ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 9, с. 1064-1066
УДК 537.633.2:53.082.7
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯ ИГЛЫ МАГНИТНОГО КАНТИЛЕВЕРА С ПОМОЩЬЮ НАНОРАЗМЕРНОГО ДАТЧИКА ЭКСТРАОРДИНАРНОГО ЭФФЕКТА ХОЛЛА
© 2014 г. О. В. Кононенко1, С. И. Божко2, В. Н. Матвеев1, В. И. Левашов1,
М. А. Князев1, В. Т. Волков1
E-mail: oleg@iptm.ru
Пространственное распределение магнитного поля вокруг кончика магнитного кантилевера, покрытого пленкой кобальта толщиной 50 нм, исследовано с помощью FePt-датчика экстраординарного эффекта Холла. Измерена зависимость величины магнитного поля от расстояния между поверхностью датчика и кончиком МСМ-кантилевера: она обратно пропорциональна кубу расстояния, что находится в согласии с теорией. Значение величины магнитного поля, измеренное на кончике МСМ-кантилевера, равно 0.02 Тл.
DOI: 10.7868/S0367676514090130
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании магнитных объектов с использованием магнитной силовой микроскопии (МСМ) исследуемый объект подвергается воздействию магнитного поля, создаваемого магнитным кантиливером. Это может вносить существенные погрешности в результаты исследований объектов с малыми магнитными полями, сравнимыми с полем кантиливера, поэтому величина магнитного поля вокруг иглы магнитного канти-левера является его важной характеристикой.
Обычно характеристику магнитного МСМ-кан-тилевера получают измеряя взаимодействие магнитного кантилевера с магнитным полем микропроводника, по которому пропускают ток известной величины [1, 2]. Систематически меняя ток проводника изменяют локальное поле вокруг проводника и измеряют магнитный контраст с помощью МСМ-кантилевера. Однако такой подход может приводить к ошибкам из-за неточной оценки геометрии проводника.
Другой способ — прямое измерение магнитного поля, наведенного МСМ-кантилевером, с помощью датчика магнитного поля. Как нами было показано ранее [3—5], наноразмерные датчики Холла из ферромагнитных ультратонких пленок БеР! — прекрасный инструмент для количественного исследования магнитных нанообъектов.
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, Черноголовка.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Датчики были изготовлены с помощью фото-и электронно-лучевой литографии. Сначала были приготовлены чипы из окисленного кремния с платиновыми контактными площадками и дорожками. Толщина платины — 50 нм. Затем с помощью лазерного напыления были приготовлены переходные дорожки из БеР! толщиной 20 нм, которые обеспечивали надежный контакт при переходе от платиновой дорожки к ультратонкой пленке датчика Холла. Наконец с помощью электронно-лучевой литографии и "лифт-офф"-про-цесса были изготовлены холловские кресты с шириной линии 200 нм и толщиной 2 нм. На рис. 1 показано изображение изготовленного датчика Холла в сканирующем электронном микроскопе.
Рис. 1. Изображение в СЭМ датчика Холла из FePt.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯ ИГЛЫ МАГНИТНОГО КАНТИЛЕВЕРА
1065
мкм
мкм
Рис. 2. Изображение в сканирующем зондовом микроскопе в режиме топографии креста датчика Холла.
Z Ranee: 1.041 мВ
40.0 40.9 41.8
X Range: 1.041 мкм
Рис. 3. Карта сигнала, полученного с датчика Холла, при сканировании МСМ-кантилевером области, показанной на рис. 2.
Исследование магнитного поля вокруг кончика иглы магнитного кантилевера проводили в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) NT-MDT SOLVER, оборудованном дополнительно измерительной системой Keithley 6221-2182A, позволяющей считывать сигнал с датчика экстраординарного эффекта Холла. Датчик с шириной линии креста 200 нм помещали на столик СЗМ и подсоединяли к измерительной системе.
Холловский сигнал с нановольтметра измерительной системы подавался на один из дополнительных каналов внешнего сигнала СЗМ. При сканировании магнитным кантилевером поверхности в области холловского креста датчика одновременно с рельефом записывался сигнал, получаемый с датчика. Это позволяло получить пространственное распределение холловского сигнала вокруг кончика иглы магнитного кантилевера.
Перед измерением поля вокруг магнитного кантилевера датчик помещали в магнитное поле известной величины и определяли его чувствительность. В нашем случае чувствительность была около 100 Ом • Тл-1. Зависимость холловского напряжения датчика экстраординарного эффекта Холла от величины магнитного поля линейна в диапазоне ±0.078 Тл.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Мы охарактеризовали магнитный кантилевер с покрытием из пленки кобальта толщиной 50 нм, намагниченный в поле порядка 0.2 Тл. На рис. 2
показано изображение креста датчика Холла, полученное в СЗМ в режиме топографии. На рис. 3 показано пространственное распределение холловского сигнала при прохождении магнитного кантилевера над поверхностью датчика в области, показанной на рис. 2. Холловский сигнал получен при нагрузке датчика током -5 мкА. Ток протекает по дорожке датчика, расположенной на рис. 2 вертикально.
Из рисунка видно, что максимальный холлов-ский сигнал имеет место при прохождении кончика иглы кантилевера над поверхностью, ограниченной пересечением токовой и потенциальной полос. При смещении кончика иглы за пределы этой поверхности сигнал резко уменьшается и затем меняет свой знак (рис. 4). Это может быть связано с тем, что силовые линии магнитного поля МСМ-кантилевера выходят из кончика иглы вниз, а затем возвращаются вверх на некотором расстоянии от кончика иглы. Вследствие этого при смещении МСМ-кантилевера относительно центра датчика происходит сначала уменьшение холовского сигнала до нуля, а затем изменение его знака. Максимальные значения холловского сигнала немного вытянуты по диагонали холловского креста, что связано, по-видимому, с наличием сигнала разбаланса, вызванного шириной потенциальных электродов отличной от нуля.
Измерения были проведены при сканировании кантилевера по поверхности датчика и при
1066
мкВ
400 300 200 100 0 100 200
0
0.2 0.4 0.6 0.8
КОНОНЕНКО и др.
VH, мкВ
500
400 300
1.0
1.2 мкм
200
100
y = Axn
A = 622.67 ± 17.2 n = -0.314 ± 0.0132
100
200
300
400 500
X, нм
Рис. 5. Зависимость сигнала с датчика Холла от расстояния между кончиком МСМ-кантилевера и поверхностью датчика.
0
0
Рис. 4. Напряжение на датчике Холла, соответствующее отрезку, изображенному на рис. 4.
сканировании на различной высоте над поверхностью датчика.
Из холловского сигнала была определена величина магнитного поля на разных расстояниях от кончика МСМ-кантилевера. На рис. 5 показана зависимость величины холловского напряжения от расстояния до кончика кантилевера. Измерения показывают, что значение магнитного поля на поверхности кончика иглы кантилевера равно 0.02 Тл и убывает при удалении от кончика обратно пропорционально кубу расстояния.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С помощью датчика экстраординарного эффекта Холла было измерено поле иглы МСМ-кантиле-
вера с 50 нм покрытием из кобальта, намагниченного в поле 0.2 Тл. Было обнаружено, что МСМ-кантилевер имеет локальное поле 0.02 Тл, которое убывает пропорционально кубу расстояния от кончика МСМ-иглы.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 11-08-00496.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Babcock K.L., Elings V.B., Shi J. et al. // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 705.
2. Kebe T, CarlA. // J. Appl. Phys. 2004. V 95. P. 775.
3. Matveev V.N., Berezin V.A., Volkov V.T. et al. // Int. J. Nanosci. 2004. V. 3. P. 149.
4. Matveev V.N., Levashov V.I., Kononenko O.V., Chai-ka A.N. // Russ. Microelectron. 2006. V. 35. P. 392.
5. Matveev V.N., Levashov V.I., Volkov V.T. et al. // Nanotechnology. 2008. V. 19. P. 475502.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.