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Artículos Técnicos

Detección de excitaciones magnéticas en un arreglo con patrón magnético mediante Microscopía de Fuerza Magnética (MFM)

 

RESUMEN

El fenómeno de excitación magnética cumple un papel fundamental en el diseño de los mecanismos de conmutación de nanoestructuras magnéticas encontradas dentro de dispositivos de almacenamiento de alta densidad. En este estudio se investigó la excitación magnética presente en una muestra con patrón magnético, con el uso de un Microscopio de Fuerza Atómica (por sus siglas en inglés, AFM) vía Microscopía de Fuerza Magnética (MFM). La propiedad magnética y topografía de la muestra fueron obtenidos de forma simultánea. Los datos muestran que las dos señales fueron separadas de forma óptima mediante el método de escaneo de paso doble. Las imágenes obtenidas con el MFM demuestran que la mayoría de las estructuras de dominio circulares de 148 nm de ancho experimentaron excitaciones magnéticas durante el escaneo, mientras que otra minoría de dominios mantuvieron su estado original. Algunos de los círculos que experimentaron excitación magnética, cambiaron su magnetización fácilmente, mientras que otros lo hicieron de manera gradual, acorde al cambio gradual del campo magnético existente entre la punta y la muestra. Gracias a los datos adquiridos en las imágenes, se pudo identificar un defecto en la muestra. Los resultados se resumen en que la técnica descrita en este estudio es capaz de proveer datos confiables, los cuales permiten un mejor entendimiento del comportamiento magnético, pudiendo ser usado también en la identificación de defectos de una muestra magnética.

INTRODUCCIÓN

El almacenamiento magnético es vital en la era digital, y es usado en una amplia variedad de dispositivos, incluyendo computadoras, celulares, servidores de datos, entre otros. La habilidad que tienen estos dispositivos de guardar grandes cantidades de información en pequeñas áreas y de forma económica, los hacen muy convenientes frente a otras tecnologías de almacenamiento de alta densidad [1]. El mantener una alta relación señal ruido (por sus siglas en inglés, SNR) se ha convertido en un gran desafío en el almacenamiento de alta densidad. Uno de los métodos más efectivos para alcanzar una SNR adecuada, incluye el almacenamiento de los datos en una muestra con patrón magnético. En este método, los datos son almacenados en celdas magnéticas definidos litográficamente en forma de dominios magnéticos, donde cada dominio representa un bit de datos, el cual puede ser un bit 1 o 0. Las propiedades magnéticas de estas nanoestructuras, tales como su magnetización de dominio, forma, tamaño, espaciado entre celdas, etc., pueden afectar de manera significativa el rendimiento del dispositivo de almacenamiento magnético. Por ello, se debe utilizar una técnica que sea capaz de medir estas características y de estudiar muestras con rasgos nanométricos, para así poder evaluar la confiabilidad del dispositivo. Existen diversos métodos que pueden ser usados para la investigación y monitoreo de dominios magnéticos, métodos como el Photo Electron Emission Microscopy, Microscopio Electrónico de Barrido (por sus siglas en inglés, SEM), Dicroísmo Circular Magnético de Rayos X, Microscopio del Efecto de Kerr, entre otros [2, 3, 4, 5]. Sin embargo, algunos de estos métodos no proveen una alta resolución espacial; mientras que otras poseen tediosos requerimientos de preparación de muestra, son destructivos, o no operan en condiciones ambientales. Por estas razones MFM fue desarrollada para resolver estos defectos. A esto se le suma la integración de dos técnicas (AFM y MFM), que permiten al usuario adquirir simultáneamente datos topográficos y propiedades magnéticas sin necesidad de cambiar la muestra o la punta. Por lo anterior, en este estudio se empleó MFM para estudiar un arreglo con patrón magnético. Los datos muestran que esta técnica es efectiva para la caracterización de propiedades magnéticas de dispositivos de almacenamiento magnéticos.

Diseño experimental

Usando un sistema AFM Park NX10, se evaluó una muestra con patrón magnético. Las propiedades magnéticas de la muestra fueron caracterizadas bajo condiciones ambientales mediante el modo MFM. Previo a la adquisición de imágenes, se magnetizó el cantiléver (Nanosensors, PPP-MFMR), cuya punta está recubierta con un material magnético. Para obtener una medición óptima, se utilizó un porta muestras no-magnético. Las mediciones MFM fueron realizadas usando el método de escaneo convencional non-contact de paso doble (ver Figura 1). Se tomaron cuatro imágenes consecutivas de la misma posición con 4 minutos de intervalo entre ellas, esto para poder observar la variación de los dominios magnéticos a lo largo del tiempo. En el modo MFM existen dos fuerzas de interacción entre la punta magnetizada y la muestra magnética: las fuerzas de Van der Waals y la fuerza magnética. Las fuerzas de Van der Waals son usadas para generar la topografía de la superficie de la muestra, mientras que la fuerza magnética entre la punta y la muestra es usada para generar los datos de las propiedades magnéticas de la muestra. La señal de oscilación del cantiléver contiene información de ambas; por ello, es necesario aplicar un método capaz de separar completamente ambas señales, siendo ésta la clave para una adquisición de imagen exitosa. Un método capaz de cumplir con estas tareas es el escaneo de paso doble. En este método, los datos topográficos son obtenidos en el primer escaneo, mientras que los datos MFM son obtenidos en el segundo. La punta es suspendida durante el segundo escaneo a una altura en la que solo la fuerza magnética es capaz de hacer variar la señal oscilatoria del cantiléver (Figura 1) [6]. En este experimento, la distancia óptima elegida entre la punta y la muestra para adquirir una imagen confiable fue de 50 nm. Se usó el amplificador lock-in instalado dentro del sistema AFM para analizar el movimiento de la punta causado por las fuerzas de Van der Waals en el primer escaneo, y la fuerza magnética en el segundo escaneo. En el modo MFM, las estructuras de dominio y la polaridad son detectadas mediante el análisis de los cambios en la frecuencia de oscilación del cantiléver, cambios causados por el campo magnético. La magnitud del cambio en la frecuencia de oscilación es proporcional a la intensidad del campo magnético. Durante el escaneo, la punta es atraída o repelida de la superficie de la muestra, dependiendo del dominio de magnetización de la muestra.

Figura 1.Método de escaneo de paso doble con el modo MFM

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los datos topográficos obtenidos en este experimento mostraron que se logró obtener una estructura con un patrón de círculos; sin embargo, no se pudo observar ninguna información relevante relacionada a sus dominios magnéticos. Por otro lado, los datos obtenidos a través de las mediciones MFM proveyeron bastante información acerca de la estructura de dominios magnéticos y las características de magnetización de la muestra, pero no se pudo obtener mucha información acerca de la estructura física de la muestra. La estructura de dominio de esta muestra observada en los datos MFM es similar a la estructura física observada en los datos topográficos, siendo una estructura formada por un arreglo de círculos. Los datos adquiridos en este experimento fueron analizados mediante el software XEI desarrollado por Park Systems. La Figura 2 muestra las mediciones topográficas y MFM de la muestra, adquiridas en el primer escaneo. Los datos topográficos muestran una imagen clara de una estructura enrejada bien definida. El perfil de línea generado por el software XEI en la Figura 2, provee información geométrica de dicha estructura. Los datos muestran que el diámetro de cada región circular es de aproximadamente 148 mm (Figura 2, flechas rojas) y 44 nm de alto (Figura 2, flechas azules). El espaciado entre las regiones circulares es de 71 nm aproximadamente (Figura 2, flechas verdes). La imagen MFM muestra que las estructuras de dominios también son circulares y de color brillante. El contraste de los círculos se correlaciona a la magnetización de dominios. En este experimento, las zonas claras indican que el dipolo magnético apunta en dirección vertical hacia arriba, mientras que las zonas oscuras indican una magnetización en dirección hacia abajo. La imagen MFM demuestra que la estructura de esta muestra está compuesta por un patrón de círculos en un estado de dominio magnético individual con dirección vertical hacia arriba.

Figura 2.Datos topográficos (superior izquierda) y datos MFM (superior derecha) de la muestra magnética. Perfil de línea de la topografía AFM (Rojo: diámetro del círculo, Verde: espaciado, Azul: altura de los círculos).

La Figura 3 muestra las mediciones MFM adquiridas cada 4 minutos. Basándonos en el color de las regiones circulares, la Figura 3a muestra que la mayoría de las regiones circulares tuvieron un cambio de polarización magnético total, mientras que otras tuvieron un cambio parcial o nulo. Los dominios parcialmente cambiados representan un estado de multi-dominio magnético, mientras que aquellos dominios que experimentaron un cambio magnético total o nulo, representan un estado de dominio magnético único [7]. Después de 4 minutos, la muestra está compuesta predominantemente de estados de dominio www.parkAFM.com Park Systems | Enabling Nanoscale Advances 3 únicos, y unos cuantos estados de dominio múltiple. Mediante el monitoreo de dominios individuales en el tiempo, se observó que la mayoría de los estados de dominio único, experimentaron una excitación magnética completa. Esta misma interpretación puede ser hecha en la Figura 3b. La mayoría de los dominios parcialmente cambiados en el segundo escaneo, experimentaron un cambio de magnetización completo en el tercer escaneo. Para el último escaneo, la Figura 3c muestra que la estructura está completamente compuesta de círculos en estado de dominio único. La mayoría de estos estados de dominio único son aquellos que experimentaron una excitación magnética completa con dirección vertical hacia abajo. Las demás regiones circulares claras son aquellas que mantuvieron su magnetización inicial durante todo el proceso. La ausencia del cambio de magnetización en estos dominios puede ser atribuida a la falta de uniformidad de la superficie [8]. Se especula que esta excitación magnética es causada por el cambio en el tiempo del campo magnético entre la punta y la muestra. También se pudo observar en todas las imágenes, una irregularidad en la parte inferior izquierda de la muestra. Esta irregularidad puede ser causa de un defecto adquirido durante el proceso de fabricación [9, 10]. Estos defectos podrían afectar de gran manera las propiedades de excitación magnética de la muestra [10].

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Figura 3. a.) Datos MFM 4 minutos b.) 8 minutos y c.) 12 minutos de magnetización seguida. Tamaño de escaneo: 1.7 um x 1.7 um

Resumen

La estructura de la muestra fue caracterizada exitosamente mediante el Park NX10 AFM junto al modo de escaneo MFM. Los datos topográficos revelaron que la estructura de la muestra está compuesta de regiones circulares de un diámetro de 148 nm y una altura de 44 nm. Los datos MFM mostraron que la mayoría de los dominios magnéticos de la muestra experimentaron excitación magnética durante el escaneo, mientras que otros pocos se mantuvieron en su estado original, mientras que el campo magnético entre la punta y la muestra cambiaba en el tiempo. También se observó una irregularidad en la superficie de la muestra, observándose una región que no presentaba propiedades magnéticas. Esta irregularidad puede ser atribuida a un defecto causado durante el proceso de fabricación. La caracterización de la excitación magnética de un material es necesaria para el diseño de mecanismos de conmutación de nanoestructuras magnéticas. Un mecanismo de conmutación diseñado correctamente es esencial para aplicaciones como la escritura de información en una celda bit. Un fallo en la inversión de un solo bit durante la escritura, llevaría a la pérdida parcial o total de datos. En síntesis, la técnica descrita en este estudio puede ser usada para la investigación del comportamiento del fenómeno de excitación magnética, así como para la identificación de defectos en dispositivos de almacenamiento magnéticos de alta densidad.

REFERENCIAS

[1] Z. Bandic, et al., Advances in Magnetic Data Storage Technologies. Scanning the issue
[2] K. Koike, et al., Scanning Electron Microscope Observation of Magnetic Domains Using Spin-Polarized Secondary Electrons. Japanese Journal of Applied Physics, Volume 23, Part 2, Num. 3.
[3] P. Kasiraj, et al., Magnetic domain imaging with a scanning Kerr effect microscope. IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 22, Issue: 5, Sep 1986.
[4] C. Schneider, et al., Investigating surface magnetism by means of photoexcitation electron emission microscopy. Reports on Progress in Physics, Volume 65, Number 12.
[5] P. Fischer, et al., Imaging of magnetic domains with the X-ray microscope at BESSY using X-ray magnetic circular dichroism. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter, December 1997, Volume 101, Issue 3, pp 313–316.
[6] Park MFM Technique:http://www.parksystems.com/images/spmmodes/magnetic/Magnetic-Force-Microscopy-(MFM).pdf.
[7] P. Krone, et al., Investigation of the magnetization reversal of a magnetic dot array of Co/Pt multilayers. Journal of Nanoparticle Research, November 2011, Volume 13, Issue 11, pp 5587–5593
[8] A. Fraerman, et al., Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic nanoparticles. Institute for Physics of Microstructures RAS, Nizhny Novgorod, Russia
[9] A. Manzin, et al., Influence of lattice defects on the ferromagnetic resonance behaviour of 2D magnonic crystals. Scientific Reports 6, Article number: 22004