Microscopia a Forza Magnetica (MFM)

La tecnica di scansione di Microscopia a Forza Magnetica, o MFM, qui descritta, è il metodo principale della microscopia a scansione per sondare campioni con proprietà magnetiche o materiali magnetici e evidenziare caratteristiche come i domini magnetici e le pareti di dominio in un campione. Un'applicazione tipica è quella del controllo qualità nel campo dei supporti di memorizzazione magnetica.

Nella MFM si misurano le forze magnetiche che agiscono su una punta acuminata e magnetizzata da parte del campione. Durante la misurazione, la punta viene sollevata dalla superficie per separare le forze magnetiche a lungo raggio dalle forze atomiche a corto raggio tra punta e campione. La microscopia a forza magnetica opera in modalità dinamica a modulazione d'ampiezza, detta anche "tapping mode". I cantilever sono poco costosi e disponibili in commercio. La MFM mappa la fase e la frequenza dell'oscillazione del cantilever mentre passa sopra il campione a un'altezza prestabilita. Un gradiente di forza magnetica repulsiva provoca uno spostamento della curva di risonanza verso una frequenza più alta, accompagnato da un aumento dello spostamento di fase (contrasto luminoso). Al contrario, un gradiente di forza magnetica attrattiva fa sì che la curva di risonanza si sposti a una frequenza più bassa, accompagnata da una diminuzione dello sfasamento (contrasto scuro). I vantaggi del funzionamento dell'MFM in modalità dinamica sono un basso rumore e una maggiore risoluzione. La distanza punta-campione è un parametro cruciale da ottimizzare per un funzionamento efficace della MFM. Se la punta è troppo lontana dal campione, la risoluzione sarà compromessa. Se la punta è troppo vicina al campione, la topografia verrà convoluta nel segnale MFM, complicandone notevolmente l'interpretazione.

Di seguito sono riportate immagini MFM di una superficie di acciaio inossidabile lucidato. A sinistra è riportata un'immagine topografica di 80µm x 80µm che mostra una superficie molto liscia con alcuni segni di lucidatura che attraversano diagonalmente la superficie. L'immagine di destra è la corrispondente immagine di fase MFM per quest'area, che rivela caratteristiche e morfologie molto distinte non evidenti nell'immagine topografica. La MFM mostra chiaramente i domini magnetici e la fase di ferrite magnetica dalla classica forma a labirinto.

Microscopia a Forza Magnetica con campi magnetici applicati

La suite di AFM Nanosurf può essere dotata di un supporto per campioni a campo magnetico variabile che consente di applicare un campo magnetico continuo nel piano del campione. L'imaging MFM può essere eseguito con il campione in un campo magnetico continuo fino a 720mT. Le aree di applicazione sono l'imaging magnetico di film e nanostrutture ferromagnetiche. A titolo di esempio, sono riportate una serie di immagini MFM 7µm x 7µm di un reticolo Shakti sotto diversi campi magnetici applicati (da sinistra a destra, -20mT, -50mT e -200mT).

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Dr. Stefano Pergolini
Dr. Stefano Pergolini

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