Magnetjõumikroskoopia

**Magnetjõumikroskoopia** on aatomijõumikroskoopia alaliik, mis on eelkõige mõeldud pindade magnetiliste omaduste uurimiseks.

**Magnetjõumikroskoop** (MFM) on aatomijõumikroskoobi erivariant, kus magneeditud teravikuga skaneeritakse mööda magnetilist pinda. Teraviku ja katseobjekti vahelised vastasmõjud tuvastatakse ja kasutatakse seejärel katseobjekti pinna magnetilise struktuuri rekonstrueerimiseks. MFM-skaneerimine tihtipeale kasutab mittekontaktset AFM režiimi.
 
## Ülevaade
MFM mõõtmistel saab teraviku ja katseobjekti vahelist magnetjõudu väljendada kujul:

:\vec F=\mu_o (\vec m \cdot \nabla ) \vec H \,\!

kus \vec m \, \! on teraviku magnetmoment, \vec H \, \! on katseobjekti pinnalt lähtuv demagneetiv väli ja *µ<sub>0</sub>* on vaakumi magnetiline läbitavus.

MFM-i mõõtmised on mitmeti tõlgendatavad, kuna katseobjekti demagneetiv väli mõjutab teraviku magnetilist olekut ja vastupidi. Näiteks teraviku magneetumise geomeetria peab olema teada kvantitatiivseks analüüsiks.

Magnetjõumikroskoobi lahutusvõime ulatub tüüpiliselt 30&nbsp;nm, kuid on võimalik saavutada lahutusvõime vahemikus 10–20&nbsp;nm.

## Olulised kuupäevad
Huvi MFM-i vastu suurenes tänu järgmistele leiutistele:

1982 – skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM)
:*mõõdetakse tunnelvoolu teraviku ja katseobjekti vahel;
:*nii katseobjekt kui ka teravik peavad juhtima elektrit;
1986 – aatomijõumikroskoopia (AFM)
:*jõusensori painde põhjal mõõdetakse teraviku ja katseobjekti vahelisi elektrostaatilisi jm jõude;
:*jõusensori külge kinnitatud teravikku hoitakse katseobjekti kohal tüüpiliselt kümnete nanomeetrite kaugusel;

1987 – magnetjõumikroskoopia (MFM)
:*tuleneb AFM-st. Mõõdetakse tipu ja katseobjekti vahelisi magnetjõude;

:*demagneetiva välja kujutis saadakse magneeditud teraviku skaneerimisel mööda katseobjekti pinda.

## Süsteemi ülesehitus
MFM-i süsteemi põhikomponentideks on:

Piesoskanner
*Liigutab katseobjekti nii *x*-, *y*- kui ka *z*-suunas.
* 1-voldine pinge väljendub tüüpiliselt 1–10&nbsp;nm nihkes.
* Kujutis koostatakse katseobjekti pinna aeglasel raster skaneerimisel.
* Skanneritud pinnad on mõne kuni 200 mikromeetri suurusjärgus.
* Kujutis saadakse tavaliselt mõne kuni 30 minutiga.
Magneeditud teravik, mis on painduva jõusensori tipus, üldiselt magnetmaterjaliga kaetud AFM teravik.
*Minevikus valmistati teravikke söövitamise teel ferromagneetikutest nagu nikkel.
*Tänapäeval valmistatakse teravikke hulgi kasutades mikrolõikamise ja fotolitograafia kombinatsiooni. Tulemuseks on parema mehaanilise kontrolliga väiksemad teravik-jõusensorid.
*Jõusensorit võib teha monokristallsest ränist, ränidioksiidist (SiO2) või räninitriidist (Si3N4). Si3N4 jõusensor-teravikud on tavaliselt vastupidavamad ja elastsemad.
*Teravikud kaetakse õhukese (*z*/*k*. 
* Tüüpiliselt mõõdetakse jõude kümnete pikonjuutonite suurusjärgus. 
### Dünaamiline (AC) režiim
* Dünaamilise töörežiimi puhul viiakse jõusensor resonantsageduseni ning mõõdetakse resonantssageduste nihkumist.

## Kujutise tekitamine

### Arvutades magnetilisele teravikule mõjuvaid jõude
Teoreetiliselt saab teravik-katseobjekti magnetostaatilist energiat (*U*) arvutada kahel viisil:
* võib arvutada kas teraviku magneetumust (*M*) katseobjekti demagneetiva välja (**H**) juuresolekul või
* arvutada katseobjekti magneetuvust teraviku demagneetiva välja juuresolekul.
Seejärel, integreerida magneetumuse ja demagneetiva välja üle interaktsiooni ruumala kui
:U=-\mu_o\int\limits_V {\vec M \cdot \vec H\, dV}\,\!

ja arvutada energia gradient kauguse järgi, et saada jõud *F*. Eeldades, et jõusensori kõrvalekalle on *z*-telje suunas ja teravik on magneetunud teatud suunas, saab valemi kujul:
:F_i=\mu_o\int\limits_V {\vec M \cdot \frac{\partial \vec H} {\partial x_i}\, dV}\,\!
Kuna teravik on piki kindlat suunda magneeditud, on see tundlik katseobjekti demagneetiva välja komponendi suhtes, mis on joondunud samasse suunda.
## Katseobjektide kujutamine
MFM-i saab kasutada erinevate magnetiliste struktuuride kujutamiseks, nagu domeeniseinad (Blochi ja Neeli), sulgdomeenid, salvestatud magnetbitid jne. Lisaks välise magnetvälja all saab jälgida domeeniseinte liikumist. MFM-kujutisi eri materjalidest saab näha järgmistes raamatutes ja teaduspublikatsioonides: kiled, nanoosakesed, nanotraadid ja andmekandjad.

## Eelised
MFM on populaarne mitmel põhjusel:
* Katseobjekt ei pea juhtima elektrit. 
* Mõõtmisi saab teha toatemperatuuril, ülikõrgvaakumis, vedelikkeskkonnas, erinevatel temperatuuridel ning erinevate väliste magnetväljade juuresolekul.
* Mõõtmine ei kahjusta kristallvõret ega -struktuuri.
* Magnetilised kaugmõjud ei ole pinnakahjustuse suhtes tundlikud.
* Ei ole vaja erilist pinna ettevalmistamist ega katmist.
* Õhukeste mitte-magnetiliste kihtide sadestamine katseobjektile ei mõjuta tulemusi.
* Tuvastatav magnetvälja tugevus, **H** on 10 A/m suurusjärgus.
* Tuvastatav magnetväli, **B**, on 10 mikrotesla suurusjärgus.
*Tavaliselt on mõõdetud jõud kuni 10−14 N ja ruumilised eraldusvõimed kuni 20&nbsp;nm.
*MFM-i on võimalik kombineerida teiste skaneerimismeetoditega nagu näiteks STM.

## Puudused
MFMiga töötamisel on ka mõned puudused:
*Teraviku ja katseobjekti vastastikmõju tõttu sõltub salvestatud kujutis teravikutüübist ja magnetilisest kattest.
*Teraviku ja katseobjekti magnetväljad võivad muuta teineteise magneetumust *M*, mille tulemuseks võib olla mittelineaarne vastastikmõju. See takistab kujutise tõlgendamist.
*Lateraalne skaneerimisulatus on võrdlemisi väike (sadade mikromeetrite suurusjärgus).
*Skaneerimiskõrgus mõjutab kujutise saamist.
*On oluline, et MFM süsteemi korpus kaitseks katseobjekti elektromagnetilise müra (Faraday puur), akustilise müra (vibreerimiskindlad lauad), õhuvoolu (õhukindlus) ja staatilise laengu eest.

## Vaata ka
*Skaneeriv teravikmikroskoopia
*Aatomijõumikroskoopia

## Viited

## Välislingid
*Magnetic Materials Scan Image Gallery
*Magnetic measurements application notes