Đômen, vách đômen từ và phương pháp quan sát (kỳ 2)

(Tiếp theo kỳ trước)

Ở phần trước, tôi đã giới thiệu rất sơ lược về đômen, vách đômen từ và kỹ thuật quan sát chúng bằng ánh sáng khả kiến. Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật này là độ phân giải thấp khiến cho chúng ta không thể nào có những phân tích định lượng về cấu trúc từ. Trong các phần tiếp theo này, tôi sẽ giới thiệu tiếp tục về những kỹ thuật khác đem lại chất lượng cao hơn và những đặc điểm của chúng.

3.2. Sử dụng kính hiển vi lực từ

Kính hiển vi lực từ (Magnetic force microscopy – MFM) là kỹ thuật thuộc về nhóm kính hiển vi quét đầu dò. Thực chất, MFM là một cải tiến của kính hiển vi lực nguyên từ (AFM), mà ở đó, cấu trúc từ được ghi lại dựa trên việc ghi nhận lực tương tác (lực từ) giữa mũi dò từ tính với bề mặt của mẫu.

 
 
 
 

Ảnh TEM chụp mũi dò MFM (chụp tại University of Glasgow, United Kingdom)

 

Về mặt nguyên lý, MFM hoạt động tương tự như AFM. Mũi dò quét trên bề mặt mẫu (hình ảnh trên) được sử dụng là vật liệu từ tính khi quét trên bề mặt mẫu sẽ có sự tương tác với các thành phần từ tính trên bề mặt, qua đó vẽ bản đồ phân bố các thành phần từ tính bề mặt, mà cụ thể ở đây là cấu trúc đômen của vật rắn.

Lực tương tác từ giữa mũi dò và bề mặt vật rắn được xác định bởi:

F_z = - \mu_0 \int M_{z tip} \frac{\partial H_{z sample}}{\partial z} dV

hoặc trong chế độ hoạt động tiếp xúc, người ta có thể ghi lại gradient lực từ được xác định bởi:

F'_z = - \mu_0 \int M_{z tip} \frac{\partial^2 H_{z sample}}{\partial z^2} dV

với M_{z tip}, H_{z sample} lần lượt là thành phần theo trục z của độ từ hóa của mũi dò, và cường độ từ trường tại bề mặt mẫu vật. Qua đây, ta có thể thấy rằng thành phần từ độ M_z hướng vuông góc với mặt phẳng vật mẫu sẽ nhạy với mũi dò, có nghĩa là nó cho tương phản tốt nhất trong ảnh MFM. Dưới đây là một bức ảnh MFM ví dụ điển hình chụp cấu trúc đômen của màng mỏng ghi từ trong ổ cứng (chụp tại Glasgow, United Kingdom).

 

Cấu trúc đômen màng mỏng ghi từ trong ổ cứng máy tính chụp bởi MFM tại Glasgow (United Kingdom)

Ta có thể thấy trong bức ảnh trên đây những tương phản sáng tối trên một nền background. Tương phản trong MFM cho ta những thông tin về thành phần từ độ vuông góc với mặt phẳng mẫu (hay là hướng ra ngoài mặt phẳng). MFM không thể cho ta những thông tin tốt về thành phần từ độ nằm trong mặt phẳng mẫu vật. Và ta có thể thấy rằng bức ảnh MFM này có độ phân giải rất tốt, vượt xa những bức ảnh chụp sử dụng ánh sáng khả kiến. Vậy MFM có những điểm mạnh và yếu gì?

– Điểm mạnh của MFM là có độ phân giải tốt, chỉ phụ thuộc vào kích thước đầu dò (có thể tới mức 10 nm), không đòi hỏi các phép xử lý mẫu cầu kỳ, có thể tiến hành cho các mẫu khối. Trên nguyên lý, MFM có thể cho ta hình ảnh về phân bố cấu trúc từ của thành phần “out-of-plane” cho các phép phân tích định tính. Thế chả lẽ MFM tuyệt vời thế à??

– Không hẳn vậy, MFM có cũng có nhiều điểm dở lắm. Điểm dở đầu tiên là thuộc về bản chất của nhóm thiết bị quét đầu dò, tốc độ ghi ảnh cực chậm vì phải quét trên bề mặt. Điều này làm hạn chế các phép đo động, hoặc đôi khi chụp được ảnh thì cấu trúc từ đã bị thay đổi, hoặc ảnh rất dễ bị nhòe do thời gian chụp dài (có thể đến hàng vài chục phút). Một điểm dở hơi khác của MFM là đầu mũi dò có mang từ trường nên nhiều khi nó làm thay đổi luôn cấu trúc từ cần chụp (đặc biệt là các vật liệu từ mềm). Điều này cũng giống như ta cứ chăm chăm nhìn vào mặt cô gái làm cho cô ấy đỏ mặt và chả biết da mặt cô ấy màu gì. Thế nên chụp MFM đòi hỏi operator phải rất kinh nghiệm và hiểu về cấu trúc từ. 

3 Comments

  1. Em chào anh!

    Ngoài việc thu tín hiệu “image” em muốn thu thêm thông tin về “transport data” thì “tip probe” phải dẫn điện. Anh cho em hỏi ngoài máy MFM anh đề cập ở trên thì có “Conductive MFM” không ạ? Hoặc tip dò của MFM có những loại nào ạ?
    Em cảm ơn anh

    1. Chào em! Các MFM tip thương mại thì thường không có khả năng đo transport hay electrical properties. Nếu muốn có khả năng đo loại này, em sẽ thường phải order riêng các tip có khả năng đo (cùng với các bộ gắn chuyên dụng) và thường khá đắt tiền, hoặc sử dụng các kỹ thuật về nanofabrication để tự chế các MFM tip với tính năng này

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s