Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия

Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия (SP-STM ) - специализированное приложение сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), которая может предоставить подробную информацию о магнитных явлениях в одноатомном масштабе в дополнение к атомной топографии, полученной с помощью СТМ. SP-STM открыл новый подход к статическим и динамическим магнитным процессам, таким как прецизионные исследования доменных границ в ферромагнитных и антиферромагнитных системах, а также тепловое и индуцированное током переключение наномагнитных частиц.

• 1 Принцип работы
• 2 Подготовка наконечника зонда
• 3 Режимы работы
• 4 Применения SP-STM
• 5 Новые достижения в SP-STM
• 6 Альтернативный метод
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Внешние ссылки

Чрезвычайно острый наконечник, покрытый тонким слоем магнитного материала, систематически перемещается по образцу. Между зондом и образцом прикладывается напряжение, позволяющее электронам туннелировать между ними, в результате чего возникает ток. В отсутствие магнитных явлений сила этого тока указывает на локальные электронные свойства.

Если игла намагничена, у электронов со спинами, соответствующими намагниченности иглы, будет больше шансов туннелировать. Это, по сути, эффект туннельного магнитосопротивления , а наконечник / поверхность по существу действует как спиновой клапан.

, поскольку сканирование с использованием только намагниченного наконечника не может различить изменения тока из-за намагничивания или разделения пространства должны использоваться многодоменные структуры и / или топографическая информация из другого источника (часто обычного STM). Это делает возможным магнитное изображение вплоть до атомного масштаба, например, в антиферромагнитной системе. Топографическая и магнитная информация может быть получена одновременно, если намагниченность наконечника модулировать с высокой частотой (20–30 кГц) с помощью небольшой катушки, намотанной вокруг наконечника. Таким образом, намагниченность наконечника изменяется слишком быстро, чтобы контур обратной связи STM мог реагировать на него, и топографическая информация остается неизменной. Высокочастотный сигнал отделяется с помощью синхронизирующего усилителя , и этот сигнал обеспечивает магнитную информацию о поверхности.

В стандартной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) вероятность туннелирования электронов между наконечником зонда и образцом сильно зависит от расстояния между ними, так как она экспоненциально спадает с увеличением расстояния. В спин-поляризованном СТМ (SP-STM) туннельный ток также зависит от спин -ориентации иглы и образца. локальная плотность состояний (LDOS) магнитного наконечника и образца различается для разных ориентаций спина, и туннелирование может происходить только между состояниями с параллельным спином (игнорируя процессы переворота спина ). Когда спин образца и острия параллельны, есть много доступных состояний, в которые могут туннелировать электроны, что приводит к большому туннельному току. С другой стороны, если спины антипараллельны, большинство доступных состояний уже заполнено, и туннельный ток будет значительно меньше. Затем с помощью SP -STM можно исследовать зависящую от спина локальную плотность состояний магнитных образцов путем измерения туннельной проводимости $G\; =\; d\; I\; /\; d\; U\; \{\backslash \; displaystyle\; G\; =\; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; I\; /\; \backslash \; mathrm\; \{\; d\}\; U\}$, которое при небольшом смещении равно

$G\; =\; 2\; \pi \; 2\; G\; 0\; |\; M\; 0\; |\; 2\; ntns\; (1\; +\; P\; t\; P\; s\; соз\; \; \theta ),\; \{\backslash \; displaystyle\; G\; =\; 2\; \backslash \; pi\; ^\; \{2\}\; G\_\; \{0\}\; |\; M\_\; \{0\}\; |\; ^\; \{2\}\; n\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\; n\_\; \{\; \backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash \; left\; (1\; +\; P\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\; P\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash \; cos\; \backslash \; theta\; \backslash \; right),\}$где $G\; 0\; \{\backslash \; textstyle\; G\_\; \{\; 0\}\}$- туннельная проводимость в немагнитном случае, $M\; 0\; \{\backslash \; textstyle\; M\_\; \{0\}\}$- матричный элемент туннелирования, который описывает переходы между спин-зависимыми состояниями подсказки и образца, $nt\; \{\backslash \; textstyle\; n\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\}$, $P\; t\; \{\backslash \; textstyle\; P\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\}$и $ns\; \{\backslash \; textstyle\; n\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\}$, $P\; s\; \{\backslash \; textstyle\; P\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\}$- общие плотности состояний и поляризаций для наконечника (t) и образец (ы) соответственно, а $\theta \; \{\backslash \; textstyle\; \backslash \; theta\}$- угол между направлениями намагничивания иглы и образца. В немагнитном пределе ($P\; t\; =\; 0\; \{\backslash \; textstyle\; P\_\; \{t\}\; =\; 0\}$или $P\; s\; =\; 0\; \{\backslash \; textstyle\; P\_\; \{s\}\; =\; 0\}$) это выражение сводится к модели Терсоффа и Хаманна для стандартной туннельной проводимости СТМ.

В более общем случае при конечном напряжении смещения $U\; \{\backslash \; textstyle\; U\}$выражение для туннельного тока в месте расположения наконечника $r\; \{\backslash \; textstyle\; \backslash \; mathbf\; \{r\}\}$становится

$I\; (r,\; U,\; \theta )\; =\; I\; 0\; (r,\; U)\; +\; I\; d\; (\; р,\; U,\; \theta )\; знак\; равно\; 4\; \pi \; 3\; C\; 2\; \hslash \; 3\; е\; \kappa \; 2\; м\; 2\; [ntn\; ~\; s\; (r,\; U)\; +\; mtm\; ~\; s\; (r,\; U)],\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \backslash \; left\; (\backslash \; mathbf\; \{r\; \},\; U,\; \backslash \; theta\; \backslash \; right)\; =\; I\_\; \{0\}\; \backslash \; left\; (\backslash \; mathbf\; \{r\},\; U\; \backslash \; right)\; +\; I\_\; \{d\}\; \backslash \; left\; (\backslash \; mathbf\; \{r\},\; U,\; \backslash \; theta\; \backslash \; right)\; =\; \{\; \backslash \; frac\; \{4\; \backslash \; pi\; ^\; \{3\}\; C\; ^\; \{2\}\; \backslash \; hslash\; ^\; \{3\}\; e\}\; \{\backslash \; kappa\; ^\; \{2\}\; m\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \; left\; [n\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\; \{\backslash \; тильда\; \{n\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash \; left\; (\backslash \; mathbf\; \{r\},\; U\; \backslash \; right)\; +\; \backslash \; mathbf\; \{m\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\; \backslash \; mathbf\; \{\backslash \; tilde\; \{m\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash \; left\; (\backslash \; mathbf\; \{r\},\; U\; \backslash \; right)\; \backslash \; right],\}$где $C\; \{\backslash \; displaystyle\; C\}$- константа, $\kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; kappa\}$обратное длина распада электрона волновой функции, а также $e\; \{\backslash \; textstyle\; e\}$и $m\; \{\backslash \; textstyle\; m\}$заряд и масса электрона, соответственно, $n\; ~\; s\; \{\backslash \; textstyle\; \{\backslash \; tilde\; \{n\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\}$- это интегрированная по энергии LDOS подсказка и $mt\; \{\backslash \; textstyle\; \backslash \; mathbf\; \{m\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{t\}\}\}$и $m\; ~\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathbf\; \{\backslash \; tilde\; \{m\}\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\}$- соответствующие векторы намагниченности спин-поляризованного LDOS. Туннельный ток складывается из независимого от спина $I\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{0\}\}$и зависящего от спина $I\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{d\}\}$частей. Принцип спин-поляризованного сканирующего туннельного микроскопа. В магнитных материалах плотность состояний разделена между разными ориентациями спина, и туннельный ток является самым сильным, когда спин образца параллелен вращению иглы.

Наиболее критический компонент в установке SP-STM - наконечник зонда, который должен быть атомарно острым, чтобы обеспечивать пространственное разрешение вплоть до атомного уровня, иметь достаточно большую спиновую поляризацию, чтобы обеспечить достаточное отношение сигнала к шуму , но в то же время иметь достаточно малое паразитное магнитное поле, чтобы сделать возможным неразрушающее магнитное зондирование образца, и, наконец, необходимо контролировать ориентацию спина на вершине острия, чтобы определить, какая ориентация спина отображается в образце. Чтобы предотвратить окисление, подготовка наконечника обычно должна выполняться в сверхвысоком вакууме (UHV). Существует три основных способа получения наконечника зонда, подходящего для измерений SP-STM:

1. объемный магнитный материал (например, железо ) сначала подвергается электрохимическому травлению с образованием сужения, и когда материал разрывается, он ломается в месте сужения, образуя острый конец. В качестве альтернативы материал можно травить до тех пор, пока не будет сформирован наконечник, но тогда потребуется процедура очистки наконечника в сверхвысоком вакууме. Железо имеет высокую намагниченность насыщения, что приводит к большему полю рассеяния вокруг наконечника, что делает невозможным неразрушающее изображение. Железные наконечники можно использовать для измерения образцов антиферромагнитных или ферримагнитных. Аморфные сплавы, такие как $CoFeNiSiB\; \{\backslash \; textstyle\; \{\backslash \; ce\; \{CoFeNiSiB\}\}\}$, имеют более низкую намагниченность насыщения, но все же ненулевые поля рассеяния. Для неразрушающей визуализации наконечники могут быть изготовлены из антиферромагнитных материалов, таких как $Cr\; \{\backslash \; textstyle\; \{\backslash \; ce\; \{Cr\}\}\}$или $MnNi\; \{\backslash \; textstyle\; \{\backslash \; ce\; \{MnNi\}\}\}.$, однако, в этом случае спиновый контраст изображения приносится в жертву из-за туннельных токов из разных спиновых состояний, частично компенсирующих друг друга.
2. Немагнитный наконечник со сверхтонкой пленкой из магнитного материала. Немагнитный материал сначала протравливается и очищается с помощью бомбардировки электронами и высокотемпературной вспышки для удаления оксидов и других загрязнений. Затем наконечник покрывается тонким (меньше диаметра наконечника) слоем магнитного материала. В таких тонких пленках направление намагничивания определяется анизотропией поверхности и интерфейса . Выбрав подходящий пленочный материал и толщину, наконечник может быть подготовлен для измерения магнитных направлений в плоскости или вне плоскости. Для тонких пленок ферромагнетиков внешнее магнитное поле может использоваться для изменения намагниченности, позволяя установке измерять оба направления одним и тем же наконечником. Для увеличения пространственного разрешения между иглой и образцом может быть приложено напряжение смещения, которое заставляет атомы тонкой пленки перемещаться к вершине иглы, делая ее более резкой. Даже при осаждении тонкой пленки наконечник все равно будет нести магнитное поле рассеяния, которое может возмущать образец.
3. Немагнитный наконечник с кластером магнитного материала. В этом методе между немагнитным наконечником и магнитным образцом прикладываются импульсы напряжения, которые заставляет магнитный материал образца прикрепляться к наконечнику. Направление намагничивания можно изменить, приложив дополнительные импульсы напряжения. В качестве альтернативы наконечник можно погрузить в магнитный материал, а затем втянуть, оставив кластер, прикрепленный к наконечнику, при условии, что магнитный материал правильно смачивает наконечник. Размер наконечника не контролируется, как при осаждении ультратонких пленок.

SP-STM может работать в одном из трех режимов: постоянный ток и спектроскопический режим, аналогичные стандарту . Режимы работы STM, но со спиновым разрешением или режим модулированного намагничивания наконечника, который является уникальным для измерений SP-STM. В режиме постоянного тока расстояние между зондом и образцом поддерживается постоянным с помощью контура электрической обратной связи. Измеренный туннельный ток $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$состоит из усредненных по спину и зависящих от спина компонентов ($I\; =\; I\; 0\; +\; I\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; =\; I\_\; \{0\}\; +\; I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\}\}$), который можно разложить на основе данных. В туннельном токе в основном доминирует наименьший ненулевой вектор обратной решетки , что означает, что, поскольку магнитные сверхструктуры обычно имеют самую длинную периодичность в реальном пространстве (и, следовательно, самую короткую периодичность в обратном пространстве), вносят наибольший вклад в спин-зависимый туннельный ток $I\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\}\}$. Таким образом, SP-STM является отличным методом наблюдения магнитной структуры, а не атомной структуры образца. Обратной стороной является то, что в режиме постоянного тока трудно изучать масштабы, превышающие атомные, поскольку топографические элементы поверхности могут мешать магнитным элементам, что затрудняет анализ данных.

второй режим работы - это спектроскопический режим с разрешением по спину, который измеряет локальную дифференциальную туннельную проводимость $d\; I\; /\; d\; U\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; I\; /\; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; U\}$как функция напряжения смещения $U\; \{\backslash \; displaystyle\; U\}$и пространственных координат иглы. Спектроскопический режим может использоваться в условиях постоянного тока, в которых расстояние между наконечником образца меняется, что приводит к наложению топографической и электронной информации, которая затем может быть разделена. Если спектроскопический режим используется с постоянным разделением зонда и образца, измеренное значение $d\; I\; /\; d\; U\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; I\; /\; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; U\}$напрямую связано с спин-разрешенный LDOS образца, тогда как измеренный туннельный ток $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$пропорционален интегрированному по энергии спин-поляризованному LDOS. Комбинируя спектроскопический режим с режимом постоянного тока, можно получить как топографические, так и спиновые данные о поверхности.

В-третьих, SP-STM можно использовать в режиме модулированного намагничивания, в котором намагниченность острия периодически изменяется. переключается, что приводит к возникновению туннельного тока, пропорционального локальной намагниченности образца. Это позволяет отделить магнитные элементы от электронных и топографических. Поскольку спин-поляризованный LDOS может изменять не только величину, но и знак в зависимости от энергии, измеренный туннельный ток может исчезнуть даже при конечной намагниченности в образце. Таким образом, необходимо исследовать также зависимость спин-поляризованного туннельного тока от смещения в режиме модулированной намагниченности. Только ферромагнитные наконечники подходят для режима модулированного намагничивания, что означает, что их поля рассеяния могут сделать невозможным неразрушающее изображение.

Спин-поляризованный сканирующий туннельный микроскоп - это универсальный инструмент, который получил Огромное внимание благодаря повышенной чувствительности поверхности и латеральному разрешению вплоть до атомных масштабов; он может использоваться в качестве важного инструмента для изучения ферромагнитных материалов, таких как диспрозий (Dy), квазидвумерные тонкие пленки, наноостровки и квазиодномерные нанопроволоки с высокой магнитной анизотропией и т. д. В исследовании, проведенном L. Berbil-Bautista et al., магнитная доменная стенка или стена Нееля шириной 2-5 нм присутствует в Эти материалы наблюдаются при приближении вольфрамового наконечника с покрытием хромом (Cr) к слою Dy. Это вызывает перенос частиц Dy из магнитного материала на вершину наконечника. Ширина доменной стенки рассчитывается как

$w\; =\; 2\; (A\; /\; k),\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; displaystyle\; w\; =\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\; (A\; /\; k)\}\}\}\},\}$где $A\; \{\backslash \; textstyle\; A\}$- обменная жесткость. Магнитный контраст усиливается из-за наличия незанятых электронных состояний в кластере атомов Dy на вершине острия. Спин-усредненное изображение, полученное методом сканирующей туннельной спектроскопии для наноостровков кобальта, сформированных на Cu ( 111).

Формирование доменных стенок на 360 ° в ферромагнитных пленках играет важную роль в создании магнитных запоминающих устройств с произвольным доступом. Эти доменные границы образуются при приложении внешнего магнитного поля вдоль легкого направления магнитного материала. Это заставляет две стены на 180 °, которые также имеют одинаковое направление вращения, приблизиться. В исследовании, проведенном A. Kubetzka и др., SP-STM использовался для измерения эволюции 360-градусных профилей доменных стенок двух нанопроволок железа с атомным слоем путем изменения внешнего магнитного поля в диапазоне 550-800 мТл.

Явление квантовой интерференции наблюдалось в островках кобальта, нанесенных на подложку из меди (111). Это объясняется тем фактом, что рассеяние, вызванное поверхностными электронными дефектами , такими как края террас, примесями или адсорбатами, присутствует на плотно упакованной поверхности благородного металла. Спин-поляризованный СТМ был использован для исследования электронной структуры треугольных островков кобальта, осажденных на меди (111). Это исследование показывает, что субстрат и островки демонстрируют свои индивидуальные модели стоячих волн, и это может быть использовано для поиска спин-поляризованного материала.

SP-STS изображение одиночного атома кислорода абсорбируется на подложке из железа (110).

Новые достижения в области SP-STM показывают, что этот метод может быть использован для понимания сложных явлений, которые не были объяснены другими методами визуализации. Немагнитные примеси, такие как кислород, на магнитной поверхности (двойной слой железа на подложке вольфрам (W)) вызывают образование спин-поляризованных волн. Примесь адсорбированного кислорода на двойном слое железа может быть использована для изучения взаимодействия между Кондо примесями на RKKY-взаимодействии. Это исследование показывает, что состояния анизотропного рассеяния могут наблюдаться вокруг отдельных атомов кислорода, адсорбированных на двойном слое железа. Это дает информацию о спиновых характеристиках электронных состояний, участвующих в процессе рассеяния.

Точно так же существование двумерного антиферромагнетизма на границе раздела марганец (Mn) и W (110) было наблюдается с помощью метода SP-STM. Важность этого исследования заключается в том, что шероховатость атомного масштаба на границе раздела между Mn и W (110) вызывает нарушение магнитного взаимодействия и приводит к возникновению сложных спиновых структур, которые невозможно изучить другими методами.

Другой способ получить распределение намагниченности - это заставить наконечник обеспечивать сильный поток спин-поляризованных электронов. Один из способов достижения этого - направить лазерный свет поляризации на наконечник GaAs, который производит спин-поляризованные электроны за счет спин-орбитальной связи. Затем зонд сканируется вдоль образца так же, как обычный СТМ. Одним из ограничений этого метода является то, что наиболее эффективный источник спин-поляризованных электронов получается, если падающий лазерный свет светит прямо напротив наконечника, то есть через сам образец. Это ограничивает метод измерениями тонких образцов.

• Сканирующая туннельная микроскопия
• Микроскопия
• Сканирующая зондовая микроскопия
• спиновой клапан
• туннельное магнитосопротивление

• A краткий обзор STM
• Bode, M (2003). «Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия». Отчеты о достижениях физики. 66 (4): 523–582. Bibcode : 2003RPPh... 66..523B. doi :10.1088/0034-4885/66/4/203.