스핀 편광 스캐닝 터널링 현미경

스핀폴라식 스캐닝 터널링 현미경(SP-STM)은 STM으로 얻은 원자 지형에 더해 단원자 척도에서도 자기현상에 대한 상세한 정보를 제공할 수 있는 스캐닝 터널링 현미경(SPM)의 일종이다. SP-STM은 도메인 w의 정밀한 조사로 정적 및 동적 자기공정에 대한 새로운 접근방식을 열었다.나노자기 입자의 열 및 전류에 의한 전환뿐만 아니라 강자성 및 반자성 시스템에 있는 모든 것.

작동 원리

얇은 자성 물질 층으로 코팅된 극도로 날카로운 팁이 샘플 위로 체계적으로 이동된다. 팁과 샘플 사이에 전압을 가하여 전자가 둘 사이에 터널을 통과하게 하여 전류를 발생시킨다. 자기 현상이 없을 때, 이 전류의 강도는 국소 전자적 특성에 대해 나타낸다.

팁이 자화되면 팁의 자화력과 일치하는 스핀을 가진 전자가 터널링할 확률이 높아진다. 이것은 본질적으로 터널 자기저항의 영향이며 팁/표면은 기본적으로 스핀 밸브 역할을 한다.

자화 팁만 사용한 스캔은 자화 또는 공간 분리에 따른 전류 변화를 구별할 수 없으므로, 다중 도메인 구조 및/또는 지형 정보를 다른 소스(종종 재래식 STM)에서 활용해야 한다. 이것은 예를 들어, 반자성 시스템에서 원자 규모로 가능한 자기 이미징을 가능하게 한다. 지형과 자기 정보는 팁 주위에 감긴 작은 코일을 사용하여 팁의 자기화를 고주파(20~30kHz)로 변조하면 동시에 얻을 수 있다. 따라서 팁의 자기화는 STM 피드백 루프가 반응할 수 없을 정도로 너무 빠르게 플립되며 지형 정보는 그대로 획득된다. 고주파 신호는 로크인 앰프를 사용하여 분리되며, 이 신호는 표면에 대한 자기 정보를 제공한다.

로 분리가 증가함에 따라 기하 급수적으로 희석되는 표준 스캐닝 현미경(STM)터널로, 전자의 탐침 끝과 표본 사이의 터널링 확률을 강하게 그들 사이의 거리에 따라 달라집니다. spin-polarized STM에서 터널링 현재도 팁의 spin-orientation하며 샘플에 달려 있(SP-STM). 국가들의 지역 밀도는 자기의 팁과 샘플을 다른 스핀 방향을 다른지, 터널링만 병렬 스핀(스핀 플립 과정을 무시하고)과 주와 주 사이의 발생할 수 있(LDOS). 언제 샘플의 스핀과 끝들이 평행하는 상면에 굴을 파달 수 있는 많은 사용 가능한 주, 따라서 큰 터널 전류의 결과다. 반면에, 만약 그 역 평행의 사용 가능한 국가들의 대부분이 이미 터널 전류는 작아질 것이다로 채워진다. 핑크 -STM으로 그 터널링 전기 전도도 G=d나는/dU{\displaystyle G=\mathrm{d}I/\mathrm(U}, 작은 편견 때문에 주어진다 by[1]를 측정하여 자기 샘플의 국가들의 스핀에 의존하는 지역 밀도 조사할 수 있다.

{\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),}.

여기서

{\textstyle G_{0}}

{\

는 비자기성 케이스의 터널링 전도율이고

{\textstyle G_{0}}

,

{\textstyle M_{0}}

0

{\

은 팁의 스핀 종속 상태와 샘플 간의 전환을 설명하는 터널링 매트릭스 요소

{\textstyle M_{0}}

,

{\textstyle n_{\mathrm {t} }}

t

{\

{\textstyle P_{\mathrm {t} }}

{\

스타일

P_{\mathrmathrmet},

및

{\textstyle n_{\mathrm {s} }}

{\

}}}}},

{\textstyle P_{\mathrm {s} }}

s {\

textstyle

P_{\

mathrm {s}}}}

은 팁(t)과 샘플(s)에 대한 상태 및 편광의 총 밀도이며

{\textstyle P_{\mathrm {s} }}

,

{\textstyle \theta }

{\textstyle \ta}

은

{\textstyle \theta }

팁의 자화 방향과 샘플 사이의 각도이다. 비자기적 한계(

{\textstyle P_{t}=0}

t

{\textstyle P_{t}=0}

=

{\textstyle P_{t}=0}

{\textstyle P_{t}=0}

{\textstyle P_{s}=0}

{\textstyle P_{s}=0}

=

{\textstyle P_{s}=0}

{\textstyle P_{s}=0})

에서 이 식은 표준 STM 터널링 전도성을 위해 Tersoff 및 Hamann 모델로 감소시킨다.^[1]

한정된 바이어스 전압 U{U\textstyle}, 터널 전류를 위한 팁 위치 r{\textstyle \mathbf{r}에서 표현}과 더 보편적인 경우가 된다.

{\displaystyle I\left(\mathbf{r},U,\theta\right)=.I_ᆩ\left(\mathbf{r},U\right)+I_ᆪ\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],}.

여기서

C

C

이

C

(가) 일정하고,

\kappa

\kappa

전자파 함수의 역부전

\kappa

길이,

{\textstyle e}

{\

textstyle

e

}

과

{\textstyle e}

m

{\textstyle m}

{\

textstyle

m

}

각각 전자

{\textstyle m}

전하와 질량

,

~

s {\

은 팁의 에너지 통합 LDOS이다

{\textstyle {\tilde {n}}_{\mathrm {s} }}

.

및

{\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}

{\

{\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}

\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }

~

\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }

{\

displaystyle \mathbf

{\

tilde{m}}

_{\

mathrm {s}}}

는 스핀-폴라화 LDOS의 해당 자기화 벡터다

\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }

. 터널링 전류는 스핀

I_{0}

인 I

I_{0}

{\

스핀 의존적인

I_{d}

I_{d}

{\

의

I_{d}

합이다.^[2]

분극식 스캐닝 터널링 현미경의 원리. 자성 물질에서 상태 밀도는 서로 다른 스핀 방향으로 분할되며, 터널링 전류는 샘플의 스핀이 팁의 스핀과 평행할 때 가장 강하다.

프로브 팁 준비

SP-STM 설정에서 가장 중요한 구성 요소는 원자 수준까지의 공간 분해능을 제공하기 위해 원자적으로 날카로워야 하는 프로브 팁이며, 소음 비율에 대한 충분한 신호를 제공할 수 있을 만큼 스핀 양극화가 크지만 동시에 표본을 비파괴 자기 프로빙할 수 있을 만큼 작은 표류 자기장을 가지고 있다. 마지막으로 샘플의 스핀 방향을 결정하기 위해 팁 꼭지점에서 스핀 방향을 제어해야 한다. 산화 방지를 위해 팁 준비는 대개 초고진공(UHV)에서 수행해야 한다. SP-STM 측정에 적합한 프로브 팁을 얻는 방법은 크게 세 가지가 있다.

벌크 자성 물질(예: 철)은 먼저 전기 화학적으로 식각되어 수축이 형성되며, 물질을 떼어낼 때 수축에서 부서져 날카로운 끝이 형성된다. 또는 팁이 형성될 때까지 재료를 에칭할 수 있지만 UHV의 팁 청소 절차가 필요하다. 철은 높은 포화 자화도를 가지고 있어 비파괴 촬영이 불가능하다는 것을 의미한다. 철제 팁은 반자성 또는 강자성 검체를 측정하는 데 사용될 수 있다. ${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$ ${\$ 과(와) 같은 비정형 ${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$ 합금은 포화 자기화는 낮지만 여전히 비파니싱 유역장이 있다. 비파괴 이미징의 경우 팁은 ${\textstyle {\ce {Cr}}}$ ${\$ 또는 ${\textstyle {\ce {Cr}}}$ ${\textstyle {\ce {MnNi}}}$ ${\$ 과 같은 반소립자성 물질로 만들 수 있지만, ${\textstyle {\ce {MnNi}}}$ 이 경우 서로 부분적으로 소멸되는 다른 스핀 상태로의 터널링 전류로 인해 이미징의 스핀 대조가 희생된다.^[3]^[4]
자성 물질의 울트라틴 필름이 있는 비자기 팁. 비자기성 물질은 우선 전자 폭격과 고온 플래시로 식각되고 세척되어 산화물 및 기타 오염 물질을 제거한다. 그런 다음 팁을 얇은 (끝 직경보다 작은) 자성 물질 층으로 덮는다. 그러한 얇은 필름에서 자기화 방향은 표면과 인터페이스 음이소트로피에 의해 결정된다. 적절한 필름 소재와 두께를 선택하면 팁이 평면 내 또는 평면 외 자석 방향을 프로빙할 수 있다. 강자성 박막의 경우 외부 자기장을 사용하여 자성을 기울일 수 있으므로 설정이 동일한 팁으로 양쪽 방향을 측정할 수 있다. 공간 분해능을 높이기 위해 팁과 샘플 사이의 바이어스 전압을 적용하면 박막 원자가 팁의 꼭지점 쪽으로 이동하여 더 날카로워진다. 얇은 막이 퇴적되어 있어도, 팁에는 여전히 샘플을 동요시킬 수 있는 자기장의 유해가 있을 것이다.^[5]^[6]
자성 물질 클러스터가 있는 비자기 팁. 이 방법에서는 비자기 팁과 자기 샘플 사이에 전압 펄스가 가해져 샘플의 자성 물질이 팁에 부착된다. 자기화 방향은 추가 전압 펄스를 가하여 변경할 수 있다. 또는 팁을 자성 물질에 담갔다가 접을 수 있으며, 자성 물질이 팁을 적절히 쐐기한다고 가정하여 팁에 클러스터를 부착할 수 있다. 팁 크기는 울트라틴 필름 증착과 같이 제어되지 않는다.^[7]^[8]

운전모드

SP-STM은 표준 STM 작동 모드와 유사하지만 스핀 분해능을 가진 정전류 및 분광 모드, 또는 SP-STM 측정에 고유한 변조 팁 자화 모드 중 하나로 작동할 수 있다. 정전류 모드에서 팁-샘플 분리는 전기 피드백 루프에 의해 일정하게 유지된다. 측정된 터널링 전류 $I$ $I$ 은(는) 스핀 평균화 및 스핀 의존성 구성 요소( $I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }$ = $I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }$ $I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }$ + $I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }$ $I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }$ ${\$ I $=)$ 로 구성된다 $I$ .데이터에서 분해할 수 있는 $I_{0}+I_{\mathrm{d$ 터널링 전류는 주로 0이 아닌 최소의 역수 격자 벡터에 의해 지배되며, 이는 자기 상부구조가 일반적으로 가장 긴 실제 공간 주기(따라서 최단 상호 공간 주기)를 가지므로 스핀 의존적 터널링 $I_{\mathrm {d} }$ I $I_{\mathrm {d} }$ ${\$ $\mathrm{d$ 따라서 SP-STM은 표본의 원자 구조보다 자기 구조를 관찰하는 탁월한 방법이다. 단점은 표면의 지형적 특징이 자성을 방해할 수 있어 일정 전류 모드에서 원자 척도보다 큰 것을 연구하기 어렵다는 점 때문에 데이터 분석이 매우 어렵다는 점이다.^[9]^[1]

두 번째 작동 모드는 편향 전압 ${\d$ $}과$ $U$ $($ ) 팁의 $공간$ 좌표 및 바이어스 전압 U {\d}의 함수로 $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ 국부 차동 터널링 전도성 $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ d ${\$ daystyle $\mathrmat$ { $d$ $} U}$ 을(를) 측정하는 스핀 분해 스펙트럼 분석 모드다. 분광 모드는 샘플 팁 분리가 변화하여 지형 및 전자 정보가 중첩되어 분리되는 정전류 조건에서 사용할 수 있다. 일정한 팁샘플 분리와 함께 분광 모드를 사용하는 경우 $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ 된 d $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ U ${\$ 디스플레이 $스타일 \mathrm$ { $d}$ I $/\mathrm {d} U}$ 는 샘플의 스핀 분해 LDOS와 직접 관련이 있는 반면 $\mathrm {d} I/\mathrm {d} U$ 측정된 터널링 전류 $I$ $I$ 은 에너지 통합 스핀폴라화 LDOS에 비례한다 $I$ . 분광 모드를 정전류 모드와 결합하면 지형 및 스핀 분해 표면 데이터를 모두 얻을 수 있다.^[1]

셋째, SP-STM은 팁 자성을 주기적으로 전환하여 시료의 국부 자성에 비례하는 터널링 전류를 발생시키는 변조된 자화 모드에서 사용할 수 있다. 이를 통해 전자적 특징과 지형적 특징을 분리할 수 있다. 스핀폴라화 LDOS는 규모뿐만 아니라 에너지의 함수로도 변화할 수 있기 때문에, 측정된 터널링 전류가 샘플에 유한 자화현상이 있더라도 사라질 수 있다. 따라서 변조된 자기화 모드에서 스핀 극화 터널링 전류의 편향 의존성도 연구해야 한다. 강자성 팁만이 변조된 자기화 모드에 적합하다. 즉, 이들의 표류장이 비파괴 영상을 불가능하게 만들 수 있다.^[10]

SP-STM의 응용

스핀 편광 스캐닝 터널링 현미경은 원자 규모까지 표면 감도와 측면 분해능이 높아 엄청난 주목을 받은 다용도 기구로, 다이프로슘(Dy), 준2D 박막, 나노섬, 준1D 나노와이어 t 등 강자성 물질을 연구하는 데 중요한 도구로 활용할 수 있다.모자는 자기 음이소트로피 등이 높다. L. Berbil-Bautista 등이 수행한 연구에서는 크롬(Cr) 코팅 텅스텐 팁을 Dy 층에 가깝게 하여 이러한 물질에 존재하는 폭 2-5nm의 자영구 벽이나 네엘 벽을 관찰한다.^[11] 이로 인해 Dy 입자가 자성 물질에서 팁의 꼭지점으로 전달된다. 도메인 벽의 너비는 다음과 같이 계산된다.

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

{\textstyle A}

서 A

{\textstyle A}

{\

textstyle A}

은

{\textstyle A}

(는) 교환 강성이다. 팁의 꼭지점에 존재하는 Dy 원자의 군집 내에 점유되지 않는 전자 상태의 존재로 인해 자기 대비가 강화된다. ^[11]

Cu(111)에 형성된 코발트 나노섬에 대한 터널링 분광법을 스캔하여 얻은 스핀 평균 이미지.

강자성 필름에서 360° 도메인 벽의 형성은 자기 랜덤 액세스 메모리 장치를 만드는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 영역 벽은 자기장의 쉬운 방향을 따라 외부 자기장이 적용될 때 형성된다. 이 때문에 두 개의 180° 벽이 더 가까이 오게 되는데, 이 벽은 회전 감각도 동일하다. A가 수행한 연구에서 쿠베츠카 외, ^[12]SP-STM은 550-800 mT 사이의 외부 자기장을 변화시켜 두 개의 원자층 철 나노와이어의 360° 도메인 벽 프로필의 진화를 측정하는 데 사용되었다.^[12]

구리(111) 기질에 퇴적된 코발트 섬에서 양자 간섭 현상이 관찰되었다. 이는 테라스 가장자리, 불순물 또는 흡착물 등 표면 상태 전자 결함에 의해 발생하는 산란 현상이 촘촘히 채워진 고귀한 금속 표면에 존재하기 때문으로 분석됐다. 스핀 편광-STM은 구리(111)에 퇴적된 삼각 코발트 섬의 전자 구조를 조사하는 데 사용되어 왔다. 이 연구는 기판과 섬들이 각각의 서 있는 파동 패턴을 보인다는 것을 보여주며, 이것은 스핀 편극 물질을 찾는 데 사용될 수 있다.^[13]

SP-STM의 새로운 발전

단일 산소 원자가 철(110) 기질에 흡수된 SP-STS 영상.

SP-STM의 새로운 진보는 이 기법이 다른 영상 기법으로 설명되지 않은 복잡한 현상을 이해하는 데 더욱 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 자기 표면의 산소(텅스텐(W) 기질에 있는 철 이중층)와 같은 비자기 불순물은 스핀 편극 파형의 형성을 일으킨다. 철 이중층에 흡착된 산소 불순물은 RKKY 상호작용에서 콘도 불순물 사이의 상호작용을 연구하는데 사용될 수 있다. 이 연구는 비등방성 산란 상태가 철 이중 층에 흡착된 개별 산소 원자 주변에서 관찰될 수 있음을 보여준다. 이것은 산란 과정에 관련된 전자 상태의 스핀 특성에 대한 정보를 제공한다.^[14]

마찬가지로, 망간(Mn)과 W(110)의 인터페이스에서 2D 안티페로마그네틱스의 존재가 SP-STM 기법을 사용하여 관찰되었다. 본 연구의 중요성은 Mn과 W(110)의 접점에서의 원자척도 거칠기가 자기 상호작용에 좌절을 초래하고, 다른 방법으로는 연구할 수 없는 복잡한 스핀 구조를 발생시킨다는 것이다.^[15]

대체 방법

자기화 분배를 얻는 또 다른 방법은 팁이 강한 스핀 편극 전자의 흐름을 제공하도록 하는 것이다. 이를 위한 한 가지 방법은 스핀-오빗 커플링으로 인해 스핀 편광 전자를 생성하는 GaAs 팁에 양극화 레이저 광선을 비추는 것이다. 그리고 나서 팁은 전통적인 STM과 같이 샘플을 따라 스캔된다.^[16] 이 방법의 한 가지 제한은 입사 레이저 광선이 팁의 바로 반대편, 즉 샘플 자체를 통해 빛나게 함으로써 스핀 편광 전자의 가장 효과적인 원천을 얻는 것이다. 이것은 얇은 시료를 측정하는 방법을 제한한다.

참고 항목

참조

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외부 링크

STM의 간략한 개요
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[10] Wulfhekel, Wulf; Kirschner, Jürgen (1999). "Spin-polarized scanning tunneling microscopy on ferromagnets". Appl. Phys. Lett. 75 (13): 1944. Bibcode:1999ApPhL..75.1944W. doi:10.1063/1.124879.

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[13] Pietzsch, O. (2006). "Spin-Resolved Electronic Structure of Nanoscale Cobalt Islands on Cu(111)". Physical Review Letters. 96 (23): 237203. Bibcode:2006PhRvL..96w7203P. doi:10.1103/PhysRevLett.96.237203. PMID 16803397.

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[15] Wortmann, D. (2001). "Resolving Complex Atomic-Scale Spin Structures by Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy" (PDF). Physical Review Letters. 86 (18): 4132–4135. Bibcode:2001PhRvL..86.4132W. doi:10.1103/PhysRevLett.86.4132. PMID 11328113.

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