Silikon nitrür membranlar üzerinde manyetik nanoyapıları imalatı transmisyon mikroskopisi teknikleri kullanarak manyetik girdap etütler
Summary
Manyetik mikro – ve taşınımı manyetik girdaplar transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve manyetik iletim x-ray mikroskobu (MTXM) çalışmaları için uygun şekillendirme spin yapılandırmalarla imalatı için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Elektron ve x-ışını manyetik microscopies nanometre onlarca aşağı yüksek çözünürlüklü manyetik görüntüleme için izin verir. Ancak, örnekler çok kırılgan ve zor işlemek şeffaf membran üzerinde hazırlıklı olması gerekiyor. Biz işlemleri örnekleri imalatı için manyetik mikro – ve taşınımı manyetik girdaplar Lorentz transmisyon elektron mikroskobu ve manyetik iletim x-ray mikroskobu çalışmaları için uygun şekillendirme spin konfigürasyonları ile mevcut. Örnekleri silikon nitrür membranlar hazırlanır ve fabrikasyon bir spin kaplama, UV ve elektron ışını litografi, resist, kimyasal gelişimi oluşur ve manyetik malzeme buharlaşma izledi bir kalkış işlemi oluşturarak Son manyetik yapıları. Manyetik nanodiscs bir tek litografi adımda hazırlanan örnekleri Lorentz transmisyon elektron mikroskopi için oluşur. Örnekleri için manyetik x-ray transmisyon mikroskopisi zaman çözüldü mıknatıslanma dinamik deneyler için kullanılır ve manyetik nanodiscs bir elektrik geçirerek yinelenebilir manyetik alan bakliyat üretimi için kullanılan bir dalga kılavuzu yerleştirilir dalga kılavuzu aracılığıyla geçerli. Dalga kılavuzu bir ilave litografi adımda oluşturulur.
Introduction
Nanoyapıların manyetizma yoğun son yirmi yılda minyatür doğru teknolojik eğilimler takip incelenmiştir. Yapıların yanal boyutları daha küçük olmak ve daha küçük, manyetik malzeme özelliklerinin yanı sıra yapısı geometri tarafından yönetilmeye ferromanyetik yapıların manyetik özellikleri başlamak gibi. Microstructures hacim materyalleri farklı manyetik öğeleri davranışını ayrıntı (Örneğin, Hubert ve Schäfer tarafından)1‘ değerlendirme yapılmış. Olmayan önemsiz mıknatıslanma zemin devletin en bilinen örneklerinden biridir mikron ve Mikronaltı ölçekli ince manyetik diskler ve çokgenler meydana gelen manyetik girdaplar kıvırma mıknatıslanma yapıları. Burada mıknatıslanma uçak-uçak girdap core2,3etrafında kıvrık. Manyetik girdaplar mıknatıslanma iptali kapsamlı statik4,5,6 ve dinamik7,8,9,10 çalışılmıştır rejimler. Manyetik girdaplar olası uygulamaları vardır, Örneğin, birden çok bit bellek hücreleri11, mantık devreleri12, radyo frekans aygıtları13ya da spin-Dalga Yayıcılar14.
Manyetik bir girdap ve özellikle girdap çekirdek görüntü, mikroskobu tekniği uzaysal çözünürlük gibi mümkün olduğunca temel için manyetik uzunluğu ölçekler yakın olmalıdır (altında 10 nm). Lorentz transmisyon elektron mikroskobu15 (madde) ve manyetik iletim x-ray mikroskobu16 (MTXM) olan manyetik girdaplar görüntüleme için ideal aday olarak yüksek uzaysal çözünürlük sundukları ve MTXM sunduğu diğer bir yüksek zamansal Çözünürlük mıknatıslanma dynamics çalışmalar için. Bu teknikler sunulan kağıt konusu karmaşık numune hazırlama dezavantajdır.
Burada sunulan işlemleri manyetik girdaplar görüntüleme için TEM17 ve MTXM10,11tarafından kullanılan örnekleri imalatı açıklar. Her iki teknik iletim karakter ve nedeniyle, ince membranlar üzerinde yapıları imal etmek gereklidir vardır. Membranlar genellikle silikon nitrür ve onların kalınlığı aralığındadır nanometre onlarca birkaç nanometre yüzlerce yapılır. Her biri bu iki yöntem farklı destek çerçeve geometrisi gerektirir. MTXM söz konusu olduğunda, 5 x 5 mm2 karedir ve penceresi büyük, 2 x 2 mm2. TEM söz konusu olduğunda, çerçeve geometrisi 3 mm çapında deneme, genellikle 250 x 250 µm2bağımlı pencere boyutu ile bir halkadır. Membranlar daha zor örnek işleme ek sorunları windows litografi işlemleri sırasında kırılma riski ile getir.
Örnekleri imalatı pozitif ve negatif litografi teknikleri18karşı yapılabilir. Pozitif resist litografi süreci olumlu resist kullanır; resist değişiklikleri ışınlama ve maruz kalan bölümü üzerine kimyasal yapısı kimyasal geliştirici çözünür hale gelir. Yıkamaya alan belgili tanımlık substrate kalırken açık alan silsin. Bir negatif resist litografi işlem söz konusu olduğunda ışınlama resist sertleşir ve yıkamaya alan uzak kimyasal geliştirici yıkama olacak açık alan üzerinde substrat kütüphanemizin olacak. Her iki teknikleri örnekleri imalatı için kullanılabilir ancak litografi tekniği için negatif karşılaştırıldığında daha az üretim adımları direnmek gerektirdiğinden olumlu resist litografi tercih ederim. Ayrıca işlemek daha kolay, daha hızlı ve genellikle daha iyi sonuçlar sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Madde ve MTXM manyetik microscopies için örnekleri imalatı göstermiştir. Bu örnekler elektron durumunda madde ve yumuşak x-ışınları, MTXM, söz konusu olduğunda örnekleri nüfuz edebilir böylece ince Günah membranlar sahte olduğu gerek. Bu örnekler 1) bir pozitif resist litografi veya 2) bir negatif resist litografi sahte olduğu.
Bu daha az numune hazırlama ve daha az üretim adımları gerektirir ve daha kolay işleme sağlar çünkü biz olumlu resist litografi tekniği kullanılır. Ayrıca biz (bir disk bir tarafında sivrilen) kesin disk şekli kontrolü için kullanılan gölgeleme efekti kullanmak araştırmacı sağlar. Bu şekil manyetik girdaplar dolaşım sırasında çekirdekleşme10,11denetlemek için kullanılır.
İnce film malzeme resist kenarında bazen yatırılır ve sonra bir kalkış tarafından kaldırılamaz çünkü bu tekniğin karmaşık kalkış prosedür dezavantajdır. Bir çift resist katmanı kullanarak bu sorunu çözdük. Bu biraz çözünürlüğü sınırlar (yaklaşık 20 nm) kalıntıları manyetik görüntüleme amaçları için yeterli ama lithographical işleminin.
Negatif resist litografi tekniği yapıları ile 7 aşağı bir kararlılık olarak daha yüksek bir çözünürlük sunuyor nm resist yazılı olabilir. Malzeme sonra uzağa kazınmış yaparak iyon veya ıslak gravür oyma ışınlayın. Bu yaklaşım ile sorun resist gravür sonra kaldırmak zor olmasıdır. Onlar çok kolay okside sık kullanılan oksijen plazma resist sıyırma ince permalloy yapıları söz konusu olduğunda, mümkün değildir. Bu gerçeği, gölgeleme tekniği kullanmaya gerek birlikte bu eser kullanılan olumlu litografi sürecin yanadır.
Biz bu gazetede bir sirkülasyon bir MTXM10,11 tarafından geçiş sırasında manyetik girdaplar dinamikleri gözlem ve çeşitli çekirdekleşme Birleşik17 gözlenmesi için açıklanan yöntemleri tarafından hazırlanan örnekleri kullanılır . Bu deneyler membranlar üzerinde lithographically hazır yapıları gerektiren daha fazla türleri için genişletilebilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma mali Grant Ajansı (Proje No 15-34632 L) Çek Cumhuriyeti ve CEITEC Nano + proje, kimliği CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728 tarafından desteklenmiştir. Örnek imalat ve madde ölçüm CEITEC Nano araştırma altyapısı (kimliği LM2015041, yapsa CR 2016-2019) gerçekleştirilmiştir. Meena Dhankhar Brno doktora yetenek burs tarafından desteklenmiştir.
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).
