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자기력현미경(MFM)

고해상도, 고감도 자기 특성 이미징

자기력현미경

원자현미경으로 측정하는 거의 모든 표면 특성은 그림 1에 묘사된 과정에 따라 얻을 수 있으며, XE 시리즈 원자현미경의 MFM 측정도 같은 절차를 따릅니다. MFM의 경우 측정 표면 특성은 자기 특성이고, 상호작용력은 자화된 팁과 자기 시료 사이의 자력입니다. 또한 팁과 시료 간에 존재하는 반 데르 발스 힘은 팁과 시료 간의 거리에 따라 변화하므로 표면 형상을 측정하는 데 사용됩니다.

 

 magnetic-force-microscopy-mfm-f1그림 1. 고급형 XE 모드에 의한 표면 특성 측정 계통도

 

MFM은 강자성 박막으로 코팅된 MFM 팁으로 시료 표면에서 자력의 공간적 변화를 이미징합니다. XE 시리즈 원자현미경에서는 완전 비접촉 모드로 표면 형상을 얻습니다. 동시에 시료와 자화된 MFM 캔틸레버 사이의 자력으로 인한 캔틸레버 진동의 진폭 또는 위상 변화를 측정하여 MFM 이미지를 얻어냅니다. MFM 이미지는 시료 표면의 자기 구역 분포에 대한 정보를 담고 있습니다. MFM을 사용하여 자성 소재에서 자연적으로 발생했거나 인위적으로 기록된 자기 구역 구조를 이미징할 수 있습니다.

MFM 측정 중에 팁에는 자력과 반 데르 발스 힘이라는 두 가지 힘이 작용합니다. 따라서 MFM 신호에는 반 데르 발스 힘과 자력에 의해 각각 생성된 표면 형상 정보('Topography 신호')와 표면 자기 특성 정보('MFM 신호')가 모두 들어 있습니다. 팁이 시료에서 멀어질 때 반 데르 발스 힘보다 원자간 자력이 더 오래 지속되므로 둘 중에 어느 힘이 우세한지는 팁과 시료 표면 사이의 거리에 따라 좌우됩니다. 표준 비접촉식 원자현미경 운용 구간에서 팁이 시료 표면에 가까우면 이미지에서 형상이 차지하는 비중이 커집니다. 팁이 시료에서 멀어지면 자기 효과가 뚜렷해집니다. 서로 다른 팁 높이에서 일련의 이미지를 측정하면 형상 효과에서 자기 효과를 분리할 수 있습니다.

MFM 이미징의 관건은 전체 신호에서 자기 신호만 분리해 내는 데 있습니다. MFM에서는 이를 위해 '힘 범위' 기법이나 '2회 반복' 기법을 사용합니다.

 

힘 범위 기법

반 데르 발스 힘은 작용 범위가 좁은 반면 자력은 작용 범위가 넓습니다. 1차 스캔에서는 반 데르 발스 힘이 우세한 권역에서 팁을 스캔하여 형상 이미지를 얻습니다. 그런 다음 설정 지점을 변화시켜 자력이 우세한 권역으로 팁을 이동하고 스캔하여 그림 2 (a)와 같은 MFM 이미지를 얻습니다.

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그림 2.(a) 힘 범위 기법(b) 2회 반복 기법 및(c) 해당 신호의 도식

 

2회 반복 기법

XE 시리즈 원자현미경의 이 MFM 모드에서는 그림 2 (b)와 같이 시료를 두 번 스캔하여 신호를 분리합니다. 1차 스캔에서는 완전 비접촉식 원자현미경과 동일하게 팁이 표면을 스캔하여 시료의 형상을 얻습니다. 2차 스캔에서는 팁-시료 거리를 늘리고 그림 2 (c)와 같이 1차 스캔에서 얻은 시료 표면의 형상선을 따라 바이어스 전압이 인가된 팁을 스캔합니다. 이렇게 하면 팁에 자력만 작용하여 MFM 이미지를 얻을 수 있습니다.

형상선은 팁-시료 거리가 일정한 선이며, 반 데르 발스 힘이 일정한 선과 같습니다. 따라서 'MFM 모드'의 2차 스캔에서 팁이 형상선을 따라가면 팁에 작용하는 반 데르 발스 힘이 일정하게 유지됩니다. 그러므로 신호에 영향을 주는 힘의 변화는 오로지 자력의 변화에서 기인한 것입니다. 따라서 2차 스캔을 통해 형상 신호를 배제한 MFM 이미지를 얻을 수 있습니다.

 

magnetic-force-microscopy-mfm-f3그림 3. 형상 (a) 및 MFM 위상 (b) .

 

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그림 4. Co84Cr16)100-xPtx의 MFM 위상 이미지, X=13 (a) 및 X=28 (b).

 

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