Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия

Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия ( СП-СТМ ) — это тип сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который может предоставить подробную информацию о магнитных явлениях в масштабе одного атома в дополнение к атомной топографии, полученной с помощью СТМ. СП-СТМ открыл новый подход к статическим и динамическим магнитным процессам, таким как точные исследования доменных стенок в ферромагнитных и антиферромагнитных системах, а также термическое и токовое переключение наномагнитных частиц.

Принцип действия

Чрезвычайно острый наконечник, покрытый тонким слоем магнитного материала, систематически перемещается по образцу. Между наконечником и образцом подается напряжение, позволяющее электронам туннелировать между ними, что приводит к возникновению тока. При отсутствии магнитных явлений сила этого тока является показателем локальных электронных свойств.

Если наконечник намагничивается, электроны со спинами, соответствующими намагниченности наконечника, будут иметь более высокий шанс туннелирования. Это по сути эффект туннельного магнитосопротивления , а наконечник/поверхность по сути действуют как спиновый клапан .

Поскольку сканирование с использованием только намагниченного наконечника не может различать изменения тока из-за намагничивания или разделения пространства, необходимо использовать многодоменные структуры и/или топографическую информацию из другого источника (часто обычного STM). Это делает возможным магнитное изображение вплоть до атомного масштаба, например, в антиферромагнитной системе. Топографическую и магнитную информацию можно получить одновременно, если намагниченность наконечника модулировать на высокой частоте (20–30 кГц) с помощью небольшой катушки, намотанной вокруг наконечника. Таким образом, намагниченность наконечника переворачивается слишком быстро для того, чтобы контур обратной связи STM мог отреагировать, и топографическая информация получается нетронутой. Высокочастотный сигнал разделяется с помощью синхронного усилителя , и этот сигнал предоставляет магнитную информацию о поверхности.

В стандартной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) вероятность туннелирования электронов между зондом и образцом сильно зависит от расстояния между ними, поскольку она экспоненциально убывает по мере увеличения расстояния. В спин-поляризованной СТМ (СП-СТМ) туннельный ток также зависит от спиновой ориентации зонда и образца. Локальная плотность состояний (LDOS) магнитного зонда и образца различна для разных спиновых ориентаций, и туннелирование может происходить только между состояниями с параллельным спином (игнорируя процессы переворота спина ). Когда спин образца и зонда параллельны, существует много доступных состояний, в которые электроны могут туннелировать, что приводит к большому туннельному току. С другой стороны, если спины антипараллельны, большинство доступных состояний уже заполнены, и туннельный ток будет значительно меньше. С помощью SP-STM можно затем исследовать спин-зависимую локальную плотность состояний магнитных образцов, измеряя туннельную проводимость , которая для малого смещения задается как ^[1] ​​где - туннельная проводимость в немагнитном случае, - туннельный матричный элемент, который описывает переходы между спин-зависимыми состояниями острия и образца, , , и , - полные плотности состояний и поляризации для острия (t) и образца (s) соответственно, и - угол между направлениями намагниченности острия и образца. В немагнитном пределе ( или ) это выражение сводится к модели Терсоффа и Хаманна для стандартной туннельной проводимости СТМ. ^[1] ${\displaystyle G=\mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ $${\displaystyle G=2\pi ^{2}G_{0}|M_{0}|^{2}n_{\mathrm {t} }n_{\mathrm {s} }\left(1+P_{\mathrm {t} }P_{\mathrm {s} }\cos \theta \right),}$$ ${\textstyle G_{0}}$ ${\textstyle M_{0}}$ ${\textstyle n_{\mathrm {t} }}$ ${\textstyle P_{\mathrm {t} }}$ ${\textstyle n_{\mathrm {s} }}$ ${\textstyle P_{\mathrm {s} }}$ ${\textstyle \theta }$ ${\textstyle P_{t}=0}$ ${\textstyle P_{s}=0}$

В более общем случае, при конечном напряжении смещения , выражение для туннельного тока в месте расположения острия становится где является константой, обратная длина распада волновой функции электрона , и, а заряд и масса электрона, соответственно, являются интегрированной по энергии LDOS острия, и , и являются соответствующими векторами намагниченности спин-поляризованного LDOS. Туннельный ток является суммой спин-независимых , и спин-зависимых частей. ^[2] ${\textstyle U}$ ${\textstyle \mathbf {r} }$ $${\displaystyle I\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)=I_{0}\left(\mathbf {r} ,U\right)+I_{d}\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)={\frac {4\pi ^{3}C^{2}\hslash ^{3}e}{\kappa ^{2}m^{2}}}\left[n_{\mathrm {t} }{\tilde {n}}_{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)+\mathbf {m} _{\mathrm {t} }\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)\right],}$$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \kappa }$ ${\textstyle e}$ ${\textstyle m}$ ${\textstyle {\tilde {n}}_{\mathrm {s} }}$ ${\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}$ ${\displaystyle \mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }}$ ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle I_{d}}$

Принцип работы спин-поляризованного сканирующего туннельного микроскопа. В магнитных материалах плотность состояний разделена между различными ориентациями спина, и туннельный ток наиболее силен, когда спин образца параллелен спину острия.

Подготовка наконечника зонда

Самым важным компонентом в установке SP-STM является наконечник зонда, который должен быть атомарно острым, чтобы обеспечить пространственное разрешение вплоть до атомного уровня, иметь достаточно большую спиновую поляризацию, чтобы обеспечить достаточное отношение сигнал/шум , но в то же время иметь достаточно малое рассеянное магнитное поле, чтобы обеспечить неразрушающее магнитное зондирование образца, и, наконец, ориентация спина на вершине наконечника должна контролироваться, чтобы определить, какая ориентация спина образца отображается. Чтобы предотвратить окисление, подготовка наконечника обычно должна проводиться в сверхвысоком вакууме (СВВ). Существует три основных способа получения наконечника зонда, подходящего для измерений SP-STM:

1. Объемный магнитный материал (например, железо ) сначала электрохимически травится для формирования сужения, и по мере того, как материал растягивается, он ломается в сужении, образуя острый наконечник. В качестве альтернативы материал можно травить до тех пор, пока не сформируется наконечник, но затем потребуется процедура очистки наконечника в сверхвысоком вакууме. Железо имеет высокую намагниченность насыщения, что приводит к большему полю рассеяния вокруг наконечника, что означает, что неразрушающая визуализация невозможна. Железные наконечники можно использовать для измерения антиферромагнитных или ферримагнитных образцов. Аморфные сплавы, такие как имеют более низкую намагниченность насыщения, но все еще неисчезающие поля рассеяния. Для неразрушающей визуализации наконечники могут быть изготовлены из антиферромагнитных материалов, таких как или , однако в этом случае спиновый контраст изображения приносится в жертву из-за туннельных токов из в различные спиновые состояния, частично компенсирующие друг друга. ^{[3] [4]} ${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$ ${\textstyle {\ce {Cr}}}$ ${\textstyle {\ce {MnNi}}}$
2. Немагнитный наконечник с ультратонкой пленкой магнитного материала. Немагнитный материал сначала протравливается и очищается с помощью электронной бомбардировки 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 материал пленки и толщину, наконечник можно подготовить для зондирования как магнитных направлений в плоскости, так и вне плоскости. Для ферромагнитных тонких пленок можно использовать внешнее магнитное поле для наклона намагниченности, что позволяет установке измерять оба направления одним и тем же наконечником. Для повышения пространственного разрешения можно приложить напряжение смещения между наконечником и образцом, что заставляет атомы тонкой пленки мигрировать к вершине наконечника, делая его более острым. Даже при осаждении тонкой пленки наконечник все равно будет нести магнитное поле рассеяния, которое может возмущать образец. ^{[5] [6]}
3. Немагнитный наконечник с кластером магнитного материала. В этом методе импульсы напряжения прикладываются между немагнитным наконечником и магнитным образцом, что заставляет магнитный материал образца прикрепляться к наконечнику. Направление намагничивания можно изменить, прикладывая дополнительные импульсы напряжения. В качестве альтернативы наконечник можно окунуть в магнитный материал, а затем отвести, оставив кластер прикрепленным к наконечнику, предполагая, что магнитный материал должным образом смачивает наконечник. Размер наконечника не контролируется, как при осаждении сверхтонкой пленки. ^{[7] [8]}

Режимы работы

SP-STM может работать в одном из трех режимов: постоянный ток и спектроскопический режим, которые похожи на стандартные режимы работы STM, но с разрешением по спину, или режим модулированной намагниченности наконечника, который уникален для измерений SP-STM. В режиме постоянного тока разделение наконечника и образца поддерживается постоянным с помощью электрической обратной петли. Измеряемый туннельный ток состоит из усредненных по спину и зависящих от спина компонентов ( ), которые можно разложить из данных. Туннельный ток в основном определяется наименьшим ненулевым вектором обратной решетки , что означает, что, поскольку магнитные сверхструктуры обычно имеют самые длинные реальные пространственные периодичности (и, следовательно, самые короткие обратные пространственные периодичности), вносят наибольший вклад в спин-зависимый туннельный ток . Таким образом, SP-STM является превосходным методом для наблюдения магнитной структуры, а не атомной структуры образца. Недостатком является то, что в режиме постоянного тока трудно изучать масштабы, большие, чем атомные, поскольку топографические особенности поверхности могут мешать магнитным особенностям, что очень затрудняет анализ данных. ^{[9] [1]} ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {d} }}$

Второй режим работы — это спектроскопический режим со спиновым разрешением, который измеряет локальную дифференциальную туннельную проводимость как функцию напряжения смещения и пространственных координат острия. Спектроскопический режим может использоваться в условиях постоянного тока, в которых разделение образца и острия изменяется, что приводит к суперпозиции топографической и электронной информации, которую затем можно разделить. Если спектроскопический режим используется с постоянным разделением острия и образца, измеренное значение напрямую связано с разрешенной по спину LDOS образца, тогда как измеренный туннельный ток пропорционален интегрированной по энергии спин-поляризованной LDOS. Объединив спектроскопический режим с режимом постоянного тока, можно получить как топографические, так и разрешенные по спину поверхностные данные. ^[1] ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ ${\displaystyle I}$

В-третьих, SP-STM может использоваться в режиме модулированного намагничивания, в котором намагниченность наконечника периодически переключается, что приводит к туннельному току, пропорциональному локальной намагниченности образца. Это позволяет ему отделять магнитные особенности от электронных и топографических особенностей. Поскольку спин-поляризованный LDOS может изменять не только величину, но и знак в зависимости от энергии, измеренный туннельный ток может исчезнуть, даже если в образце имеется конечная намагниченность. Таким образом, необходимо также изучить зависимость смещения спин-поляризованного туннельного тока в режиме модулированного намагничивания. Только ферромагнитные наконечники подходят для режима модулированного намагничивания, что означает, что их поля рассеяния могут сделать неразрушающую визуализацию невозможной. ^[10]

Применение SP-STM

Сканирующий туннельный микроскоп со спиновой поляризацией является универсальным инструментом, который привлек огромное внимание благодаря своей повышенной поверхностной чувствительности и латеральному разрешению вплоть до атомного масштаба, и может использоваться в качестве важного инструмента для изучения ферромагнитных материалов, таких как диспрозий (Dy), квазидвумерные тонкие пленки, наноострова и квазиодномерные нанопроволоки, которые обладают высокой магнитной анизотропией и т. д. В исследовании, проведенном Л. Бербил-Баутиста и др. ^[11], магнитная доменная стенка или стенка Нееля шириной 2-5 нм, присутствующая в этих материалах, наблюдается путем поднесения покрытого хромом (Cr) вольфрамового наконечника близко к слою Dy. Это вызывает перенос частиц Dy из магнитного материала на вершину наконечника. Ширина доменной стенки рассчитывается как , где - обменная жесткость. Магнитный контраст усиливается из-за наличия электронных состояний, которые не заняты в кластере атомов Dy, присутствующих на вершине наконечника. ^[11] Формирование 360° доменных стенок в ферромагнитных пленках играет важную роль в создании устройств магнитной памяти с произвольным доступом . Эти доменные стенки образуются, когда внешнее магнитное поле прикладывается вдоль легкого направления магнитного материала. Это заставляет две 180° стенки, которые также имеют одинаковое направление вращения, сближаться. В исследовании, проведенном А. Кубецкой и др. ^[12] , SP-STM использовался для измерения эволюции профилей 360° доменных стенок двух атомных слоев железных нанопроводов путем изменения внешнего магнитного поля в диапазоне 550-800 мТл. ^[12] $${\displaystyle {\displaystyle w={\sqrt {2(A/k)}}},}$$ ${\textstyle A}$

Явления квантовой интерференции наблюдались в островках кобальта , осажденных на подложке из меди (111). Это объясняется тем фактом, что рассеяние вызвано дефектами электронов поверхностного состояния , такими как края террас, примеси или адсорбаты, присутствующие на плотно упакованной поверхности благородного металла. Спин-поляризованная СТМ использовалась для исследования электронной структуры треугольных островков кобальта, осажденных на меди (111). Это исследование показывает, что подложка и островки демонстрируют свои индивидуальные модели стоячих волн, и это можно использовать для поиска спин-поляризованного материала. ^[13]

Новые достижения в области SP-STM

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

Новые достижения в SP-STM показывают, что этот метод может быть дополнительно 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 из вольфрама (W)) вызывают образование спин-поляризованных волн. Адсорбированная примесь кислорода на двойном слое железа может быть использована для изучения взаимодействия между примесями Кондо на взаимодействии RKKY . Это исследование показывает, что анизотропные состояния рассеяния могут наблюдаться вокруг отдельных атомов кислорода, адсорбированных на двойном слое железа. Это дает информацию о спиновых характеристиках электронных состояний, участвующих в процессе рассеяния. ^[14]

Аналогично, существование 2D антиферромагнетизма на границе раздела марганца (Mn) и W(110) было обнаружено с помощью техники SP-STM. Важность этого исследования заключается в том, что шероховатость атомного масштаба на границе раздела между Mn и W(110) вызывает фрустрацию в магнитном взаимодействии, и это приводит к появлению сложных спиновых структур, которые невозможно изучить с помощью других методов. ^[15]

Альтернативный метод

Другой способ получить распределение намагниченности — заставить наконечник обеспечивать сильный поток спин-поляризованных электронов. Один из методов достижения этого — направить поляризационный лазерный свет на наконечник GaAs , который производит спин-поляризованные электроны из-за спин-орбитальной связи. Затем наконечник сканируется вдоль образца, как и обычный СТМ. ^[16] Одним из ограничений этого метода является то, что наиболее эффективный источник спин-поляризованных электронов получается, когда падающий лазерный свет светит прямо напротив наконечника, т. е. через сам образец. Это ограничивает метод измерением тонких образцов.

Смотрите также

• Микроскопия
• Сканирующая зондовая микроскопия
• Сканирующая туннельная микроскопия
• Спиновый клапан
• Туннельное магнитосопротивление

Ссылки

1. Wiesendanger, Roland (2009-11-18). "Спиновое картирование в наномасштабе и атомном масштабе". Reviews of Modern Physics . 81 (4): 1495–1550. Bibcode : 2009RvMP...81.1495W. doi : 10.1103/RevModPhys.81.1495.
2. Вортманн, Д.; Хайнце, С.; Курц, Ф.; Бильмайер, Г.; Блюгель, С. (2001-04-30). «Разрешение сложных спиновых структур атомного масштаба с помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии» (PDF) . Physical Review Letters . 86 (18): 4132–4135. Bibcode :2001PhRvL..86.4132W. doi :10.1103/PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
3. Wiesendanger, R. ; Bürgler, D.; Tarrach, G.; Schaub, T.; Hartmann, U.; Güntherodt, H.-J.; Shvets, IV; Coey, JMD (1991-11-01). "Последние достижения в сканирующей туннельной микроскопии с использованием магнитных зондов и образцов". Applied Physics A . 53 (5): 349–355. Bibcode :1991ApPhA..53..349W. doi :10.1007/BF00348147. ISSN  0947-8396.
4. Wulfhekel, W; Hertel, R; Ding, HF; Steierl, G; Kirschner, J (2002). «Аморфные, низкомагнитострикционные наконечники для спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 249 (1–2): 368–374. Bibcode : 2002JMMM..249..368W. doi : 10.1016/s0304-8853(02)00560-7. ISSN  0304-8853.
5. Боде, М.; Паскаль, Р. (1997). «Сканирующая туннельная спектроскопия Fe/W(110) с использованием покрытых железом зондовых наконечников». Журнал вакуумной науки и технологии A. 15 ( 3): 1285–1290. Bibcode : 1997JVSTA..15.1285B. doi : 10.1116/1.580577.
6. Getzlaff, M.; Bode, M.; Heinze, S.; Pascal, R.; Wiesendanger, R. (1998). «Температурно-зависимое обменное расщепление магнитного поверхностного состояния Gd(0001)». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 184 (2): 155–165. Bibcode : 1998JMMM..184..155G. doi : 10.1016/s0304-8853(97)01140-2. ISSN  0304-8853.
7. Ямада, TK (2003). «Использование импульсов напряжения для обнаружения спин-поляризованного туннелирования». Appl. Phys. Lett . 82 (9): 1437–1439. Bibcode :2003ApPhL..82.1437Y. doi : 10.1063/1.1556958 .
8. Бинниг, Герд (1987). «Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения до юности». Reviews of Modern Physics . 59 (3): 615–625. Bibcode :1987RvMP...59..615B. doi : 10.1103/RevModPhys.59.615 .
9. Бинниг, Герд; Рорер, Генрих (1987-07-01). "Сканирующая туннельная микроскопия --- от рождения до юности". Reviews of Modern Physics . 59 (3): 615–625. Bibcode :1987RvMP...59..615B. doi : 10.1103/RevModPhys.59.615 .
10. Вульфхекель, Вульф; Киршнер, Юрген (1999). "Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия на ферромагнетиках". Appl. Phys. Lett . 75 (13): 1944. Bibcode :1999ApPhL..75.1944W. doi : 10.1063/1.124879 .
11. Berbil-Bautista, L. (2007). "Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия ферромагнитных пленок Dy(0001)/W(110)". Physical Review B. 76 ( 6): 064411. Bibcode : 2007PhRvB..76f4411B. doi : 10.1103/PhysRevB.76.064411.
12. Kubetzka, A. (2003). "Исследование методом спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии". Physical Review B. 67 ( 2): 020401. Bibcode : 2003PhRvB..67b0401K. doi : 10.1103/PhysRevB.67.020401.
13. Питч, О. (2006). "Спин-разрешенная электронная структура наномасштабных островов кобальта на Cu(111)". Physical Review Letters . 96 (23): 237203. Bibcode : 2006PhRvL..96w7203P. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.237203. PMID  16803397.
14. фон Бергманн, К. (2004). "Рассеяние спин-поляризованных электронов на одиночных кислородных адсорбатах на магнитной поверхности". Physical Review Letters . 92 (4): 046801. Bibcode : 2004PhRvL..92d6801V. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.046801. PMID  14995391.
15. Вортманн, Д. (2001). «Разрешение сложных спиновых структур атомного масштаба с помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии» (PDF) . Physical Review Letters . 86 (18): 4132–4135. Bibcode :2001PhRvL..86.4132W. doi :10.1103/PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
16. Лайхо, Р.; Рейтту, Х. (1993). «Теория сканирующей туннельной микроскопии со спин-поляризованными электронами, полученными из полупроводникового наконечника». Surface Science . 289 (3). doi :10.1016/0039-6028(93)90667-9.

Внешние ссылки

• Краткий обзор СТМ
• Боде, М. (2003). «Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия». Reports on Progress in Physics . 66 (4): 523–582. Bibcode : 2003RPPh...66..523B. doi : 10.1088/0034-4885/66/4/203.