ميکروسکوپ تونل‌زني روبشي اسپين قطبیده – (بخش اول)

در ابزارهای مدرن، نانوساختارهای مغناطیسی دارای اهمیت فراوانی هستند. هم‌زمان با تمایل به کوچک‌‌سازی ابزارهای مغناطیسی، پرسش‌های جدید در مورد رفتار مغناطیسی ساختارهای کوچک ‌شده در مقیاس نانو نیز افزایش یافته است. از طرفی، علاقه به تهیه تصویر از آرایه‌های مغناطیسی و دستیابی به ساختارهای آن در مقیاس نانو یا حتی اتمی از دیرباز مورد توجه دانشمندان بوده و انتظار می‌رود چشم‌اندازی بر رفتارهای جدید پدیده‌های مغناطیسی فراهم آورد.
در میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی به‌عنوان اولین عضو خانواده میکروسکوپی پروبی روبشی، یک سطح رسانا با سوزنی که در موقعیت و وضعیت مناسبی نسبت به سطح قرار گرفته، روبش می‌شود. این میکروسکوپ به دلیل ابعاد بسيار کوچک سوزن، مي‌تواند کوچکترين پستي و بلندي موجود در سطح را (در حد نانومتر) حس کند.
برای این منظور، سوزن به‌وسیله یک سیستم کنترل‌کننده آنقدر به سطح نزدیک می‌شود تا برهم‌کنش‌های دلخواه بین سوزن و سطح نمونه پدید آید. در این فاصله بین سوزن و سطح نمونه که ممکن است در حد چند آنگستروم باشد، با اعمال ولتاژ مناسب (به بزرگی چند ده میلی‌ولت) بين سوزن و سطح، براساس پدیده تونل‌زنی مکانیک کوانتوم، جريان الکتريکي برحسب نانوآمپر برقرار مي‌شود. در میکروسکوپ تونل‌زني روبشی مقدار جريان تونلي، تابع فاصله سوزن از سطح، شکل و جنس سوزن، هندسه و جنس سطح و اختلاف ولتاژ بین سوزن و سطح است. در این روش، سوزن به بازوهاي پيزوالکتريکي متصل بوده که به‌وسيله آنها سوزن با فاصله دلخواه، به نقطه موردنظر روی سطح نمونه منتقل شده و بدین ترتیب، امکان بررسي خواص آن نقطه از سطح نمونه فراهم مي‌شود.
با توسعه روش‌های اولیه، یکی از تلاش‌های اصلی همواره ارتقاء توان تفکیک این روش میکروسکوپی برای بررسی ساختارهای کوچک‌تر بوده است. به این منظور، در سال‌های اخیر میکروسکوپی تونل‌زنی روبشی اسپین قطبیده و طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی اسپین قطبیده به دو ابزار قدرتمند برای بررسی ساختارهای مغناطیسی در مقیاس نانومتر تبدیل شده‌اند به‌گونه‌ای که حتی می‌توان تصویر سطوح آنتی‌فرومغناطیس را با این روش‌ها تهیه کرد. این روش‌ها همچنین می‌توانند برای مطالعه چگونگی خنثی‌سازی مغناطیسی در سطح لایه‌های نازک آنتی فرومغناطیس‌ها که در تماس مستقیم با پایه‌های مغناطیسی هستند و همچنین بررسی ویژگی‌های مرتبط با برهم‌کنش بین آنتی فرومغناطیس‌ها با فرومغناطیس‌ها، نیز به‌کار گرفته شوند.

1- ميکروسکوپ تونل زني روبشي اسپين قطبیده (Sp-STM)

ميکروسکوپ تونل‌زني اسپين قطبیده، به‌عنوان يک روش تهیه تصوير مغناطيسي، با توان تفکیکی در مقياس نانومتر است. اين ميکروسکوپ امکان ثبت تصاوير را در دو حالت جريان ثابت و ارتفاع ثابت، فراهم می‌کند. همچنین این توانایی را دارد که به‌طور هم‌زمان چگالي الکترون اسپين قطبیده را که مربوط به گشتاور مغناطيسي است، بررسی کند.
در سال 1919 بارخوسن نخستین بار این ایده را مطرح کرد که یک ساختار مغناطیسی ممکن است شامل نواحی باشد که در آن نقاط مغناطیسی در جهت‌های مختلف قرار گرفته باشند.
با طرح این ایده، روش‌هایی که امکان تهیه تصویر مستقیم الگوهای مغناطیسی را در فضای واقعی فراهم می‌نمودند، ابداع شد.
در مطالعات بنیادی مغناطیسی، یکی از نیازهای اساسی تهیه تصویر مغناطیسی با توان تفکیک بالا است. Sp-STM در راستای مطالعات مغناطیسی در مقیاس نانومتر به‌کار می‌رود.

1-1- اثر مقاومت مغناطیسی تونل‎زنی
شکاف چگالی حالت‌های انرژی روی جریان تونل‎زنی اثر دارد. آزمایش‌های نشر میدان با سوزن‌های فرومغناطیس نشان داده‎اند که در طول فرآیند تونل‎زنی از سوزن به خلاء، پلاریزاسیون اسپین چگالی حالت‌های سوزن، به‌صورت جزئی به الکترون‌های منتشر شده، منتقل و یک جریان اسپینی پلاریزه را به‌وجود می‌آورند.

این امر با توجه به قانون فرمی قابل درک است. پلاریزاسیون نهایی بدلیل تفاوت تعداد الکترون‌ها در حالت‌های بیشینه و کمینه به‌وجود می‌آید.
الکترون‌هایی که در حالت بیشینه قرار می‌گیرند، می‌توانند در فرآیند تونل‌زنی شرکت کنند. بررسی‌ها نشان می‌دهند، هنگامی که الکترون‌‌ها بین دو ماده فرومغناطیس تونل می‎زنند، نه ‎تنها جریان اسپین – پلاریزه می‎شود بلکه اندازه جریان هم تحت ‎تأثیر قرار می‏گیرد. در این مطالعات، دو لایه نازک مغناطیس به‌وسیله یک لایه نازک عایق از هم جدا می‌شوند تا یک اتصال تونلی مسطح را به‌وجود آورند. این وضعیت اجازه می‏دهد که جهت‌گیری مغناطیسی در دو لایه نازک مغناطیسی، به‌صورت موازی یا ضدموازی به‌عنوان تابعی از میدان مغناطیسی اعمال شده جهت‌گیری کند.
بر این اساس، هدایت تونل‏زنی G (و بدین ‎ترتیب مقاومت) به جهت‎گیری نسبی مغناطیس دو لایه بستگی دارد. این اثر، اثر مقاومت مغناطیسی تونل‏زنی نامیده می‏شود.
هدايت (G)، کميتي است که به توصيف خواص الکتريکي مواد مي‌پردازد که براساس آن مواد به ترکیبات هادی، نیمه هادی و عايق تقسيم مي‌شوند.
براي يک مولکول کوچک، هدایت، تابعی از شدت جریان و اختلاف پتانسیل است. در الکترونيک مولکولي براي تعيين هدايت يک مولکول، بايد مولكول حداقل در تماس با دو الکترود خارجي قرار گیرد و این اتصال باید قوي و تکرارپذير باشد که بتواند یک تماس الکتروني مناسب بين مولکول و الکترودها ايجاد کند.
G در حالت جهت‏گیری موازی (منظور از جهت‌گیری موازی، حالت مغناطیسی در مولکول و الکترود است) بزرگتر از حالت جهت‏گیری ضدموازی است. این یافته را می‏توان براساس یک مدل ساده شرح داد. در این مدل تنها روی چگالی حالت‌های دو الکترود تمرکز می‌نماییم. با فرض اعمال یک ولتاژ بایاس کوچک در سراسر اتصال و در غیاب پراکندگی اسپین، الکترون‌های فرومغناطیس در نزدیکی انرژی فرمی، هدایت تونل‏زنی را تعیین می‏کنند. برای جهت‎گیری موازی، چنانچه یک ولتاژ بایاس محدود برقرار شود، همه حالت‌های بین سطوح فرمی در تونل‏زنی درگیر می‏شوند که هر یک مطابق با احتمال تونل‎زنی‎ خود که وابسته به انرژی است، وزن می‌گیرند.
در این حالت، الکترون‌های بیشینه/کمینه نخستین الکترود، به‏ترتیب به‏سوی حالت‌های بیشینه/کمینه در الکترود دوم تونل می‏زنند.
با استفاده از قانون فرمی، هدایت G با چگالی N حالت اولیه i (قبل از انجام هدایت) و حالت نهایی f (بعد از انجام هدایت) در لبه فرمی متناسب است. بنابراین، هدایت برای مغناطیس با جهت‏گیری موازی با استفاده از رابطه (1) نشان داده می‏شود:

(1)    G_⇈∝N↑ⁱN↑^f+ N↓ⁱN↓^f

برای جهت‏گیری ضدموازی الکترون‌های بیشینه در یک تونل‌زنی از الکترود به ‏سوی حالت کمینه با استفاده از رابطه (2) هدایت داده می‌شود:

(2)                                G_⇈ ∝ N↑ⁱN↓^f+ N↓ⁱN↑^f

به‎طور کلی، این دو هدایت متفاوت هستند که به تغییر جریان تونلی با جهت‏گیری نسبی مغناطیس الکترودها منجر می‏شود. در حقیقت هدایت با ترکیب حالت‎‌های مختلفی از اسپین‌های موازی و ضد موازی انجام می‌شود که رابطه (1) هدایت ناشی از ترکیب حالت‌های موازی و رابطه (2) هدایت ناشی از ترکیب اسپین‌های ضد موازی را نشان می‌دهد.

1-2- اصول میکروسکوپی تونل‏زنی روبشی اسپین – پلاریزه
با اختراع STM، بینینگ و همکارانش تهیه تصویر با توان تفکیک مطلوب که قادر به تشخیص یک اتم منفرد بود را تحقق بخشیدند. در روش STM، نوک سوزن رسانا در نزدیکی سطح رسانای نمونه قرار داده می‎شود.
بین نمونه و سوزن یک ولتاژ بایاس برقرار شده و یک جریان تونل‎زنی کوچک به‌وجود می‌آید که با فاصله بین سوزن و نمونه به‌صورت توانی یا نمایی کاهش می‎یابد.
در حالت جریان ثابت STM، فاصله سوزن و نمونه به‌گونه‎ای تنظیم می‏شود که یک جریان تونل‎زنی ثابت به‌دست آید. هنگامی که سوزن سطح نمونه را روبش می‌کند، نوک سوزن روی خطوط جریان ثابت حرکت می‎کند و توپوگرافی نمونه را منعکس می‎سازد. پیش از این، در سال 1988، پیرس پیشنهاد کرد که یک دستگاه STM راه‎اندازی شود که در آن از مفهوم TMR برای تهیه تصویر هم‌زمان اثر مقاومت مغناطیسی و جریان تونل‌زنی نمونه استفاده شود .
در این طرح تنها به یک جریان تونل‏زنی اسپین – قطبیده همراه با یک STM مورد نیاز است. او دو دیدگاه متفاوت را برای Sp-STM مطرح نمود.

علاوه‎بر استفاده از فرومغناطیس، به‎عنوان مثال، سوزن‌های اسپین پلاریزه، او امکان استفاده از حامل‌های اسپین – پلاریزه‎ای که با نور برانگیخته می‎شوند را در سوزن‌های GeAs مورد بحث قرار داد. این سوزن‌ها توسط سوزوکی و همکارانش ابداع شده بودند. در رویکرد آنها، نوری که به‌صورت دایره‎ای پلاریزه شده‌است برای برانگیخته نمودن حامل‌های اسپین – پلاریزه در باند هدایت سوزن که بعداً به نمونه تونل می‏زند، استفاده می‏شود.
به‌دلیل وابستگی اسپین به جریان تونلی، با مدوله کردن نور، مدولاسیون جریان نیز اجرا می‌شود.
برای جدا کردن اطلاعات اسپین از اطلاعات توپوگرافی، مدولاسیون‌ها با یک تقویت‎کننده قفل‎شونده تشخیص داده می‎شود. به هر حال، به علت کنتراست نسبتاً پایین و کنتراست مغناطیسی – نوری اضافی ناخواسته در توان تفکیک جانبی، موفقیت این رویکرد محدود بود. از طرفی رویکرد مبتنی بر آزمایش‌های Sp-STM با سوزن‌های فرومغناطیس بسیار موفق‌تر بود. در گزارش منتشر شده از سوی پیرس، سه حالت تهیه تصویر کاربردی متفاوت برای Sp-STM پیشنهاد شده‌است. همه این روش‌ها به‌صورت تجربی اجرا شده و به‌طور خلاصه در ذیل این بخش شرح داده شده‌است.

1-2-1- حالت جریان ثابت
در حالت جریان ثابت، تصاویر STM با سوزن‌های غیرمغناطیسی و غیرفرومغناطیسی گرفته و نتایج به‎دقت مقایسه می‎شوند. ویسندانجر و همکارانش نخستین افرادی بودند که نتایج بدست آمده با این حالت [11] را روی سطح لایه‏ای غنی از ماده آنتی‎فرومغناطیس Cr(001) گزارش کردند.
آنها در این حالت با استفاده از سوزن‌های تنگستنی و به کمک پله اتمی ایجاد شده در اثر تغییر جریان، توانستند پله‏های اتمی را روی Cr(001) آشکار کنند که ارتفاع آن در حد انتظار nmا0/14 بود.
در حالی ‎که استفاده از سوزن فرومغناطیس CrO₂ ارتفاع پله را به مقادیر nmا0/16 و nmا0/12 تغییر می‏دهد.
این امر به اثر TMR بین سوزن فرومغناطیس و اتم‌های Cr که به‌صورت فرومغناطیسی روی تراس‌ها جهت‎گیری کرده‎اند، نسبت داده می‏شود.
هنگامی که پلاریزاسیون اسپین سوزن و اتم‌های Cr واقع در تراس موازی باشند، جریان تونل‏زنی به‌دلیل اثر TMR ارتقاء می‎یابد و در حالت جریان ثابت STM، سوزن به‎مقدار اندکی (nmا0/02) عقب رانده می‏شود.

بنابراین، روی این تراس اثر TMR باعث کاهش جریان می‎شود و سوزن STM تقریباً نزدیک سطح می‎شود. این سازوکار سبب تغییر در ارتفاع پله می‎شود که با سوزن اسپین – پلاریزه مشاهده شد. به ‎هر حال، در این حالت تهیه تصویر، هیچ تفکیکی در اطلاعات توپوگرافی و اسپین نمی‏تواند به‌دست آید و اندازه‎گیری‌های مرجع باید با سوزن‌های غیرمغناطیسی به‌دست آیند.

1-2-2- حالت طیف‌سنجی
حالت میکروسکوپی Sp-STM در شرایط خاصی، تفکیک اطلاعات توپوگرافی را از اطلاعات اسپینی امکان‎پذیر می‎سازد.
این حالت طیف‌سنجی تونل‏زنی روبشی اسپین – قطبیده نامیده می‏شود. در این حالت از این واقعیت استفاده می‎شود که پلاریزاسیون اسپین جریان تونل‎زنی تابعی از انرژی است و پلاریزاسیون اسپین حالت‌های سوزن و نمونه هر دو در تونل‎زنی شرکت می‌کنند. بنابراین، به‌طور کلی پلاریزاسیون اسپین جریان تونل‎زنی با بایاس نمونه تغییر می‏کند. در حالت طیف‌سنجی، ولتاژ بین سوزن و نمونه تغییر می‌کند تا اطلاعاتی از ساختار الکترونی سطح به‌دست آید.

در این حالت هدایت تونلی دیفرانسیلی (dI/dU) به‌عنوان تابعی از ولتاژ بایاس و مختصات فیزیکی نوک سوزن اندازه گرفته می‌شود. این حالت می‌تواند در شرایط حالت جریان ثابت نیز استفاده شود به‌گونه‌ای که در آن جداسازی نمونه و سوزن منجر به تغییر نتایج در اطلاعات توپوگرافی و الکترونی خواهد شد.

1-2-3- حالت تهیه تصویر مغناطیسی دیفرانسیلی
SP-STM می‌تواند در حالت مغناطیسی مدولاسیون استفاده شود که در آن سوزن مغناطیسی به‌صورت دوره‌ای تغییر می‌کند و موجب جریان تونلی می‌شود که متناسب با مغناطش (چگالی گشتاورهای مغناطیسی دائم یا القایی در یک ماده مغناطیسی) موضعی نمونه است.
این حالت قادر است که ویژگی‌های مغناطیسی را از ویژگی‌های توپوگرافی و الکترونی جدا کند.
در حالت تهیه تصویر مغناطیسی دیفرانسیلی، یک سوزن با بدنه فرومغناطیسی که مغناطیس آن تنظیم شده‌است، مورد استفاده قرار می‏گیرد. به ‏دلیل اثر TMR، این تنظیم منجر به مدولاسیون جریان تونل‏زنی می‏شود که با پلاریزاسیون اسپین نمونه مرتبط است.
در آزمایش، یک سوزن قابل ‎تنظیم مغناطیسی، استفاده می‏شود. مغناطیس سوزن به‌صورت متناوب بین دو وضعیت پایدار مغناطیس متضاد تغییر می‏کند. این وضعیت معادل تغییر علامت پلاریزاسیون اسپین نوک سوزن است.
در یک دستگاه آزمایشگاهی، مغناطیس سوزن با تغییر جریان در یک سیم‏پیچ کوچک که روی سوزن نصب شده‌است، معکوس می‏شود.
تناوب تغییر جریان باعث تناوب در قطع حلقه بازخورد STM می‏شود.
بنابراین، حلقه بازخورد تنها می‏تواند متوسط جریان تونل‏زنی را برای دو پلاریزاسیون (مثبت و منفی) اسپین در نوک سوزن نمایان کند به‌طوری‎که تصویر جریان ثابت شامل هیچ اطلاعات مغناطیسی نمی‏شود. با یک تقویت‏کننده قفل‏شونده حساس به فاز، تغییر بخشی از جریان تونل‎زنی ΔI تشخیص داده می‏شود.

این بخش شامل همه اطلاعات مربوط به اسپین است. با این روش، اطلاعات توپوگرافی و اسپین قویاً از هم جدا شده و تصویر مؤلفه اسپین در طول محور مغناطیس سوزن به‌صورت هم‌زمان با توپوگرافی ثبت می‏شود .

غییر میدان مغناطیسی که در داخل سیم‏پیچ القاءء می‏شود برای معکوس کردن کامل مغناطیس سوزن به اندازه کافی بزرگ است. ولی ‎به ‎هر حال، تغییر میدان جریان‌های القایی را نیز در حلقه تونل‎زنی ایجاد می‎کند. بدین دلیل، تنها ترکیبات مغناطیسی نرم می‌توانند به‌عنوان سوزن استفاده شوند. علاوه‏بر این، باید از الاستیسیته مغناطیسی سوزن نیز در طول فرآیند معکوس‎سازی جلوگیری شود. آزمایش‌های اولیه‏ای که توسط جانسون و همکارانش انجام شد، با الاستیسیته مغناطیسی بزرگ سوزن Ni مواجه بود، به‌طوری‎که تهیه تصویر توپوگرافی یا مغناطیسی پایدار امکان‎پذیر نبود.