專利名稱:自旋極化隧道原子力顯微成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法，屬于超高分辨磁敏感顯像技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
賓尼和Rohrer在二十世紀(jì)八十年代早期發(fā)明的掃描隧道顯微鏡是表面科學(xué)領(lǐng)域的一場革命。參見賓尼等，掃描隧道顯微技術(shù)，瑞士物理學(xué)報(bào)，55卷，1982年(G.Binnigand H.Rohrer，Helv，Scanning Tunneling Microscopy，.Phys.Acta 55，(1982))；賓尼等，用掃描隧道顯微技術(shù)研究表面，物理快報(bào)評論，49卷，57頁，1982年(G.Binnig，et al，Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy，Phys.Rev.Lett.49，57(1982))；在實(shí)空間解決硅(111)面7×7重構(gòu)，賓尼等，物理快報(bào)評論，50卷，120頁，1983年(7×7 Reconstruction on Si(111)Resolved in Real Space，G.Binnig，et a1，Phys.Rev.Lett.50，120(1983))；賓尼等，掃描隧道顯微技術(shù)-從誕生到青春期，現(xiàn)代物理評論，59卷，615頁，1987年(G.Binnig，et al，Scanning tunneling microscopy-from birth toadolescence，Rev.Mod.Phys.59，615(1987))。它利用控制系統(tǒng)控制導(dǎo)電掃描探針接近導(dǎo)電樣品，同時(shí)在針尖和樣品之間施加一個(gè)小的偏壓。當(dāng)針尖和樣品的距離足夠小時(shí)，在樣品和針尖之間就會有隧道電流產(chǎn)生。電流的大小隨針尖和樣品之間的距離增大而呈指數(shù)衰減，大約距離每增大1，電流就減小一個(gè)數(shù)量級，因此隧道電流的大小取決于離樣品最近的針尖原子與樣品之間電子隧穿。當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，控制系統(tǒng)測量針尖樣品間的隧道電流大小并通過調(diào)節(jié)探針z方向位置，也就是說調(diào)節(jié)針尖-樣品間距離來保持針尖和樣品之間的電流大小為一恒定值，記錄掃描過程中探針的位置坐標(biāo)，就得到了原子級分辨率的樣品表面形貌，參見掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用，白春禮，上?？萍汲霭嫔?，1992或其它掃描隧道顯微技術(shù)文獻(xiàn)。但是，由于掃描隧道顯微鏡只能應(yīng)用于導(dǎo)電樣品表面，為了獲得超高分辨的絕緣體表面形貌，1986年，賓尼等發(fā)明了原子力顯微鏡。見賓尼等，原子力顯微鏡，物理快報(bào)評論，56卷，930頁，1986年(G.Binnig，et al，Atomic Force Microscope，Phys.Rev.Lett.56，930(1986))。原子力顯微鏡采用彈性微懸臂，微懸臂一端連接控制系統(tǒng)，另一端為針尖，懸臂背面為光滑平面。當(dāng)掃描時(shí)，控制系統(tǒng)控制探針接近樣品表面，當(dāng)針尖和樣品的距離足夠小時(shí)，針尖-樣品原子間的排斥力使彈性微懸臂彎曲。懸臂的彎曲量采用激光反饋系統(tǒng)來探測，一束激光打在懸臂上，被懸臂背面反射到探測器上，探測器探測懸臂的彎曲量并將其反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)調(diào)整探針z方向的位置使懸臂彎曲量恒定，記錄掃描過程中探針的位置坐標(biāo)，就得到了超高分辨乃至原子級分辨率的樣品表面形貌，參見白春禮等《掃描力顯微術(shù)》，科學(xué)出版社，2000。
樣品表面形貌之外，另一個(gè)夢想就是探測樣品表面局域磁化強(qiáng)度，從而對樣品表面磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高分辨率乃至原子級分辨率成像。無論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究，都迫切的需要超高分辨的磁敏感成像技術(shù)。比如在基礎(chǔ)研究方面，超高分辨率的磁敏感成像技術(shù)為探索微磁(連續(xù)介質(zhì))理論的細(xì)節(jié)提供了可能，微磁(連續(xù)介質(zhì))理論通常被用于模擬磁有序介質(zhì)中的磁疇壁。還有，在二維反鐵磁薄膜中，最近鄰原子具有相反的磁矩方向已經(jīng)被提出很長時(shí)間了，但是由于以前沒有可以達(dá)到原子級分辨率的超高分辨磁敏感成像技術(shù)，所以在不久前自旋極化掃描隧道顯微鏡發(fā)明以前，一直沒有得到反鐵磁表面原子級分辨率的磁圖像。在應(yīng)用研究方面，最主要的就是超高密度磁存儲器件的分析和表征。隨著存儲密度的飛速發(fā)展，硬磁盤的位長最遲將在3-5年達(dá)到10nm左右，可以對磁存儲介質(zhì)和磁頭表征和控制的超高分辨磁敏感成像技術(shù)的需求變得越來越迫切。
現(xiàn)有的磁敏感顯像技術(shù)的分辨率，除了自旋極化掃描隧道顯微鏡外，其它現(xiàn)有的磁敏感成像技術(shù)的最佳空間分辨率不是小于位長，就是與位長相當(dāng)，這使得這些技術(shù)不可能應(yīng)用超高密度存儲器件的表征。
表1、現(xiàn)有磁敏感顯像技術(shù)及其最佳分辨率(參見中國科學(xué)院物理所博士論文張臻蓉，2002)


自旋極化掃描隧道顯微技術(shù)有兩種不同的概念，一種采用GaAs針尖，另一種采用磁性針尖。其中第二種已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究。其原理是類似于掃描隧道顯微技術(shù)，不同的是它采用磁性針尖，當(dāng)針尖和樣品都為磁性時(shí)，隧道電流可以表示為I(r→T,U,θ)=I0(r→T,U)+ISP(r→T,U,θ)]]>可以看出，道電流分為非自旋極化電流和自旋極化電流兩部分，非自旋極化電流大小與所施加偏壓大小和針尖原子與樣品表面原子間距離有關(guān)，與樣品表面磁性質(zhì)無關(guān)。自旋極化電流除與上述兩項(xiàng)有關(guān)外，還與針尖及樣品表面的磁性質(zhì)有關(guān)，隨樣品表面的磁性質(zhì)變化而變化。目前自旋極化掃描隧道顯微鏡主要有三種運(yùn)行模式一、恒電流模式，在針尖樣品間施加一恒定偏壓，保持隧道電流在掃描過程中為一恒定值，記錄掃描過程中探針的位置坐標(biāo)得到實(shí)驗(yàn)圖像。但是由于自旋極化電流和非自旋極化電流沒有分離，為了得到樣品表面的磁信息，需要仔細(xì)比較在同一區(qū)域用磁性針尖和非磁性針尖得到的圖像，非常困難。第二種，微分電導(dǎo)模式，在針尖樣品間施加一恒定偏壓的基礎(chǔ)上施加一小幅交變電壓，測量電流變化與電壓變化的比值。但是由于反饋信號與信息信號仍然都是電流，正確分離磁信號與形貌信號仍比較困難。第三種，在針尖上纏繞一個(gè)小線圈，通過改變小線圈電流方向來周期性變化針尖的磁化方向。但是由于針尖十分微小，在針尖上纏繞線圈技術(shù)上十分復(fù)雜，并且小線圈產(chǎn)生的磁場很可能會影響到樣品表面的磁性質(zhì)，而使獲得的樣品表面磁信息不真實(shí)。參見伯德，自旋極化掃描隧道顯微技術(shù)，物理進(jìn)展報(bào)告，66卷，523頁，2003年(M.Bode，Spin-polarized scanning tunneling microscopy，Rep.Prog.Phys.66，523(2003))。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的磁敏感顯像技術(shù)難以得到形貌信息與磁信息正確分離的超高分辨率圖像的不足，本發(fā)明提供一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法。
本發(fā)明自旋極化隧道原子力顯微成像方法，包括使用激光反饋系統(tǒng)、探測器、帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針、微懸臂、控制系統(tǒng)、樣品和樣品臺，步驟如下(1)采用帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針，帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針中的微懸臂一端連接控制系統(tǒng)，另一端為磁性針尖，控制系統(tǒng)控制帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針接近樣品，磁性針尖原子和樣品表面原子間產(chǎn)生的原子力使微懸臂彎曲，(2)使激光照在光滑的微懸臂背面再反射到探測器，探測器探測微懸臂的彎曲量，(3)將彎曲量通過激光反饋系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)調(diào)整帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針垂直于樣品表面z方向位置，改變磁性針尖與樣品間力的大小，從而改變微懸臂的彎曲量，控制掃描過程中微懸臂的彎曲量為一恒定值，即控制磁性針尖原子和樣品表面原子間的排斥力恒定，也就控制了磁性針尖和樣品表面距離恒定，通過記錄掃描時(shí)帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針的位置坐標(biāo)x、y、z，可得到樣品表面的三維形貌圖像；(4)掃描的同時(shí)，在樣品上施加一恒定偏壓，當(dāng)磁性針尖和樣品都為磁性時(shí)，隧道電流為I(r→T,U,θ)=I0(r→T,U)+ISP(r→T,U,θ),]]>I0是非自旋極化電流，ISP是自旋極化電流，測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標(biāo)x、y和對應(yīng)的總隧道電流值，得到樣品磁敏感信息成像。
上述在樣品上施加一恒定偏壓之后，在恒定偏壓的基礎(chǔ)上施加一小幅交變電壓。根據(jù)dIdU(r→T,U)∝nTnS(r→T,EF+eU)+m→Tm→S(r→T,EF+eU)]]>其中n是非自旋極化局域態(tài)密度，
是自旋極化局域態(tài)密度矢量。記錄平面位置坐標(biāo)x、y和對應(yīng)的微分電導(dǎo)ΔI/ΔU值，得到樣品磁敏感信息成像。
本發(fā)明的方法原理詳細(xì)說明如下在測量時(shí)，利用控制系統(tǒng)控制帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針接近樣品。當(dāng)磁性針尖樣品間距離足夠近時(shí)，磁性針尖原子和樣品表面原子間產(chǎn)生的原子力，使微懸臂彎曲。力的大小與磁性針尖和樣品原子間距離強(qiáng)烈相關(guān)，隨距離增大而急劇減小。用激光照在懸臂背面，懸臂背面為光滑平面，將激光反射到探測器，用探測器探測懸臂的彎曲量，并通過激光反饋系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)調(diào)整探針垂直于樣品表面方向(z方向)位置，改變磁性針尖-樣品間力的大小，從而改變微懸臂的彎曲量?？刂茠呙柽^程中微懸臂的彎曲量為一恒定值，即控制磁性針尖原子和樣品表面原子間的排斥力恒定。由于原子間的排斥力的大小與磁性針尖-樣品原子間距離強(qiáng)烈相關(guān)，控制磁性針尖原子與樣品表面力恒定也就控制了磁性針尖和樣品表面距離恒定。通過記錄掃描時(shí)帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針的位置坐標(biāo)x、y、z，就可得到樣品表面的三維形貌圖像；同時(shí)，在樣品上施加一恒定偏壓，根據(jù)量子理論，在樣品和磁性針尖之間就會有隧道電流產(chǎn)生。當(dāng)磁性針尖和樣品都為磁性時(shí)，根據(jù)瓦特曼等用自旋極化掃描隧道顯微技術(shù)解決復(fù)雜的原子級自旋結(jié)構(gòu)[載于物理快報(bào)評論，2001年，86卷，4132頁(Wortmann D，et al，Resolving Complex Atomic-Scale Spin Structures by Spin-Polarized Scanning TunnelingMicroscopy，Phys.Rev.Lett.2001864132)]的工作，當(dāng)針尖和樣品都為磁性時(shí)，隧道電流可以表示為I(r→T,U,θ)=I0(r→T,U)+ISP(r→T,U,θ)]]>隧道電流包括非自旋極化電流I0和自旋極化電流ISP兩部分。非自旋極化電流I0與施加的偏壓大小及磁性針尖-樣品間距離有關(guān)，當(dāng)磁性針尖在樣品表面掃描時(shí)，磁性針尖原子和樣品表面原子間距離恒定，偏壓恒定，即非自旋極化電流I0保持恒定，而自旋極化電流ISP除與施加的偏壓大小及磁性針尖-樣品間距離有關(guān)外，還與磁性針尖及樣品表面磁性質(zhì)有關(guān)，在掃描過程中，隨樣品表面磁性質(zhì)改變而變化。測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標(biāo)x、y和對應(yīng)的總隧道電流值，就實(shí)現(xiàn)了樣品磁敏感信息成像。通過同時(shí)利用磁性針尖-樣品間的力和隧道電流，成功地將自旋極化電流與非自旋極化電流分離。
上述在樣品上施加一恒定偏壓之后，在恒定偏壓的基礎(chǔ)上施加一小幅交變電壓。根據(jù)瓦特曼等“用自旋極化掃描隧道顯微技術(shù)解決復(fù)雜的原子級自旋結(jié)構(gòu)”，[載于物理快報(bào)評論，2001年，86卷，4132頁(Wortmann D，et al，Resolving Complex Atomic-Scale SpinStructures by Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy，Phys.Rev.Lett.2001 864132)]概括的特索夫和哈曼的掃描隧道顯微鏡理論，[載于物理評論B，1985年，31卷，805頁(TersoffJ and Hamann D R，Theory of the scanning tunneling microscope，1985Phys.Rev.B 31805)]理論，dIdU(r→T,U)∝nTnS(r→T,EF+eU)+m→Tm→S(r→T,EF+eU)]]>其中n是非自旋極化局域態(tài)密度，
是自旋極化局域態(tài)密度矢量。在掃描過程中，非自旋極化部分不隨樣品表面磁性質(zhì)改變而變化，自旋極化部分隨樣品表面磁性質(zhì)改變而變化。記錄平面位置坐標(biāo)x、y和對應(yīng)的微分電導(dǎo)ΔI/ΔU值，就實(shí)現(xiàn)了樣品磁敏感信息成像。
本發(fā)明的有益效果是，可以同時(shí)得到超高分辨的樣品表面形貌和磁敏感圖像，技術(shù)上簡單，能夠?qū)Υ判圆牧蠘悠繁砻嫦嗤瑓^(qū)域同時(shí)得到超高分辨乃至原子分辨率的形貌信息和磁信息的對應(yīng)圖像。本發(fā)明是一種新型的磁敏感顯像成像方法，不僅可以正確將樣品表面的形貌信息與磁信息分離，而且可以達(dá)到超高乃至原子級的分辨率。



圖1是本發(fā)明的自旋極化隧道原子力顯微成像方法示意圖。
圖中1.激光反饋系統(tǒng)，2.探測器，3.激光，4.帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針，5.磁性針尖，6.微懸臂，7.控制系統(tǒng)，8.樣品，9.樣品臺，10.偏壓。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，采用帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針4，微懸臂6一端連接控制系統(tǒng)7，另一端為磁性針尖5，利用控制系統(tǒng)7控制帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針4接近單晶鈷樣品8，磁性針尖原子和樣品8表面原子間產(chǎn)生的原子力使微懸臂6彎曲，激光3照在光滑的微懸臂6背面再反射到探測器2，利用激光反饋系統(tǒng)1探測微懸臂6的形變量并反饋給控制系統(tǒng)7，控制系統(tǒng)7控制掃描過程中微懸臂6的形變量恒定，控制系統(tǒng)7記錄掃描過程中帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針4的位置坐標(biāo)，得到單晶鈷樣品8的表面形貌；同時(shí)，在單晶鈷樣品8上施加一恒定偏壓(0.2伏)10，記錄總隧道電流隨單晶鈷樣品8位置的變化，可以同時(shí)得到單晶鈷樣品8表面磁敏感圖像。
實(shí)施例2如圖1所示，利用控制系統(tǒng)7控制帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針4接近單晶鈷樣品8，利用激光反饋系統(tǒng)1探測微懸臂6的形變量并反饋給控制系統(tǒng)7，控制系統(tǒng)7控制掃描過程中微懸臂6的形變量恒定，控制系統(tǒng)7記錄掃描過程中帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針4的位置坐標(biāo)，得到單晶鈷樣品8的表面形貌；同時(shí)，在單晶鈷樣品8上施加一恒定偏壓(0.2伏)10，在恒定偏壓的基礎(chǔ)上施加一小幅交變電壓(±20mV)10，記錄磁性針尖5在樣品8表面不同位置掃描時(shí)，隧道電流變化與電壓變化的比值ΔI/ΔU，可以同時(shí)得到單晶鈷樣品8表面磁敏感圖像。
權(quán)利要求
1.一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法，包括使用激光反饋系統(tǒng)、探測器、帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針、微懸臂、控制系統(tǒng)、樣品和樣品臺，其特征在于，步驟如下(1)采用帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針，帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針中的微懸臂一端連接控制系統(tǒng)，另一端為磁性針尖，控制系統(tǒng)控制帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針接近樣品，磁性針尖原子和樣品表面原子間產(chǎn)生的原子力使微懸臂彎曲，(2)使激光照在光滑的微懸臂背面再反射到探測器，探測器探測微懸臂的彎曲量，(3)將彎曲量通過激光反饋系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)調(diào)整帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針垂直于樣品表面z方向位置，改變磁性針尖與樣品間力的大小，從而改變微懸臂的彎曲量，控制掃描過程中微懸臂的彎曲量為一恒定值，即控制磁性針尖原子和樣品表面原子間的排斥力恒定，也就控制了磁性針尖和樣品表面距離恒定，通過記錄掃描時(shí)帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微探針的位置坐標(biāo)x、y、z，可得到樣品表面的三維形貌圖像；(4)掃描的同時(shí)，在樣品上施加一恒定偏壓，當(dāng)磁性針尖和樣品都為磁性時(shí)，隧道電流為I(rT→,U,θ)=I0(rT→,U)+ISP(rT→,U,θ),]]>I0是非自旋極化電流，ISP是自旋極化電流，測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標(biāo)x、y和對應(yīng)的總隧道電流值，得到樣品磁敏感信息成像。
2.如權(quán)利要求
1所述的自旋極化隧道原子力顯微成像方法，其特征在于，在樣品上施加一恒定偏壓之后，在恒定偏壓的基礎(chǔ)上施加一小幅交變電壓，根據(jù)dIdU(rT→,U)∝nTnS(rT→,EF+eU)+mT→mS→(rT→,EF+eU)]]>其中n是非自旋極化局域態(tài)密度，
是自旋極化局域態(tài)密度矢量，記錄平面位置坐標(biāo)x、y和對應(yīng)的微分電導(dǎo)ΔI/ΔU值，得到樣品磁敏感信息成像。
專利摘要
一種自旋極化隧道原子力顯微成像方法，屬于超高分辨磁敏感顯像技術(shù)領(lǐng)域：
。采用帶有磁性針尖的導(dǎo)電彈性微懸臂，懸臂一端連接控制系統(tǒng)，另一端為磁性針尖，控制系統(tǒng)控制探針接近樣品，針尖原子和樣品表面原子間產(chǎn)生的原子力使微懸臂彎曲，激光照在光滑的懸臂背面再反射到探測器，并通過反饋系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，通過記錄掃描時(shí)探針的位置坐標(biāo)x、y、z，可得到樣品表面的三維形貌圖像。在樣品上施加一恒定偏壓，測量掃描過程中總隧道電流的變化，記錄平面位置坐標(biāo)(x，y)和對應(yīng)的總隧道電流值，得到樣品磁敏感信息成像。本發(fā)明的磁敏感顯像技術(shù)不僅可以正確將樣品表面的形貌信息與磁信息分離，而且可以達(dá)到超高乃至原子級的分辨率。
文檔編號G01Q60/40GKCN1272619SQ200410023584
公開日2006年8月30日 申請日期2004年2月18日
發(fā)明者韓圣浩, 龐智勇 申請人:山東大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan