Magnetic force microscopy with dual-tips

Abstract

High-resolution characterization of nanomagnetic elements was exploited by a novel method. Dual-Tip Magnetic Force Microscopy is a two-pass scanning technique that employs dual-tips - one magnetic and one non-magnetic - to independently explore topography and stray field of soft magnetic structures without disturbing its state. Silicon Nitride probes were tailored by Focused Ion Beam and coated with Permalloy by Magnetron Sputtering. Scanning Electron Microscopy, Vibrating Sample Magnetometry, and Atomic Force Microscopy were employed for morphological, magnetic and in-operand characterization of the tips. Flawless silicon nitride probes generated high-quality tips of equal or superior performance than commercial MESP probes. Cobalt Nanohills were analyzed with a conventional tip and a dual tip. The first presented a higher spatial resolution than the Scanning Electron Microscopy image, whereas the second presented a mixed topographic and magnetic signals due to manufacturing defects. Permalloy nanorings were characterized with conventional and dual tips. The topographic image revealed a flat ring with rounded particles on the surface for all tips. The magnetic signal obtained with the conventional tips indicated an uneven magnetization between opposite sides of the ring, but revealed little information about the stray fields in it. On the other hand, the dual tips fully characterized a remanent vortex state, with uneven magnetization between opposite sides of the ring and with higher magnetization on the edges of the ring. Further investigations include the fabrication of conventional and dual tips and the implementation of Magnetic Force Microscopy measurements with variable external magnetic field.

Caracterização de elementos nanomagnéticos em alta resolução foi explorado por um novo método. A Microscopia de Força Magnética de Dupla Ponta é uma técnica de varredura em duas passagens que emprega pontas duplas - uma magnética e outra não magnética - para explorar de forma independente a topografia e o campo desmagnetizante de estruturas magnéticas macias sem perturbar seu estado. Sondas de nitreto de silício foram adaptadas por Feixe de Ion Focalizado e revestidas com Permalloy por Magnetron Sputtering. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Magnetometria Vibracional e Microscopia de Força Atômica foram empregadas para a caracterização morfológica, magnética e in-operando das pontas. Sondas de nitreto de silício sem falhas tornaram-se pontas de alta qualidade com desempenho igual ou superior ao das sondas comerciais MESP. Nanohills de cobalto foram analisados com pontas duais e convencionais. Essas apresentaram melhor resolução espacial que imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura, enquanto aquelas apresentaram sinais magnéticos e topográficos misturados devido a defeitos de fabricação. Nanoanéis de permalloy foram analisados por pontas convencionais e duais. A imagem topográfica revelou que a superfície dos anéis é plana e recoberta com partículas arredondadas. O sinal magnético obtido pela pontas convencionais indicou uma magnetização desigual entre lados opostos do anel, mas não revelou informações quanto ao campo desmagnetizante da superfície do anel. Já as pontas duais evidenciaram que a amostra está no estado de vórtice remanente, com uma magnetização desigual entre lados opostos do anel e com uma maior magnetização nas bordas do anel. As perspectivas desse trabalho incluem a fabricação de pontas convencionais e duais e a implementação de um sistema para realizar Microscopia de Força Magnética com campo magnético externo variável.