تصنيع النانو المغناطيسية في أغشية نيتريد السيليكون لدراسات دوامة مغناطيسية باستخدام تقنيات الفحص المجهري الإرسال
Summary
ويرد على بروتوكول لتلفيق المغناطيسية المتناهية الصغر والنانو مع تكوينات تدور تشكيل الدوامات المغناطيسية مناسبة لانتقال المغناطيسي الأشعة السينية دراسات مجهرية (متكسم) ومجهر إلكتروني (TEM).
Abstract
السماح ميكروسكوبيس المغناطيسية الإلكترونات والأشعة السينية للتصوير المغناطيسي عالية الدقة وصولاً إلى عشرات نانومتر. ومع ذلك، العينات تحتاج إلى تكون مستعدة في الأغشية الشفافة التي هشة للغاية وصعبة التعامل. نقدم عمليات تصنيع العينات مع المغناطيسية المتناهية الصغر والنانو مع تكوينات تدور تشكيل الدوامات المغناطيسية يناسب لورينتز مجهر إلكتروني وانتقال المغناطيسي الأشعة السينية دراسات مجهرية. يتم إعداد العينات في أغشية نيتريد السيليكون والتلفيق يتكون من تدور طلاء والأشعة فوق البنفسجية وشعاع الإلكترون الطباعة الحجرية، تطوير المواد الكيميائية من المقاومة، وتبخر المواد المغناطيسية التي تليها انطلاقة عملية تشكيل الهياكل المغناطيسي النهائية. العينات لورينتز مجهر إلكتروني يتكون من نانوديسكس المغناطيسية التي أعدت في خطوة واحدة الطباعة حجرية. تستخدم العينات مجهر الأشعة السينية المغناطيسي للتجارب الديناميكية مغنطة حل الوقت، ونانوديسكس المغناطيسي وتوضع على الدليل موجي الذي يستخدم لتوليد نبضات المجال المغناطيسي للتكرار عن طريق تمرير الكهرباء الحالية من خلال الدليل الموجي. يتم إنشاء الدليل الموجي في خطوة إضافية الطباعة حجرية.
Introduction
ودرس المغناطيسية للنانو مكثف في العقدين الماضيين أثر الاتجاهات التكنولوجية نحو التصغير. كما الأبعاد الجانبية للهياكل تصبح أصغر وأصغر، الخصائص المغناطيسية لهياكل المغناطيسية بداية لتكون محكومة بهندسة الهيكل بالإضافة إلى خصائص المواد المغناطيسية. سلوك العناصر المغناطيسية المختلفة من المواد السائبة المجهرية وقد استعرضت في التفصيل (مثلاً، أوبير وتشافر)1. أحد الأمثلة الأكثر شهرة للمغنطة غير تافهة أرض الدولة هو الشباك الدوامات المغناطيسية مغنطة الهياكل التي تحدث في أقراص مغناطيسية رقيقة ميكرون و submicron الحجم والمضلعات. مغنطة هنا هو الشباك في الطائرة حول دوامة الخروج من الطائرة كور2،3. درست عكس مغنطة الدوامات المغناطيسية على نطاق واسع في كل من ثابت4،،من56 و دينامية7،،من89،10 نظم. التطبيقات الممكنة للدوامات المغناطيسية هي، مثلاً، ذاكرة بت متعددة الخلايا11، دوائر المنطق12، الترددات اللاسلكية أجهزة13أو الموجه تدور بواعث14.
الصورة في دوامة مغناطيسية وخصوصا قلب الدوامة، ينبغي أن يكون القرار المكانية لأسلوب الفحص المجهري كما إغلاق ممكن إلى الأساسية الطول المغناطيسي جداول (أقل من 10 نانومتر). المجهر الإلكتروني لورينتز انتقال15 (لتيم) و الفحص المجهري المغناطيسي انتقال الأشعة السينية16 (متكسم) مرشحا مثاليا لتصوير الدوامات المغناطيسية كما أنها توفر عالية دقة مكانية ويقدم متكسم أيضا إلى ارتفاع الزماني القرار للدراسات ديناميات المغنطة. ومن سيئات هذه التقنيات هو إعداد نماذج معقدة، وهو موضوع الورقة المقدمة.
العمليات التي قدمت هنا شرح تصنيع العينات المستخدمة للتصوير الدوامات المغناطيسية بال17 و10،متكسم11. هي كلا التقنيات ذات الطابع الإرسال، ونظرا لأنه من الضروري أن افتعال الهياكل في أغشية رقيقة. الأغشية التي تكون عادة مصنوعة من نيتريد السيليكون ونطاقاتها سمك من عشرات نانومتر إلى بضع مئات من نانومتر. ويتطلب كل من هاتين الطريقتين هندسة إطار دعم مختلفة. وفي حالة متكسم، هو الإطار 5 × 5 مم2 والنافذة كبيرة، 2 × 2 مم2. في حالة TEM، هندسة الإطار دائرة من 3 مم في القطر مع حجم الإطار اعتماداً على التجربة، عادة 250 × 250 ميكرون2. الأغشية التي تجلب تحديات إضافية للتعامل مع نموذج أكثر صعوبة مع خطر كسر النوافذ أثناء جميع عمليات الطباعة الحجرية.
يمكن أن يتم تصنيع عينات الإيجابية والسلبية على السواء مقاومة تقنيات الطباعة الحجرية18. يستخدم عملية الطباعة الحجرية مقاومة إيجابية مقاومة إيجابية؛ التركيب الكيميائي لمقاومة التغييرات عند التشعيع والجزء الظاهر سوف تصبح قابلة للذوبان في المطور الكيميائية. سوف يغسل المنطقة المعرضة في حين تبقى منطقة لم يتعرضوا على الركازة. في حالة عملية الطباعة حجرية مقاومة سلبية، التشعيع يصلب المقاومة وستبقى المنطقة المعرضة على الركازة بينما سوف يغسل منطقة لم يتعرضوا في المطور الكيميائية. كلا تقنيات يمكن استخدامها لتصنيع النماذج، ولكن نفضل الطباعة الحجرية مقاومة إيجابية لأنها تتطلب خطوات تصنيع أقل إذا ما قورنت بالنفي مقاومة تقنية الطباعة الحجرية. هو أيضا أسرع، وأسهل للتعامل مع، وغالباً ما توفر أفضل النتائج.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أظهرنا تصنيع عينات ميكروسكوبيس المغناطيسي لتيم ومتكسم. هذه العينات بحاجة إلى أن تكون ملفقة على أغشية رقيقة من الخطيئة حتى أنه يمكن اختراق الإلكترونات، في حالة لتيم، والأشعة السينية اللينة، وفي حالة متكسم، من خلال العينات. يمكن اختﻻق هذه العينات 1) الطباعة حجرية مقاومة إيجابية أو بالطباعة حجرية مقاومة سلبية 2).
نحن تستخدم تقنية الطباعة الحجرية مقاومة إيجابية لأنه يتطلب أقل إعداد نماذج وخطوات تصنيع أقل ويسمح تجهيز أسهل. كما أنه يسمح الباحث استخدام تأثير التظليل، والتي استخدمناها لعنصر التحكم الشكل القرص الدقيق (مستدق جانب واحد من القرص). واستخدم هذا الشكل للسيطرة على تداول الدوامات المغناطيسية خلال التنو10،11.
ومن سيئات هذا الأسلوب هو الإجراء زنتها معقدة لأن تودع أحياناً على حافة مقاومة المواد رقيقة وثم لا يمكن إزالتها قبل انطلاقة. أننا نجحنا في حل هذه المشكلة باستخدام طبقة مقاومة مزدوجة. قليلاً يحد هذا القرار (ما يقارب 20 nm) عملية ليثوجرافيكال ولكن ما زالت كافية لأغراض التصوير المغناطيسي.
عروض تقنية الطباعة الحجرية المقاومة السلبية بدقة أعلى كالهياكل مع قرار وصولاً إلى 7 نانومتر يمكن كتابتها إلى المقاومة. ثم حفرت المواد بعيداً أما بالنقش الرطب أو بايون شعاع النقش. المشكلة مع هذا النهج أن المقاومة من الصعب إزالة بعد النقش. الأكسجين استخداماً البلازما مقاومة تعرية ليس ممكناً في حالة رقيقة الاشابة الهياكل، كما أنهم أكسدة بسهولة بالغة. وهذه الحقيقة، جنبا إلى جنب مع الحاجة إلى استخدام أسلوب التظليل، تفضل عملية إيجابية الطباعة الحجرية التي كانت تستخدم في جميع أنحاء هذا العمل.
قمنا باستخدام العينات التي أعدتها الطرق الموضحة في هذه الورقة لمراقبة ديناميات الدوامات المغناطيسية خلال تداول التحول10،متكسم11 والمراقبة لمختلف الدول التنو17 . ويمكن تمديد هذا من أنواع التجارب التي تتطلب هياكل استعداد ليثوجرافيكالي في الأغشية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا البحث دعمت ماليا بالوكالة المسؤولة عن المنح من الجمهورية التشيكية (المشروع رقم 15-34632L) سيتيك نانو + المشروع، معرف CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728. تصنيع العينة وقياس لتيم نفذت في “البنية التحتية للبحوث نانو سيتيك” (معرف LM2015041، أحل CR، 2016-2019). وأيد دهانخار مينا على منحة “الدكتوراه برنو” مواهب.
Materials
| SiN Membrane – TEM | Silson | SiRN-TEM-200-0.25-500 | TEM membrane |
| SiN Membrane – MTXM | Silson | SiRN-5.0-200-3.0-200 | MTXM membrane |
| 3D adapter for spin coating | The model of the adapter for 3D printing can be downloaded at: https://www.thingiverse.com/thing:2808368 | ||
| PMMA 950k electron beam resist | Allresist | AR-P 679.04 | used for TEM sample |
| Electron beam resist developer | Allresist | AR 600-56 | used for TEM sample |
| High-contrast electron beam resist | Allresist | AR-P 6200.13 | used for the waveguide on the MTXM sample |
| High-contrast electron beam resist developer | Allresist | AR-600-546 | used for the waveguide on the MTXM sample |
| Tetrakis(dimethylamido)titanium(IV) | Sigma Aldrich | 669008 Aldrich | used for TiO2 thin film deposition by ALD |
| Electron beam resist for nanometer lithography | Allresist | AR-P 617.02 | used as the bottom layer of bilayer resist for easier lift-off procedure |
| PMMA 950k electron beam resist | Allresist | AR-P 679.04 | used as the top layer of bilayer resist for easier lift-off procedure |
| Electron beam resist developer | Allresist | AR 600-56 | used for development of the disks on waveguide |
| Permalloy pellets | Kurt J Lesker | EVMPERMQXQ-D | used for the deposition of the magnetic layers |
| Titanium pellets | Kurt J Lesker | EVMTI45QXQD | used as adhesive layer for the gold waveguide |
| Gold pellets | Kurt J Lesker | EVMAUXX40G | used for the deposition of the waveguide |
References
- Hubert, A., Schäfer, R. . Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. , (1998).
- Cowburn, R. P., Koltsov, D. K., Adeyeye, A., O, M. E., Welland, M. E., Tricker, D. M. Single-domain circular nanomagnets. Physical Review Letters. 83 (5), 1042-1045 (1999).
- Shinjo, T., Okuno, T., Hassdorf, R., Shigeto, K., Ono, T. Magnetic vortex core observation in circular dots of Permalloy. Science. 289 (5481), 930-932 (2000).
- Guslienko, K. Y., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. Magnetization reversal due to vortex nucleation, displacement, and annihilation in submicron ferromagnetic dot arrays. Physical Review B. 65, 024414 (2001).
- Guslienko, K. Y., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. Field evolution of magnetic vortex state in ferromagnetic disks. Applied Physics Letters. 78 (24), 3848 (2001).
- Schneider, M., Hoffmann, H., Otto, S., Haug, T., Zweck, J. Stability of magnetic vortices in flat submicron Permalloy cylinders. Journal of Applied Physics. 92 (3), 1466-1472 (2002).
- Van Waeyenberge, B., et al. Magnetic vortex core reversal by excitation with short bursts of an alternating field. Nature. 444, 461-464 (2006).
- Kammerer, M., et al. Magnetic vortex core reversal by excitation of spin waves. Nature Communications. 2, 279 (2011).
- Guslienko, K. Y., Ivanov, B. A., Novosad, V., Otani, Y., Shima, H., Fukamichi, K. Eigenfrequencies of vortex state excitations in magnetic submicron-size disks. Journal of Applied Physics. 91 (10), 813-823 (2002).
- Urbánek, M., et al. Dynamics and efficiency of magnetic vortex circulation reversal. Physical Review B. 91, 094415 (2015).
- Uhlíř, V., et al. Dynamics switching of the spin circulation in tapered magnetic nanodisks. Nature Nanotechnology. 8 (5), 341-346 (2013).
- Jung, H., et al. Logic operations based on magnetic-vortex-state networks. ACS Nano. 6 (5), 3712-3717 (2012).
- Hasegawa, N., Sugimoto, S., Fujimori, H., Kondou, K., Niimi, Y., Otani, Y. Selective mode excitation in three-chained magnetic vortices. Applied Physics Express. 8 (6), 063005 (2015).
- Wintz, S., et al. Magnetic vortex cores as tunable spin-wave emitters. Nature Nanotechnology. 11, 948-953 (2016).
- Hopster, H., Oepen, H. P. . Magnetic Microscopy of Nanostructures. , (2005).
- Fischer, P. Magnetic imaging with polarized soft x-rays. Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (31), 313002 (2017).
- Vanatka, M., et al. Magnetic vortex nucleation modes in static magnetic fields. AIP Advances. 7 (10), 105103 (2017).
- Constancias, C., Landis, S., Manakli, S., Martin, L., Pain, L., Rio, D., Landis, S. Electron beam lithography. Lithography. , (2013).
- Williams, D. B., Carter, C. B. . Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science. , (2009).
- Seshan, K. . Handbook of Thin-film Deposition Processes and Techniques. , (2002).
