12.3.6. Магнито – силовая микроскопия.

Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) использует кроме ван-дер-ваальсовых сил магнитные дипольные силы. При удалении на 10 ÷ 50 нм на зонд оказывают влияние практически только магнитные силы. В этом случае отклонение зонда от прямолинейного движения связано именно с магнитным взаимодействием (рис. 12.3.31).

В силу малых размеров иглу МСМ можно аппроксимировать магнит-ным диполем. Сила F, действующая на иглу, определяется соотношением

F = m₀gradH, (12.3.17)

где m_о – магнитный момент иглы, Н – напряженность магнитного поля.

Магнитный кластер на поверхности будет создавать вокруг себя маг-нитное поле, напряженность которого на расстоянии R от него равна

, (12.3.18)

где r – единичный радиус-вектор вдоль выбранного направления, т – магнитный момент кластера. Таким образом, сила взаимодействия между иглой МСМ и магнитным кластером равна

. (12.3.19)

Для дипольных моментов по оси z сила взаимодействия между иглой и кластером равна F_z = -6m₀m / z⁴, а величина градиента силового поля dF/dz = 24m₀m/z⁴.

Так, для двух кластеров железа диаметром 10 нм (m₀ = m ~ 9·10^-29 А·м²), расположенных на расстоянии 10 нм, значение магнитной силы взаимо-действия составляет ~4,9·10 ^-11 Н, а градиент силы — ~ 1,9·10^-2 Н/м. Такие величины и регистрирует МСМ. Чувствительность по магнитному потоку составляет 10 ^-4 Тл.

С хема механической системы МСМ показана на рис. 12.3.32.

Кантилевер размещается над образцом, при этом, магнитная сила F, действующая на образец, приводит к изгибу кантилевера и вертикальному перемещению иглы. В соответствии с законом Гука это перемещение опре-деляется механической жесткостью кантилевера со значениями 0,1 ÷ 10 нм^-1. Изгиб кантилевера фиксируется с помощью датчика малых перемещений. Наиболее распространенный оптический датчик регистрирует угловые перемещения светового луча, отраженного от поверхности кантилевера, а измененное положение отраженного луча, свидетельствующее об изгибе кантилевера, определяется с помощью двухсекционного фотодетектора по разностной схеме. Результаты измерений после компьютерной обработки представляют трехмерное изображение поверхности.

При сканировании поверхности с находящимися на ней частицами необходимо отделить геометрический фактор рельефа от магнитного. Для этого во время сканирования зонд проходит по одному и тому же месту дважды. Первый раз он движется по поверхности образца в контакте ней, при этом запоминается траектория его движения. Второй раз игла проходит по запомненной траектории над тем же участком поверхности, не соприкасаясь с ней. При повторном движении на зонд действуют уже не контактные силы, а дальнодействующие. Отклонение зонда от заранее обусловленной траектории будет определяться магнитными свойствами поверхности (рис. 12.3.32,в).

МСМ примеряется для исследования тонких пленок, нанокластеров, нанокомпозитов и наноструктур, магнитных носителей информации, исполь-зуется при оптимизации магнитной записи. Метод позволяет увидеть отдельные магнитные области и домены с размерами от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров.