Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия - Spin polarized scanning tunneling microscopy

Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия (SP-STM) является специализированным приложением сканирующая туннельная микроскопия (STM), который может предоставить подробную информацию о магнитных явлениях в масштабе одного атома в дополнение к атомной топографии, полученной с помощью STM. SP-STM открыл новый подход к статическим и динамическим магнитным процессам, так как точные исследования доменных границ в ферромагнитный и антиферромагнитные системы, а также переключение наномагнитных частиц под действием тепла и тока.

Принцип действия

Чрезвычайно острый наконечник, покрытый тонким слоем магнитного материала, систематически перемещается по образцу. Между иглой и образцом прикладывается напряжение, позволяющее электронам туннель 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. По сути, это эффект туннельное магнитосопротивление а кончик / 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, необходимо использовать многодоменные структуры и / или топографическую информацию из другого источника (часто обычного СТМ). Это делает возможным магнитное изображение вплоть до атомного масштаба, например, в антиферромагнитный система. 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 меняется слишком быстро для STM. Обратная связь ответить и топографическая информация получается в целости и сохранности. Высокочастотный сигнал отделяется с помощью синхронный усилитель и этот сигнал предоставляет магнитную информацию о поверхности.

В стандартной сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) вероятность туннелирования электронов между острием 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 вращение -ориентация иглы и образца. В локальная плотность состояний (LDOS) магнитного наконечника и образца различается для разных ориентаций спина, и туннелирование может происходить только между состояниями с параллельным спином (без учета спин флип процессы). 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 заполнены, 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 ${\displaystyle G=\mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$, который при небольшом смещении определяется выражением^[1]

$${\displaystyle G=2\pi ^{2}G_{0}|M_{0}|^{2}n_{\mathrm {t} }n_{\mathrm {s} }\left(1+P_{\mathrm {t} }P_{\mathrm {s} }\cos \theta \right),}$$

куда ${\textstyle G_{0}}$ - туннельная проводимость в немагнитном случае, ${\textstyle M_{0}}$ - матричный элемент туннелирования, описывающий переходы между спин-зависимыми состояниями иглы и образца, ${\textstyle n_{\mathrm {t} }}$, ${\textstyle P_{\mathrm {t} }}$, и ${\textstyle n_{\mathrm {s} }}$, ${\textstyle P_{\mathrm {s} }}$ - полные плотности состояний и поляризаций для иглы (t) и образца (ов) соответственно, и ${\textstyle \theta }$ - угол между направлениями намагничивания иглы и образца. В немагнитном пределе (${\textstyle P_{t}=0}$ или же ${\textstyle P_{s}=0}$) это выражение сводится к модели Терсоффа и Хаманна для стандартной туннельной проводимости СТМ.^[1]

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

$${\displaystyle I\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)=I_{0}\left(\mathbf {r} ,U\right)+I_{d}\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)={\frac {4\pi ^{3}C^{2}\hslash ^{3}e}{\kappa ^{2}m^{2}}}\left[n_{\mathrm {t} }{\tilde {n}}_{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)+\mathbf {m} _{\mathrm {t} }\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)\right],}$$

куда ${\displaystyle C}$ постоянно, ${\displaystyle \kappa }$ обратная длина затухания электрон волновая функция, и, ${\textstyle e}$ и ${\textstyle m}$ заряд и масса электрона соответственно, ${\textstyle {\tilde {n}}_{\mathrm {s} }}$ - интегрированная по энергии LDOS наконечника, и ${\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}$, и ${\displaystyle \mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }}$ соответствующие намагничивание векторы спин-поляризованного LDOS. Туннельный ток складывается из не зависящих от спина ${\displaystyle I_{0}}$, и спин-зависимые ${\displaystyle I_{d}}$ части.^[2]

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 спину иглы.

Подготовка наконечника зонда

Наиболее важным компонентом установки SP-STM является острие зонда, которое должно быть атомарно острым, чтобы обеспечить пространственное разрешение вплоть до атомного уровня, иметь достаточно большую спиновую поляризацию, чтобы обеспечить достаточную соотношение сигнал шум, 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 наконечника, чтобы определить, какая ориентация спина отображается в образце. Чтобы предотвратить окисление, подготовка наконечника обычно должна выполняться в сверхвысокий вакуум (UHV). Есть три основных способа получить наконечник зонда, пригодный для измерений SP-STM:

1. Объемный магнитный материал (например. утюг ) сначала электрохимически травленый чтобы образовалось сужение, и по мере того, как материал разрывается, он разрывается в сужении, образуя острый наконечник. 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, а это означает, что неразрушающее изображение невозможно. Железные наконечники можно использовать для измерения антиферромагнитный или же ферримагнитный образцы. Аморфные сплавы Такие как ${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$ имеют меньшую намагниченность насыщения, но все еще отличные от нуля поля рассеяния. Для неразрушающей визуализации наконечники могут быть изготовлены из антиферромагнитных материалов, таких как ${\textstyle {\ce {Cr}}}$ или же ${\textstyle {\ce {MnNi}}}$в этом случае, однако, спиновым контрастом изображения приносятся в жертву туннельные токи из разных спиновых состояний, частично компенсирующие друг друга.^[3][4]
2. Немагнитный наконечник с ультратонкой 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 поверхностью и границей раздела. анизотропия. Выбрав подходящий пленочный материал и толщину, наконечник может быть подготовлен для измерения магнитных направлений в плоскости или вне плоскости. За ферромагнитный Для тонких пленок можно использовать внешнее магнитное поле для изменения намагниченности, что позволяет установке измерять в обоих направлениях 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 острой. Даже при осаждении тонкой пленки острие все равно будет нести магнитное поле рассеяния, которое может возмущать образец.^[5][6]
3. Немагнитный наконечник с кластером магнитного материала. В этом методе между немагнитным наконечником и магнитным образцом прикладываются импульсы напряжения, которые заставляют 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 иглы не контролируется, как при нанесении ультратонких пленок.^[7][8]

Режимы работы

SP-STM может работать в одном из трех режимов: постоянный ток и спектроскопический режим, аналогичный стандартный СТМ режимы работы, 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 ${\displaystyle I}$ состоит из осредненных по спину и зависящих от спина компонент (${\displaystyle I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }}$), которые можно разложить по данным. В туннельном токе в основном преобладают самые маленькие ненулевые обратная решетка вектор, 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 ${\displaystyle I_{\mathrm {d} }}$. 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 масштаб, превышающий атомные, поскольку топографический особенности поверхности могут влиять на магнитные особенности, делая анализ данных очень трудным.^[9][1]

Второй режим работы - спин-разрешенный. спектроскопический режим измерения локальной дифференциальной туннельной проводимости ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ как функция напряжения смещения ${\displaystyle U}$ и пространственные координаты наконечника. 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 используется спектроскопический режим с постоянным разделением зонда и образца, измеренное ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ напрямую связано со спиновым разрешением LDOS образца, тогда как измеренный туннельный ток ${\displaystyle I}$ пропорциональна интегральной по энергии спин-поляризованной LDOS. Комбинируя спектроскопический режим с режимом постоянного тока, можно получить как топографические данные, так и данные о поверхности с разрешением по спину.^[1]

В-третьих, SP-STM можно использовать в режиме модулированной намагниченности, в котором намагниченность наконечника периодически переключается, в результате чего возникает туннельный ток, который пропорционален 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 неразрушающее изображение невозможным.^[10]

Применение SP-STM

Спин-поляризованный сканирующий туннельный микроскоп - универсальный инструмент, который привлек огромное внимание благодаря повышенной чувствительности поверхности 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, наноостровки и квазиодномерные нанопроволоки с высокой магнитной анизотропией и т. Д. В исследовании, проведенном L. Berbil-Bautista et al.,^[11] магнитная доменная стенка или Неэль стена шириной 2-5 нм, присутствующей в этих материалах, наблюдается путем внесения Хром Вольфрамовый наконечник с (Cr) покрытием близко к слою Dy. Это вызывает перенос частиц Dy из магнитного материала на вершину наконечника. Ширина доменной стенки рассчитывается как

$${\displaystyle {\displaystyle w={\sqrt {2(A/k)}}},}$$

куда ${\textstyle A}$ обменная жесткость. Магнитный контраст усиливается из-за наличия незанятых электронных состояний в кластере атомов Dy на вершине острия.^[11]

Усредненное по спину изображение, полученное методом сканирующей туннельной спектроскопии для наноостровков кобальта, сформированных на Cu (111).

Образование 360-градусных доменных стенок в ферромагнитных пленках играет важную роль в создании магнитных полей. оперативная память устройств. 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, сближаться. В исследовании, проведенном A. Kubetzka et al.,^[12] 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.^[12]

Явления квантовой интерференции наблюдались в Кобальт островки, нанесенные на подложку из меди (111). Это было связано с тем, что рассеяние, вызванное поверхностным состоянием электронов дефекты, такие как края террасы, загрязнения или адсорбаты, присутствующие на плотно упакованной поверхности из благородного металла. Спин-поляризованный СТМ был использован для исследования электронной структуры треугольных островков кобальта, осажденных на Медь (111). Это исследование показывает, что подложка и островки демонстрируют свои индивидуальные картины стоячих волн, и это может быть использовано для поиска спин-поляризованного материала.^[13]

Новые достижения в SP-STM

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

Новые достижения в области SP-STM показывают, что эту технику можно в дальнейшем использовать для понимания сложных явлений, которые не были объяснены другими методами визуализации. Немагнитные примеси, такие как кислород на магнитной поверхности (двойной слой железа на Вольфрам (W) подложка) вызывает образование спин-поляризованных волн. Примесь адсорбированного кислорода на двойном слое железа может быть использована для изучения взаимодействия между Кондо нечистоты на RKKY взаимодействие. 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.^[14]

Точно так же наличие 2D-антиферромагнетизма на границе раздела Марганец (Mn) и W (110) наблюдались 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 нельзя изучать другими методами.^[15]

Альтернативный метод

Другой способ получить распределение намагниченности состоит в том, чтобы острие создавало сильный поток спин-поляризованных электронов. Один из способов добиться этого - сиять поляризация лазерный луч на GaAs наконечник, который производит спин-поляризованные электроны за счет спин-орбитальной связи. Затем зонд сканируется вдоль образца так же, как обычный СТМ.^[16] 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.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Визендангер, Роланд (2009-11-18). «Спиновое отображение в наномасштабе и атомном масштабе». Обзоры современной физики. 81 (4): 1495–1550. Bibcode:2009RvMP ... 81.1495W. Дои:10.1103 / RevModPhys.81.1495.
2. Wortmann, D .; Heinze, S .; Kurz, Ph .; Bihlmayer, G .; Блюгель, С. (30 апреля 2001 г.). «Разрешение сложных спиновых структур атомного масштаба с помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии» (PDF). Письма с физическими проверками. 86 (18): 4132–4135. Bibcode:2001ПхРвЛ..86.4132Вт. Дои:10.1103 / PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
3. Визендангер, Р.; Bürgler, D .; Tarrach, G .; Schaub, T .; Hartmann, U .; Güntherodt, H.-J .; Швец, И. В .; Коуи, Дж. М. Д. (1991-11-01). «Последние достижения в сканирующей туннельной микроскопии с использованием магнитных зондов и образцов». Прикладная физика A. 53 (5): 349–355. Bibcode:1991АпФА..53..349Вт. Дои:10.1007 / BF00348147. ISSN  0947-8396.
4. Wulfhekel, W; Hertel, R; Дин, Х.Ф .; Steierl, G; Киршнер, Дж (2002). «Аморфные наконечники с низкой магнитострикцией для спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 249 (1–2): 368–374. Bibcode:2002JMMM..249..368W. Дои:10.1016 / s0304-8853 (02) 00560-7. ISSN  0304-8853.
5. Боде, М .; Паскаль Р. (1997). «Сканирующая туннельная спектроскопия Fe / W (110) с использованием наконечников зондов, покрытых железом». Журнал вакуумной науки и технологий A. 15 (3): 1285–1290. Bibcode:1997JVSTA..15.1285B. Дои:10.1116/1.580577.
6. Getzlaff, M .; Боде, М .; Heinze, S .; Pascal, R .; Визендангер, Р. (1998). «Температурно-зависимое обменное расщепление магнитного поверхностного состояния Gd (0001)». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 184 (2): 155–165. Bibcode:1998JMMM..184..155G. Дои:10.1016 / s0304-8853 (97) 01140-2. ISSN  0304-8853.
7. Ямада, Т. К. (2003). «Использование импульсов напряжения для обнаружения спин-поляризованного туннелирования». Appl. Phys. Латыш. 82 (9): 1437–1439. Bibcode:2003АпФЛ..82.1437Л. Дои:10.1063/1.1556958.
8. Бинниг, Герд (1987). «Сканирующая туннельная микроскопия - от рождения до подросткового возраста». Обзоры современной физики. 59 (3): 615–625. Bibcode:1987РвМП ... 59..615Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.59.615.
9. Бинниг, Герд; Рорер, Генрих (1987-07-01). «Сканирующая туннельная микроскопия --- от рождения до подросткового возраста». Обзоры современной физики. 59 (3): 615–625. Bibcode:1987РвМП ... 59..615Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.59.615.
10. Вульфхекель, Вульф; Киршнер, Юрген (1999). «Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия на ферромагнетиках». Appl. Phys. Латыш. 75 (13): 1944. Bibcode:1999АпФЛ..75.1944Вт. Дои:10.1063/1.124879.
11. Бербиль-Баутиста, Л. (2007). «Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия ферромагнитных пленок Dy (0001) / W (110)». Физический обзор B. 76 (6): 064411. Bibcode:2007PhRvB..76f4411B. Дои:10.1103 / PhysRevB.76.064411.
12. Кубецка, А. (2003). «Исследование спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии». Физический обзор B. 67 (2): 020401. Bibcode:2003PhRvB..67b0401K. Дои:10.1103 / PhysRevB.67.020401.
13. Пицш, О. (2006). «Спин-разрешенная электронная структура наноразмерных островов кобальта на Cu (111)». Письма с физическими проверками. 96 (23): 237203. Bibcode:2006PhRvL..96w7203P. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.237203. PMID  16803397.
14. фон Бергманн, К. (2004). «Спин-поляризованное рассеяние электронов на одиночных адсорбатах кислорода на магнитной поверхности». Письма с физическими проверками. 92 (4): 046801. Bibcode:2004ПхРвЛ..92д6801В. Дои: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). Письма с физическими проверками. 86 (18): 4132–4135. Bibcode:2001ПхРвЛ..86.4132Вт. Дои:10.1103 / PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
16. Laiho, R .; Райтту, Х. (1993). «Теория сканирующей туннельной микроскопии со спин-поляризованными электронами, полученными из полупроводникового наконечника». Наука о поверхности. 289 (3). Дои:10.1016/0039-6028(93)90667-9.

внешняя ссылка

• Краткий обзор STM
• Боде, М (2003). «Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия». Отчеты о достижениях физики. 66 (4): 523–582. Bibcode:2003RPPh ... 66..523B. Дои:10.1088/0034-4885/66/4/203.