов подготовки и проведения эксперимента - получение продукта с заданными характеристиками требовало терпения и специальных навыков исследователя. Сейчас ее изготовление поставлено на промышленную основу. В лучших образцах коммерческих суспензий размеры магнитных частиц составляют порядка 10 нм, что лежит за пределом разрешающей способности оптических микроскопов. При проведении исследований с использованием таких суспензий оптические микроскопы заменяют электронными, а разрешение метода в этом случае достигает 100 нм.

Позволяя быстро и с достаточно высоким разрешением визуализировать магнитные поля, метод Биттера в то же время имеет существенный недостаток - удалить магнитную суспензию с намагниченной поверхности абсолютно невозможно, т.е. метод Биттера является разрушающим. Тем не менее, он широко применяется на практике в приложениях контроля и оценки эффективности уничтожения информации, хранящейся на магнитных носителях.

Таким образом, метод Биттера представляет собой недорогой и эффективный способ контроля уничтожения информации, обеспечивающий возможность работы даже с современными высокоплотными накопителями. К его достоинствам можно также отнести возможность визуализировать большие участки рабочих поверхностей магнитных носителей, что позволяет за один цикл измерений получить полное изображение пластины жесткого диска или дискеты. Практическое применение метода ограничивается его разрушающим воздействием, т.е. после «просмотра» носителя использовать его по прямому назначению (для хранения данных) уже нельзя.

Магнитная силовая микроскопия (МСМ) - это одна из самых «молодых» технологий визуализации магнитных полей и, в то же время, одна из наиболее перспективных. Несмотря на сложность используемых физических принципов, работу магнитного силового микроскопа можно легко объяснить, проведя аналогию с патефоном. Как и в патефоне, в таком микроскопе тонкая игла движется по некой «дорожке», цепляясь за «неровности» магнитного рельефа образца. Но, в отличие от патефона, отклонения иглы скрывают в себе не музыку, а картину поля рассеяния.

Магнитно-силовой микроскоп устроен следующим образом. Микромагнит (рис.1.5.) в виде заостренной иглы перемещают вблизи поверхности образца, регистрируя силы взаимодействия с образцом.

Рис.1.5. Схематическое изображение магнитно-силового микроскопа.

Для перемещения острия относительно исследуемой поверхности используется прецизионный трехкоординатный микроманипулятор. Обычно в зондовой микроскопии такой манипулятор изготавливают из пьезокерамической трубки с системой электродов. При подаче напряжения на электроды трубка может изгибаться, удлиняться или укорачиваться, производя тем самым перемещение образца (или иглы) по трем координатам X, Y и Z. В зависимости от размеров пьезотрубки максимальное перемещение образца может быть обеспечено в диапазоне от единиц до сотни микрон. Точность позиционирования такого манипулятора достигает сотых долей нанометра. Зондирующее острие располагают на упругой микроминиатюрной консоли (кантилевере), по изгибу которой, регистрируемому, например, с помощью оптической системы, можно определять силу взаимодействия между острием и поверхностью. В магнитносиловом микроскопе при сканировании образца игла проходит по одному и тому же месту дважды. Первый раз она движется по поверхности образцав контакте с ним, при этом компьютер запоминает ее траекторию, которая в этом случае соответствует профилю исследуемой поверхности. Магнитные свойства образца, если пренебречь деформациями поверхности (они обычно невелики), не оказывают влияния на наблюдаемую траекторию. Второй раз микроконсоль проходит по той же траектории над тем же участком поверхности, но на некотором удалении от нее. При таком движении на иглу, расположенную на микроконсоли, действуют уже не контактные силы, как в первом случае. Если иглу отвести на расстояние 10—50 нм, то универсальное ван-дер-ваальсово притяжение затухает и остаются только более дальнодействующие магнитные силы, так что отклонение иглы от заранее обусловленной траектории будет определяться именно магнитными свойствами образца (рис.1.6.) [5].

Рис.1.6. Получение «магнитного» изображения. 1 – запись профиля поверхности с помощью специальной иглы; 2 – при следующем проходе задается та же траектория, но на высоте 10 – 50 нм от поверхности образца; 3 – отклонение иглы от выбранной траектории в результате действия магнитных сил.

На пространственное разрешение магнитного силового микроскопа влияют множество факторов: выбор зонда, чувствительность электронной схемы, используемый режим измерений и др. Типичные магнитносиловые микроскопы имеют разрешение 30 нм, некоторые модели позволяют достичь значения 10 нм. Но такое высокое разрешение имеет и негативную сторону - довольно сложно позиционировать участок измерения на образце, а размеры получаемых изображений составляют всего от единиц до десятков микрон.

Рис. 1.7. МСМ изображение поверхности жесткого диска. Размер «скана» 70х70мкм.

Метод не обеспечивает высокую скорость получения результатов, но дает возможность их количественной оценки. Поскольку магнитная силовая микроскопия изображения содержит информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности, то для правильной их интерпретации необходимо выделить из общей картины магнитную составляющую. Эта задача требует сложных вычислений, но в большинстве современных микроскопов она решается во встроенном контроллере.

В настоящее время благодаря высокой чувствительности и разрешению магнитная силовая микроскопия становится одним из наиболее популярных инструментов для исследования ферромагнитных материалов. Единственным сдерживающим фактором является высокая стоимость измерительных устройств, которая может доходить до полумиллиона долларов.

Дата добавления: 2017-01-14