Microscopía de efecto túnel de barrido polarizada por espín

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

Principio de funcionamiento

Una punta extremadamente afilada recubierta con una fina capa de material magnético se mueve sistemáticamente sobre una muestra. Se aplica un voltaje entre la punta y la muestra, lo que permite que los electrones hagan un túnel entre las dos, 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 formar un túnel. Este es esencialmente el efecto de la magnetorresistencia del túnel y la punta/superficie actúa esencialmente como una válvula de giro .

Dado que un escaneo que utiliza solo una punta magnetizada no puede distinguir entre los cambios actuales debido a la magnetización o la separación espacial, se deben utilizar estructuras multidominio y/o información topográfica de otra fuente (frecuentemente STM convencional). Esto hace posible la obtención de imágenes magnéticas hasta la escala atómica, por ejemplo en sistemas antiferromagnéticos . La información topográfica y magnética se puede obtener simultáneamente si la magnetización de la punta se modula a una frecuencia alta (20 a 30 kHz) utilizando una pequeña bobina enrollada alrededor de la punta. Por lo tanto, la magnetización de la punta cambia demasiado rápido para que responda el bucle de retroalimentación STM y la información topográfica se obtiene intacta. La señal de alta frecuencia se separa mediante un amplificador lock-in y esta señal proporciona información magnética sobre la superficie.

En la microscopía de efecto túnel de barrido (STM) estándar, la probabilidad de efecto túnel 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 STM polarizado por espín (SP-STM), la corriente de tunelización también depende de la orientación de espín de la punta y la muestra. La densidad local de estados (LDOS) de la punta magnética y la muestra es diferente para 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 hacer túneles, lo que da como resultado una gran corriente de túnel. Por otro lado, si los espines son antiparalelos, la mayoría de los estados disponibles ya están llenos y la corriente de túnel será significativamente menor. Con SP -STM es posible sondear la densidad local dependiente del espín de los estados de muestras magnéticas midiendo la conductancia de tunelización , que para sesgos pequeños viene 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 giro de la punta y la muestra, , y , son las densidades totales de estado y polarizaciones para la punta (t) y la(s) muestra(s), respectivamente, y es el ángulo entre la magnetización direcciones 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 túnel 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 voltaje de polarización finito , la expresión de la corriente de túnel en la ubicación de la punta se vuelve constante , la longitud de desintegración inversa de la función de onda del electrón y la carga y masa del electrón, respectivamente, es la energía- LDOS integrados de la punta, y , y son los vectores de magnetización correspondientes de los LDOS polarizados por espín. La corriente de túnel es la suma de 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 con polarización de espín. En los materiales magnéticos, la densidad de estados se divide entre diferentes orientaciones de espín, y la corriente de túnel es más fuerte 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 como para proporcionar una relación señal-ruido suficiente, pero al mismo tiempo tener una polarización de espín lo suficientemente grande como para proporcionar una relación señal-ruido suficiente , pero al mismo tiempo tener una campo magnético parásito para permitir un sondeo magnético no destructivo de la muestra y, finalmente, se debe controlar la orientación del giro en el vértice de la punta para determinar qué orientación de giro de la muestra se representa en la imagen. Para evitar la oxidación, la preparación de la punta normalmente debe realizarse en vacío ultraalto (UHV). Hay tres formas principales de obtener una punta de sonda adecuada para mediciones SP-STM:

1. El material magnético a granel (por ejemplo, hierro ) primero se ataca 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 magnetización de alta saturación que da como resultado un campo parásito más grande alrededor de la punta, lo que significa que no es posible obtener imágenes no destructivas. Se pueden utilizar puntas de hierro para medir muestras antiferromagnéticas o ferrimagnéticas . Las aleaciones amorfas , como las que tienen una magnetización de saturación más baja, pero aún así campos perdidos que no desaparecen. Para obtener imágenes no destructivas, las puntas se pueden fabricar a partir de materiales antiferromagnéticos como o , sin embargo, en este caso, el contraste de espín de la imagen se sacrifica debido a que las corrientes de túnel desde diferentes estados de espín se anulan 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 primero se graba 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 (menos que el diámetro de la punta) de material magnético. En películas tan 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 dentro 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, haciéndolo más nítido. Incluso con la deposición de una película delgada, la punta seguirá llevando un campo magnético parásito 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 retraerse dejando un grupo unido 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 películas ultrafinas. ^{[7] [8]}

Modos de operacion

SP-STM se puede operar en uno de tres modos: corriente constante y modo espectroscópico, que son similares a los modos de operación STM estándar pero con resolución de giro, o modo de magnetización de punta modulada que es exclusivo de las mediciones SP-STM. En el modo de corriente constante, la separación punta-muestra se mantiene constante mediante un circuito de retroalimentación eléctrica. La corriente de túnel medida consta de componentes promediados y dependientes del espín ( ) que se pueden descomponer a partir de los datos. La corriente de túnel está dominada principalmente por el vector de red 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 túnel dependiente del espín . Por tanto, 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 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 una 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 el LDOS resuelto por espín de la muestra, mientras que la corriente de túnel medida es proporcional al LDOS polarizado por espín integrado en energía. Al combinar el modo espectroscópico con el modo de corriente constante, es posible obtener datos de superficie tanto topográficos como resueltos por espín. ^[1] ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle \mathrm {d} I/\mathrm {d} U}$ ${\displaystyle I}$

En tercer lugar, 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 túnel 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 los LDOS polarizados por espín pueden cambiar no solo la magnitud sino también el signo en función de la energía, la corriente de túnel 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 túnel polarizada por espín en el modo de magnetización modulada. Sólo las puntas ferromagnéticas son adecuadas para el modo de magnetización modulada, lo que significa que sus campos perdidos podrían imposibilitar la obtención de imágenes no destructivas. ^[10]

Aplicaciones de SP-STM

El microscopio de efecto túnel de barrido polarizado por espín es un instrumento versátil que ha ganado una enorme atención debido a su mayor sensibilidad superficial y resolución lateral hasta escala atómica, y puede utilizarse como una herramienta importante para estudiar materiales ferromagnéticos, como el disprosio (Dy), cuasi -Películas delgadas 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 de ancho 2- Los 5 nm presentes en estos materiales se observan acercando la punta de tungsteno recubierta de cromo (Cr) a la capa Dy. Esto provoca la transferencia de partículas Dy del material magnético al vértice de la punta. El ancho de la pared del dominio se calcula como donde está la rigidez de intercambio. El contraste magnético aumenta debido a la presencia de estados electrónicos que no están ocupados en el grupo de átomos Dy presentes en el vértice de la punta. ^[11] La formación de paredes de dominio de 360° en películas ferromagnéticas juega un papel importante en la fabricación de dispositivos magnéticos de memoria de acceso aleatorio . 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 el mismo sentido de rotación, 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 y 800 mT. ^[12] $${\displaystyle {\displaystyle w={\sqrt {2(A/k)}}},}$$ ${\textstyle A}$

El fenómeno de interferencia cuántica se ha observado en islas de cobalto depositadas sobre sustrato de cobre(111). Esto se ha atribuido al hecho de que la dispersión es 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 empaquetada. Se ha utilizado Spin polarized-STM 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 puede usarse para encontrar el material polarizado por 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 aún más para comprender fenómenos complejos que no han sido explicados por otras técnicas de imágenes. Las impurezas no magnéticas, como el oxígeno en la superficie magnética (doble capa de hierro sobre sustrato de tungsteno (W)), provocan la formación de ondas polarizadas de 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 una 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 pueden estudiarse utilizando otros métodos. ^[15]

Metodo alternativo

Otra forma de obtener la distribución de magnetización es hacer que la punta proporcione una fuerte corriente de electrones polarizados por espín. Un método para lograr esto es hacer brillar luz láser de polarización sobre una punta de GaAs , que produce electrones polarizados por espín debido al acoplamiento de órbita de espín. Luego, la punta se escanea a lo largo de la muestra de manera muy similar al 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 medir muestras delgadas.

Ver también

• Microscopía
• Microscopía de sonda de barrido
• Microscopía de efecto túnel
• 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. Código Bib : 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 complejas de espín a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel de barrido polarizado por espín" (PDF) . Cartas de revisión física . 86 (18): 4132–4135. Código bibliográfico : 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 (1 de noviembre de 1991). "Avances recientes en microscopía de efecto túnel con sondas y muestras magnéticas". Física Aplicada A. 53 (5): 349–355. Código bibliográfico : 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 magnetoestricción para microscopía de túnel de barrido polarizada por espín". Revista de Magnetismo y Materiales Magnéticos . 249 (1–2): 368–374. Código Bib : 2002JMMM..249..368W. doi :10.1016/s0304-8853(02)00560-7. ISSN  0304-8853.
5. Bode, M.; Pascal, R. (1997). "Escaneo de espectroscopia de túnel de Fe / W (110) utilizando puntas de sonda cubiertas de hierro". Revista de ciencia y tecnología del vacío A. 15 (3): 1285-1290. Código Bib : 1997JVSTA..15.1285B. doi : 10.1116/1.580577.
6. Getzlaff, M.; Bode, M.; Heinze, S.; Pascal, R.; Wiesendanger, R. (1998). "División de intercambio dependiente de la temperatura del estado de superficie magnético Gd (0001)". Revista de Magnetismo y Materiales Magnéticos . 184 (2): 155-165. Código Bib : 1998JMMM..184..155G. doi :10.1016/s0304-8853(97)01140-2. ISSN  0304-8853.
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11. Berbil-Bautista, L. (2007). "Microscopía de efecto túnel de barrido polarizado por giro y espectroscopia de películas ferromagnéticas Dy (0001) / W (110)". Revisión Física B. 76 (6): 064411. Código bibliográfico : 2007PhRvB..76f4411B. doi : 10.1103/PhysRevB.76.064411.
12. Kubetzka, A. (2003). "Estudio de microscopía de efecto túnel de barrido polarizado por giro". Revisión Física B. 67 (2): 020401. Código bibliográfico : 2003PhRvB..67b0401K. doi : 10.1103/PhysRevB.67.020401.
13. Pietzsch, O. (2006). "Estructura electrónica resuelta por giro de islas de cobalto a nanoescala en Cu (111)". Cartas de revisión física . 96 (23): 237203. Código bibliográfico : 2006PhRvL..96w7203P. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.237203. PMID  16803397.
14. von Bergmann, K. (2004). "Dispersión de electrones polarizados por giro en adsorbatos de oxígeno individuales sobre una superficie magnética". Cartas de revisión física . 92 (4): 046801. Código bibliográfico : 2004PhRvL..92d6801V. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.046801. PMID  14995391.
15. Wortmann, D. (2001). "Resolución de estructuras complejas de espín a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel de barrido polarizado por espín" (PDF) . Cartas de revisión física . 86 (18): 4132–4135. Código bibliográfico : 2001PhRvL..86.4132W. doi : 10.1103/PhysRevLett.86.4132. PMID  11328113.
16. Laiho, R.; Reittu, H. (1993). "Teoría de la microscopía de efecto túnel con electrones polarizados por espín obtenidos de una punta semiconductora". Ciencia de la superficie . 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 polarizado por giro". Informes sobre los avances en física . 66 (4): 523–582. Código Bib : 2003RPPh...66..523B. doi :10.1088/0034-4885/66/4/203.