ميکروسکوپ تونل‌زني روبشي اسپين قطبیده – (بخش دوم)

مغناطیسی کردن الکترود فرومغناطیس با برقراری یک جریان متناوب کوچک در سیم‎پیچی که دور الکترود پیچیده است، انجام می‎شود. جهت مغناطیس الکترود STM بیشتر با استفاده از شکل الکترود تعیین می‏شود.
برای تهیه تصویر مؤلفه خارج از سطح پلاریزاسیون اسپین، یک سوزن نوک‎تیز استفاده می‎شود. نمای این حالت در شکل (1-الف) نشان داده شده‌است. میدان مغناطیسی تناوبی که با سیم‎پیچ القاء می‏شود، برای معکوس کردن کامل مغناطیس سوزن به ‏اندازه کافی بزرگ است. در سوزن، جهت مغناطیس به‌علت ناهمسانگردی بزرگ همواره در طول محور سوزن قرار دارد. بنابراین، در نوک سوزن جایی‎که تونل‎زنی روی می‎دهد، مغناطیس عمود بر سطح نمونه است.
برای تهیه تصویر از مؤلفه درون سطح پلاریزاسیون اسپین نمونه، از یک حلقه که نمای آن در شکل (1-ب) نشان داده شده‌است، به‎عنوان الکترود STM استفاده می‎شود. میدان مغناطیسی سیم‏پیچ جریان را در حلقه‎ای که بین دو ساختار مغناطیسی دایره‎ای قرار دارد، عوض می‏کند.
در پایین حلقه، مغناطیس مماس بر حلقه یعنی در سطح صفحه قرار دارد. با انتخاب صفحه‏ای که حلقه در آن جهت‏گیری می‏کند، جهت مغناطیس حلقه تعیین می‏شود؛ بنابراین، جهت حساسیت در سطح صفحه برای سیگنال اسپین اندازه‏گیری‏ شده، معلوم می‏شود.

شکل (2) چگونگی ساخت آزمایشگاهی الکترودهای STM را نشان می‏دهد. سوزن‌های STM برای ثبت مؤلفه خارج از سطح پلاریزاسیون اسپین (شکل (2-الف)) با اسیدشویی الکتروشیمیایی سیم‌های CoFeSiB نازک با قطر µmا130، تهیه می‎شوند.

مخلوط رقیقی از HCl و HF به‎عنوان معرف اسیدشویی استفاده می‏شود که در طول فرآیند اسیدشویی با استفاده از کشش سطحی به‌صورت یک غشاء نازک در حلقه Pt پخش می‏شود.

مقدار pH به‌گونه‏ای تنظیم می‎شود که از تشکیل سیلیکا از Si موجود در سیم آمورف جلوگیری شود. استفاده از جریان‌های ضعیف اسیدشویی در حد µA 250، باعث به‌وجود آمدن سوزن‌های نوک‎تیزی با زاویه مخروطی بین °8 تا °15 می‎شود (پایین، شکل (2-الف)).

به‌دلیل ناهمسانگردی بزرگ، مغناطیس سوزن در راستای محور سوزن است. سوزن‌های مغناطیسی در یک محور غیرمغناطیسی که دور آن یک سیم‏پیچ پیچیده شده، نصب می‏شود. در طول عوض شدن جریان در سوزن، الاستیسیته مغناطیسی ایجاد شده در دیواره‏های محدوده، به اندازه کافی کوچک است و این اطمینان را حاصل می‌کند که تقریباً تمام ارتعاشات مکانیکی متوقف شده ‏اند.

با شبیه ‎سازی میکرومغناطیسی دقیق فرآیند عوض شدن جریان سوزن، الاستیسیته مغناطیسی مورد انتظار کمتر از mا14-10 برآورد می‏شود، بدین معنی که این مقدار به آزمایش ارتباط نمی‏یابد.

برای تهیه تصویر از یک مؤلفه درون سطح پلاریزاسیون اسپین، الکترودهای حلقه‏ای شکل STM از جنس CoFeSiB استفاده می‏شود.

شکل (2-ب) تصویر حلقه‎ای با قطر خارجی در حدود mmا2 و ضخامت µmا25 را نشان می‏دهد. حلقه‎ها از ورق نازک CoFeSiB به‌صورت الکتروشیمیایی اسیدشویی شدند. سیم‏پیچی پیچیده شده دور حلقه در شکل (2-ب) قابل مشاهده است. با انتخاب جهت حلقه، جهت حساسیت در سطح صفحه تعیین می‏شود. محیط بیرونی حلقه‏ها جلا داده می‎شوند تا حتی زبری که با اسیدشویی ایجاد شده‌است نیز برطرف شود. بعد از جلا دادن، محیط بیرونی نرم و دارای حداقل تراس‌های بر جای مانده از جلادهی است (پایین، شکل (2-ب)). با وجودی‏که الکترودهای حلقه‏های استفاده شده در STM تیز نیستند ولی توان تفکیک جانبی زیر nmا1 به‌دست می‏آید.
به ‏احتمال زیاد نانوسوزن‌هایی در نوک آن وجود دارد که چنین توان تفکیک جانبی بالایی را به‌وجود آورده است.
برای به‌دست آوردن کنتراست اسپین، لازم است الکترودهای STM به‌صورت هم‌زمان به‌وسیله اسپری کردن Ar تمیز شوند.
این کنتراست می‏تواند با روکش کردن الکترودهای CoFeSiB با چندین لایه از Fe افزایش یابد.

3- کاربردهای میکروسکوپ الکترونی روبشی اسپین پلاریزه
یکی از کاربردهای ميکروسکوپ SP-STM بررسی سطوح ترکیبات آنتی‏فرومغناطیس است. در این ‎جا بیشتر، ویژگی‌های توپوگرافی آنتی‎فرومغناطیس‎ها مورد توجه است. ترکیب در یک ماده آنتی‎فرومغناطیس به‌صورت لایه‏ای است. Cr (001) نمونه‌ای از یک ماده آنتی فرومغناطیس لایه است که روی Fe (001) به‌عنوان پایه رشد یافته‎ و هر دو پلاریزاسیون اسپین در صفحه را نشان می‏دهند.Cr (001) یک آنتی‏فرومغناطیس است. Cr می‎تواند به‌طور پراکنده روی Fe (001) رشد کند و یک پلاریزاسیون اسپین در صفحه همراستا با پایه زیرین را به‌وجود آورد [15]. در این مطالعه از الکترودهای حلقه‏ای که در راستای محور رشد جهت‎گیری کرده‏اند برای تهیه تصویر سطح آنتی‏فرومغناطیس استفاده شده‌است. شکل (3-الف) توپوگرافی لایه نازک Cr را نشان می‏دهد. همان‎طور که انتظار می‎رود، تصویر Sp-STM که به‌صورت هم‌زمان ثبت شده‌است نظم آنتی‎فرومغناطیسی تراس‌ها را نشان می‏دهد (شکل (3-ب)) .

یکی از کاربردهای میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی اسپین پلاریزه، بررسی نانوساختارهای مغناطیسی است. در بخش زیر نانوساختارهای Co و Fe روی Cu (111) شرح داده شده‌است.

در این مطالعه لایه‎ای با ارتفاع دو اتم (BLH) Co، Fe و جزیره‏هایی که از Co تشکیل شده و جزیره‌هایی از کروم که دارای اثراتی از Fe است (Fe/Co) و روی Cu (111) نشانده شده‌است، مورد بررسی قرار گرفتند.
شکل (4-الف) نمای فرآیند آماده‎سازی نمونه را نشان می‏دهد. این فرآیند (3) نوع جزیره BLH را ایجاد می‎کند که نمای آن در شکل (4-ب) نشان داده شده‌است: همان‏طور که در شکل (4-ج) نشان داده شده‌است، ابتدا رسوب‏دهی یک لایه تکی Co در دمای اتاق باعث به‌وجود آمدن جزیره‎های Co می‎شود. سپس این جزیره‌های Co با ارتفاع Å4~ به کمک تصویر STM در حالت جریان ثابت، مشخص می‌شوند.

این جزیره ‏ها دارای ابعاد جانبی 5 تا nmا30 هستند
رسوب‏ گذاری پی‏درپی نخستین تک‏لایه‏های Co (MLا0/24) و سپس Fe (MLا0/28) در دمای اتاق، دو نوع جزیره را به‌وجود می‏آورد که در شکل (4-د) نشان داده شده‌است:

– جزیره خالص BLH Fe؛

– جزیره BLH Fe/Co که در آن Co حفره را تشکیل داده و Fe پیرامون Co را احاطه کرده است.

در این بررسی Sp-STM و نیز STS برای هر سه نوع جزیره و روی جزیره‏های تکی اجرا شد.

شکل (4-الف) به بررسی نانوجزیره‌های Co روی Cu (111) به روش میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی اسپین قطبیده پرداخته است.
مطابق این شکل، تصویر STM جزیره‌های BLH از جنس Fe/Co روی Cu (111) مشاهده می‌شوند.
بخش هسته جزیره‌ها که از جنس کبالت است، به‌وسیله خطوط نقطه‌چین محصور شده و با شماره‌های (1) و (2) مشخص شده‌است.
بخش‌هایی که با خطوط متقاطع مشخص شده‌اند، نواحی را که در آنها اندازه‌گیری dI/dV انجام شده‌است را مشخص می‌کند. بررسی‌های Sp-STM با استفاده از سوزن‌هایی از جنس تنگستن و با روکش آهن که در میدان مغناطیسی خارجی µ₀H تهیه شده، انجام می‌شود.
نمای مراحل آماده‌سازی این سوزن‌ها در شکل (4-ب) نشان داده شده‌است. دمای مناسب برای تهیه سوزن‌ها Kا10 است.

شکل (4-الف) طیف STS به‌دست آمده در مرکز هسته Co در ناحیه (1) را نشان می‌دهد.
محدوده این اندازه‌گیری در شکل (4-ب) و با رنگ قرمز مشخص شده‌است. این طیف با تغییر µ₀H در راستای سطح نرمال به‌دست می‌آید.
طیف STS در همه میدان‌ها حالت تیز 3d_z2 را نشان می‌دهد که به حالت الکترونی Co در محدوده Vا0/3- = V_b مربوط می‌شود که با پیکان تیره عمودی نشان داده شده‌است.
شکل و بزرگی طیف با تغییر میدان مغناطیسی تغییر می‌کند. در این میان ولتاژ بایاس Vا0/87- = V_b به‌عنوان ولتاژی که تغییرات وابسته میدان به سیگنال dI/dV کاملاً مشهود و واضح است، معین شد.
همچنین از شکل (4-د) می‌توان دریافت که پسماند مغناطیسی dI/dV از مقدار dI/dV در Vا0/87- = V_b قابل دست‌یابی است.
حلقه پسماند مغناطیسی شامل منحنی‌هایی به شکل پروانه است که نسبت به محور عمودی دارای حالتی است که آن را تقریباً متقارن نشان می‌دهد.
افت ناگهانی سیگنال در حدود Tا1/6± نشان‌دهنده تغییر جهت مغناطیسی در هسته Co است. تغییرات تدریجی سیگنال dI/dV در محدوده میدان H_sw، بر این نکته دلالت می‌کند که مؤلفه خارج از سطح مغناطیس سوزن با میدان خارجی تغییر می‌کند.

4- نتیجه‌گیری
هدف اصلی این مقاله، مطالعه میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی اسپین قطبیده برای مطالعه خواص مغناطیسی است. با پیشرفت روش‌های شناسایی نانوساختارها، همواره بررسی ساختارهای کوچک‌تر و همچنین شناسایی نانوساختارهای مغناطیسی بسیار مورد توجه بوده است.
میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی اسپین قطبیده یکی از کاربردهای خاص میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی است. این روش چشم‌انداز جدیدی را به روی فرآیندهای مغناطیسی گشوده و درک این مفاهیم را آسان ساخته است. در این روش با مغناطیسی کردن سوزن STM شانس الکترون‌هایی که دارای اسپین موافق با سوزن هستند، برای شرکت در جریان تونلی افزایش می‌یابد. این روش به‌دلیل این که می‌تواند اطلاعات دقیقی درباره پدیده‌های مغناطیسی مواد به‌ویژه در مقیاس اتمی تهیه کند، به‌عنوان وسیله‌ای قدرتمند برای بررسی ساختارهای مغناطیسی در مقیاس نانومتر شناخته شده‌است.