Microscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín

La microscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín ( SP-STM ) es un tipo de microscopio de efecto túnel de barrido (STM) que puede proporcionar información detallada de los fenómenos magnéticos a escala de un solo átomo, además de la topografía atómica obtenida con STM. SP-STM abrió un nuevo enfoque a los procesos magnéticos estáticos y dinámicos como investigaciones precisas de las paredes de dominio en sistemas ferromagnéticos y antiferromagnéticos, así como la conmutación térmica e inducida por corriente de partículas nanomagnéticas.

Principio de funcionamiento

Se mueve sistemáticamente una punta extremadamente afilada recubierta de una fina capa de material magnético sobre una muestra. Se aplica un voltaje entre la punta y la muestra, lo que permite que los electrones hagan un túnel entre ambas, lo que genera una corriente. En ausencia de fenómenos magnéticos, la intensidad de esta corriente es indicativa de las propiedades electrónicas locales.

Si la punta está magnetizada, los electrones con espines que coincidan con la magnetización de la punta tendrán una mayor probabilidad de túnelizarse. Esto es esencialmente el efecto de la magnetorresistencia de túnel y la punta/superficie actúa esencialmente como una válvula de espín .

Dado que un escaneo que utiliza únicamente una punta magnetizada no puede distinguir entre los cambios de corriente debidos a la magnetización o la separación espacial, se deben utilizar estructuras multidominio y/o información topográfica de otra fuente (con frecuencia, STM convencional). Esto hace posible la obtención de imágenes magnéticas hasta la escala atómica, por ejemplo, en un sistema antiferromagnético . La información topográfica y magnética se puede obtener simultáneamente si la magnetización de la punta se modula a una frecuencia alta (20–30 kHz) utilizando una pequeña bobina enrollada alrededor de la punta. De este modo, la magnetización de la punta cambia demasiado rápido para que el bucle de retroalimentación del STM responda y la información topográfica se obtiene intacta. La señal de alta frecuencia se separa utilizando un amplificador de bloqueo y esta señal proporciona la información magnética sobre la superficie.

En la microscopía de efecto túnel de barrido (STM) estándar , la probabilidad de tunelización de los electrones entre la punta de la sonda y la muestra depende en gran medida de la distancia entre ellos, ya que decae exponencialmente a medida que aumenta la separación. En la STM polarizada por espín (SP-STM), la corriente de tunelización también depende de la orientación del espín de la punta y la muestra. La densidad local de estados (LDOS) de la punta magnética y la muestra es diferente para las diferentes orientaciones de espín, y la tunelización solo puede ocurrir entre los estados con espín paralelo (ignorando los procesos de inversión de espín ). Cuando el espín de la muestra y la punta son paralelos, hay muchos estados disponibles a los que los electrones pueden tunelizar, lo que da como resultado una gran corriente de tunelización. Por otro lado, si los espines son antiparalelos, la mayoría de los estados disponibles ya están llenos y la corriente de tunelización será significativamente menor. Con SP-STM es posible entonces investigar la densidad local dependiente del espín de los estados de las muestras magnéticas midiendo la conductancia de tunelización , que para un sesgo pequeño está dada por ^[1] donde es la conductancia de tunelización en el caso no magnético, es el elemento de la matriz de tunelización que describe las transiciones entre los estados dependientes del espín de la punta y la muestra, , , y , son las densidades totales de estado y polarizaciones para la punta (t) y la muestra (s), respectivamente, y es el ángulo entre las direcciones de magnetización de la punta y la muestra. En el límite no magnético ( o ), esta expresión se reduce al modelo de Tersoff y Hamann para la conductancia de tunelización STM estándar. ^[1] ${\displaystyle G=\mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ $${\displaystyle G=2\pi ^{2}G_{0}|M_{0}|^{2}n_{\mathrm {t} }n_{\mathrm {s} }\left(1+P_{\mathrm {t} }P_{\mathrm {s} }\cos \theta \right),}$$ ${\textstyle G_{0}}$ ${\textstyle M_{0}}$ ${\textstyle n_{\mathrm {t} }}$ ${\textstyle P_{\mathrm {t} }}$ ${\textstyle n_{\mathrm {s} }}$ ${\textstyle P_{\mathrm {s} }}$ ${\textstyle \theta }$ ${\textstyle P_{t}=0}$ ${\textstyle P_{s}=0}$

En el caso más general, con un voltaje de polarización finito , la expresión para la corriente de tunelización en la ubicación de la punta se convierte en donde es constante, la longitud de decaimiento inversa de la función de onda del electrón , y , y la carga y la masa del electrón, respectivamente, es la LDOS integrada en energía de la punta, y , y son los vectores de magnetización correspondientes de la LDOS polarizada por espín. La corriente de tunelización es la suma de las partes independientes del espín , y dependientes del espín . ^[2] ${\textstyle U}$ ${\textstyle \mathbf {r} }$ $${\displaystyle I\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)=I_{0}\left(\mathbf {r} ,U\right)+I_{d}\left(\mathbf {r} ,U,\theta \right)={\frac {4\pi ^{3}C^{2}\hslash ^{3}e}{\kappa ^{2}m^{2}}}\left[n_{\mathrm {t} }{\tilde {n}}_{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)+\mathbf {m} _{\mathrm {t} }\mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }\left(\mathbf {r} ,U\right)\right],}$$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \kappa }$ ${\textstyle e}$ ${\textstyle m}$ ${\textstyle {\tilde {n}}_{\mathrm {s} }}$ ${\textstyle \mathbf {m} _{\mathrm {t} }}$ ${\displaystyle \mathbf {\tilde {m}} _{\mathrm {s} }}$ ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle I_{d}}$

Principio del microscopio de efecto túnel de barrido con polarización de espín. En los materiales magnéticos, la densidad de estados se divide entre las diferentes orientaciones de espín y la corriente de efecto túnel es más intensa cuando el espín de la muestra es paralelo al espín de la punta.

Preparación de la punta de la sonda

El componente más crítico en la configuración SP-STM es la punta de la sonda, que debe ser atómicamente afilada para ofrecer una resolución espacial hasta el nivel atómico, tener una polarización de espín lo suficientemente grande para proporcionar una relación señal/ruido suficiente , pero al mismo tiempo tener un campo magnético disperso lo suficientemente pequeño para permitir un sondeo magnético no destructivo de la muestra y, finalmente, la orientación del espín en el ápice de la punta debe controlarse para determinar qué orientación del espín de la muestra se capturará en la imagen. Para evitar la oxidación, la preparación de la punta generalmente debe realizarse en ultra alto vacío (UHV). Hay tres formas principales de obtener una punta de sonda adecuada para mediciones SP-STM:

1. El material magnético a granel (por ejemplo, el hierro ) se graba primero electroquímicamente para formar una constricción y, a medida que el material se separa, se rompe en la constricción formando una punta afilada. Alternativamente, el material se puede grabar hasta que se forme la punta, pero luego se requiere un procedimiento de limpieza de la punta en UHV. El hierro tiene una alta magnetización de saturación que da como resultado un campo disperso más grande alrededor de la punta, lo que significa que no es posible obtener imágenes no destructivas. Las puntas de hierro se pueden utilizar para medir muestras antiferromagnéticas o ferromagnéticas . Las aleaciones amorfas como tienen una magnetización de saturación más baja pero aún así tienen campos dispersos que no desaparecen. Para obtener imágenes no destructivas, las puntas se pueden hacer de materiales antiferromagnéticos como o , en este caso, sin embargo, el contraste de espín de la imagen se sacrifica debido a que las corrientes de tunelización de a diferentes estados de espín se cancelan parcialmente entre sí. ^{[3] [4]} ${\textstyle {\ce {CoFeNiSiB}}}$ ${\textstyle {\ce {Cr}}}$ ${\textstyle {\ce {MnNi}}}$
2. Punta no magnética con película ultrafina de material magnético. El material no magnético se graba primero y se limpia con bombardeo de electrones y flash de alta temperatura para eliminar óxidos y otras contaminaciones. Luego, la punta se cubre con una capa delgada (menor que el diámetro de la punta) de material magnético. En tales películas delgadas, la dirección de magnetización está determinada por las anisotropías de la superficie y la interfaz . Al elegir un material de película y un grosor adecuados, la punta se puede preparar para sondear direcciones magnéticas en el plano o fuera del plano. Para películas delgadas ferromagnéticas , se puede utilizar un campo magnético externo para inclinar la magnetización, lo que permite que la configuración mida ambas direcciones con la misma punta. Para aumentar la resolución espacial, se puede aplicar un voltaje de polarización entre la punta y la muestra, lo que hace que los átomos de la película delgada migren hacia el ápice de la punta, lo que la hace más afilada. Incluso con la deposición de una película delgada, la punta seguirá transportando un campo magnético disperso que puede perturbar la muestra. ^{[5] [6]}
3. Punta no magnética con un grupo de material magnético. En este método, se aplican pulsos de voltaje entre la punta no magnética y la muestra magnética, lo que hace que el material magnético de la muestra se adhiera a la punta. La dirección de magnetización se puede alterar aplicando más pulsos de voltaje. Alternativamente, la punta se puede sumergir en el material magnético y luego retraer dejando un grupo adherido a la punta, suponiendo que el material magnético humedezca adecuadamente la punta. El tamaño de la punta no se controla como en la deposición de película ultrafina. ^{[7] [8]}

Modos de funcionamiento

El SP-STM puede funcionar en uno de tres modos: corriente constante y modo espectroscópico, que son similares a los modos de operación estándar de STM pero con resolución de espín, o modo de magnetización de punta modulada, que es exclusivo de las mediciones SP-STM. En el modo de corriente constante, la separación de la punta con la muestra se mantiene constante mediante un bucle de retroalimentación eléctrica. La corriente de tunelización medida consta de componentes promediados por espín y dependientes del espín ( ) que se pueden descomponer a partir de los datos. La corriente de tunelización está dominada principalmente por el vector reticular recíproco distinto de cero más pequeño , lo que significa que, como las superestructuras magnéticas suelen tener las periodicidades espaciales reales más largas (y, por lo tanto, las periodicidades espaciales recíprocas más cortas), aportan la mayor contribución a la corriente de tunelización dependiente del espín . Por lo tanto, el SP-STM es un método excelente para observar la estructura magnética en lugar de la estructura atómica de la muestra. La desventaja es que es difícil estudiar escalas mayores que las atómicas en el modo de corriente constante, ya que las características topográficas de la superficie pueden interferir con las características magnéticas, lo que dificulta mucho el análisis de datos. ^{[9] [1]} ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I=I_{0}+I_{\mathrm {d} }}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {d} }}$

El segundo modo de operación es el modo espectroscópico de resolución de espín , que mide la conductancia de tunelización diferencial local en función del voltaje de polarización y las coordenadas espaciales de la punta. El modo espectroscópico se puede utilizar en condiciones de corriente constante en las que la separación de la punta de la muestra varía, lo que da como resultado la superposición de información topográfica y electrónica que luego se puede separar. Si se utiliza el modo espectroscópico con una separación constante entre la punta y la muestra, la medida está directamente relacionada con la LDOS de resolución de espín de la muestra, mientras que la corriente de tunelización medida es proporcional a la LDOS de resolución de espín polarizada integrada en energía. Al combinar el modo espectroscópico con el modo de corriente constante, es posible obtener datos de superficie tanto topográficos como de resolución de espín. ^[1] ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ ${\displaystyle I}$

En tercer lugar, el SP-STM se puede utilizar en modo de magnetización modulada en el que la magnetización de la punta se cambia periódicamente, lo que da como resultado una corriente de tunelización que es proporcional a la magnetización local de la muestra. Esto le permite separar las características magnéticas de las características electrónicas y topográficas. Dado que el LDOS polarizado por espín puede cambiar no solo la magnitud sino también el signo en función de la energía, la corriente de tunelización medida puede desaparecer incluso si hay una magnetización finita en la muestra. Por lo tanto, también debe estudiarse la dependencia del sesgo de la corriente de tunelización polarizada por espín en el modo de magnetización modulada. Solo las puntas ferromagnéticas son adecuadas para el modo de magnetización modulada, lo que significa que sus campos dispersos pueden hacer imposible la obtención de imágenes no destructivas. ^[10]

Aplicaciones de SP-STM

El microscopio de efecto túnel de barrido con polarización de espín es un instrumento versátil que ha ganado una enorme atención debido a su sensibilidad de superficie mejorada y resolución lateral hasta escala atómica, y puede usarse como una herramienta importante para estudiar materiales ferromagnéticos, como disprosio (Dy), películas delgadas cuasi-2D, nanoislas y nanocables cuasi-1D que tienen alta anisotropía magnética, etc. En un estudio realizado por L. Berbil-Bautista et al., ^[11] la pared de dominio magnético o pared de Néel del ancho de 2-5 nm presente en estos materiales se observa al acercar la punta de tungsteno recubierta de cromo (Cr) a la capa de Dy. Esto provoca la transferencia de partículas de Dy desde el material magnético al ápice de la punta. El ancho de la pared de dominio se calcula como donde es la rigidez de intercambio. El contraste magnético se mejora debido a la presencia de estados electrónicos que no están ocupados en el grupo de átomos de Dy presentes en el ápice de la punta. ^[11] La formación de paredes de dominio de 360° en películas ferromagnéticas juega un papel importante en la fabricación de dispositivos de memoria de acceso aleatorio magnéticos . Estas paredes de dominio se forman cuando se aplica un campo magnético externo a lo largo de la dirección fácil del material magnético. Esto obliga a las dos paredes de 180°, que también tienen un sentido de rotación idéntico, a acercarse. En un estudio realizado por A. Kubetzka et al., ^[12] se utilizó el SP-STM para medir la evolución de los perfiles de pared de dominio de 360° de dos nanocables de hierro de capa atómica variando el campo magnético externo entre 550-800 mT. ^[12] $${\displaystyle {\displaystyle w={\sqrt {2(A/k)}}},}$$ ${\textstyle A}$

Se han observado fenómenos de interferencia cuántica en islas de cobalto depositadas sobre sustrato de cobre (111). Esto se ha atribuido al hecho de que la dispersión causada por defectos electrónicos en el estado de la superficie , como bordes de terrazas, impurezas o adsorbatos presentes en una superficie de metal noble densamente compacta. Se ha utilizado STM con polarización de espín para investigar la estructura electrónica de islas triangulares de cobalto depositadas sobre cobre (111). Este estudio muestra que el sustrato y las islas exhiben sus patrones de ondas estacionarias individuales y esto se puede utilizar para encontrar el material con polarización de espín. ^[13]

Nuevos avances en SP-STM

Imagen SP-STS de un solo átomo de oxígeno absorbido en un sustrato de hierro (110).

Los nuevos avances en SP-STM muestran que esta técnica se puede utilizar para comprender mejor fenómenos complejos que no se han explicado con otras técnicas de obtención de imágenes. Las impurezas no magnéticas, como el oxígeno en la superficie magnética (doble capa de hierro sobre el sustrato de tungsteno (W)) provocan la formación de ondas polarizadas por espín. La impureza de oxígeno adsorbida en la doble capa de hierro se puede utilizar para estudiar la interacción entre las impurezas de Kondo en la interacción RKKY . Este estudio muestra que se pueden observar estados de dispersión anisotrópica alrededor de átomos de oxígeno individuales adsorbidos en la doble capa de hierro. Esto proporciona información sobre las características de espín de los estados electrónicos involucrados en el proceso de dispersión. ^[14]

De manera similar, se ha observado la existencia de antiferromagnetismo 2D en la interfaz de manganeso (Mn) y W(110) utilizando la técnica SP-STM. La importancia de este estudio es que la rugosidad a escala atómica en la interfaz entre Mn y W(110) causa frustración en la interacción magnética y da lugar a estructuras de espín complejas que no se pueden estudiar utilizando otros métodos. ^[15]

Método alternativo

Otra forma de obtener la distribución de magnetización es hacer que la punta proporcione una corriente fuerte de electrones polarizados por espín. Un método para lograr esto es hacer brillar la luz láser de polarización sobre una punta de GaAs , que produce electrones polarizados por espín debido al acoplamiento espín-órbita. Luego, la punta se escanea a lo largo de la muestra de manera muy similar a un STM convencional. ^[16] Una limitación de este método es que la fuente más efectiva de electrones polarizados por espín se obtiene haciendo que la luz láser incidente brille directamente en el lado opuesto de la punta, es decir, a través de la muestra misma. Esto restringe el método a la medición de muestras delgadas.

Véase también

• Microscopía
• Microscopía de sonda de barrido
• Microscopía de efecto túnel de barrido
• Válvula de giro
• Magnetorresistencia de túnel

Referencias

1. Wiesendanger, Roland (18 de noviembre de 2009). "Mapeo de espín a escala nanométrica y atómica". Reseñas de Física Moderna . 81 (4): 1495–1550. Bibcode :2009RvMP...81.1495W. doi :10.1103/RevModPhys.81.1495.
2. Wortmann, D.; Heinze, S.; Kurz, Ph.; Bihlmayer, G.; Blügel, S. (30 de abril de 2001). "Resolución de estructuras de espín complejas a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín" (PDF) . Physical Review Letters . 86 (18): 4132–4135. Bibcode :2001PhRvL..86.4132W. doi :10.1103/PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
3. Wiesendanger, R. ; Bürgler, D.; Tarrach, G.; Schaub, T.; Hartmann, U.; Güntherodt, H.-J.; Shvets, IV; Coey, JMD (1991-11-01). "Avances recientes en microscopía de efecto túnel que implica sondas y muestras magnéticas". Applied Physics A . 53 (5): 349–355. Bibcode :1991ApPhA..53..349W. doi :10.1007/BF00348147. ISSN  0947-8396.
4. Wulfhekel, W; Hertel, R; Ding, HF; Steierl, G; Kirschner, J (2002). "Puntas amorfas de baja magnetostricción para microscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín". Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 249 (1–2): 368–374. Código Bibliográfico :2002JMMM..249..368W. doi :10.1016/s0304-8853(02)00560-7. ISSN  0304-8853.
5. Bode, M.; Pascal, R. (1997). "Espectroscopia de efecto túnel de barrido de Fe/W(110) utilizando puntas de sonda recubiertas de hierro". Journal of Vacuum Science & Technology A . 15 (3): 1285–1290. Código Bibliográfico :1997JVSTA..15.1285B. doi :10.1116/1.580577.
6. Getzlaff, M.; Bode, M.; Heinze, S.; Pascal, R.; Wiesendanger, R. (1998). "Desdoblamiento por intercambio dependiente de la temperatura del estado de superficie magnético Gd(0001)". Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 184 (2): 155–165. Código Bibliográfico :1998JMMM..184..155G. doi :10.1016/s0304-8853(97)01140-2. ISSN  0304-8853.
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9. Binnig, Gerd; Rohrer, Heinrich (1987-07-01). "Microscopía de efecto túnel de barrido: desde el nacimiento hasta la adolescencia". Reseñas de Física Moderna . 59 (3): 615–625. Bibcode :1987RvMP...59..615B. doi : 10.1103/RevModPhys.59.615 .
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11. Berbil-Bautista, L. (2007). "Microscopía y espectroscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín de películas ferromagnéticas Dy(0001)/W(110)". Physical Review B . 76 (6): 064411. Bibcode :2007PhRvB..76f4411B. doi :10.1103/PhysRevB.76.064411.
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13. Pietzsch, O. (2006). "Estructura electrónica resuelta por espín de islas de cobalto a nanoescala en Cu(111)". Physical Review Letters . 96 (23): 237203. Bibcode :2006PhRvL..96w7203P. doi :10.1103/PhysRevLett.96.237203. PMID  16803397.
14. von Bergmann, K. (2004). "Dispersión de electrones polarizados por espín en adsorbatos de oxígeno individuales sobre una superficie magnética". Physical Review Letters . 92 (4): 046801. Bibcode :2004PhRvL..92d6801V. doi :10.1103/PhysRevLett.92.046801. PMID  14995391.
15. Wortmann, D. (2001). "Resolución de estructuras de espín complejas a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín" (PDF) . Physical Review Letters . 86 (18): 4132–4135. Bibcode :2001PhRvL..86.4132W. doi :10.1103/PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
16. Laiho, R.; Reittu, H. (1993). "Teoría de la microscopía de efecto túnel de barrido con electrones polarizados por espín obtenidos a partir de una punta semiconductora". Surface Science . 289 (3). doi :10.1016/0039-6028(93)90667-9.

Enlaces externos

• Una breve descripción general de STM
• Bode, M (2003). "Microscopía de efecto túnel de barrido con polarización de espín". Informes sobre el progreso en física . 66 (4): 523–582. Bibcode :2003RPPh...66..523B. doi :10.1088/0034-4885/66/4/203.