Применение сканирующего СКВИД-микроскопа

ССМ-77 предназначен для визуализации и количественных измерений локальных магнитных полей рассеяния высокотемпературных сверхпроводниковых тонкопленочных структур, магнитных пленок и магнитных микроструктур при температуре кипения водянистого азота, Т=77 К. Результаты измерений позволяют найти рассредотачивание вектора намагниченности исследуемого объекта.

Таблица 6.1 Главные характеристики ССМ-77.

• температура эталона 77 К,
• рабочая температура датчика 77 К
• чувствительность по магнитному полю 100 пТл/Гц,
• пространственное разрешение 20 мкм
• динамический спектр 120 дБ
• наибольшее измеримое магнитное поле 10-4 Т
• рабочая полоса частот 0 — 10 кГц
• площадь сканирования 10 мм х 10 мм
• малый шаг сканирования по Х,Y 2 мкм

В сопоставлении с маленькими датчиками Холла, магнитооптическими способами и магнитносиловой микроскопией СКВИД – микроскопия отличается уникальной чувствительностью и минимальным оборотным воздействием на исследуемый объект. СКВИД-микроскопы могут регистрировать магнитные поля величиной наименее 100 пТ. Они могут быть применены в материаловедении, нанотехнологии, микроэлектронике и криоэлектронике, также для базовых исследовательских работ в области физики конденсированных сред.

ССМ-77 был разработан и сделан на физическом факультете МГУ в 1994 г. и является единственным в Рф действующим макетом сканирующего СКВИД-микроскопа. Подобные микроскопы сделаны в США, Стране восходящего солнца, Швеции и Германии. ССМ-77 относится к классу устройств, позволяющих получать изображения рассредотачивания магнитного поля над поверхностью исследуемого объекта с пространственным разрешением от единиц микрометров до нескольких мм и чувствительностью от 10-ов наноТесла до толикой пикоТесла. В сканирующем СКВИД-микроскопе эталон перемещается в плоскости X-Y относительно СКВИДа, при всем этом СКВИД определяет нормальную к поверхности эталона компоненту магнитного поля Вz. Во время сканирования выходной сигнал СКВИД регится зависимо от текущих координат и преобразуется при помощи компьютера в двумерное либо трехмерное изображение рассредотачивания магнитного поля.

ССМ-77 позволяет получать изображения рассредотачивания магнитного поля с пространственным разрешением 50 – 20 мкм. Он употреблялся для исследования параметров высокотемпературных сверхпроводящих тонких пленок и тонкопленочных структур, ультратонких пленок Ni и пленок Ленгмюра-Блоджетт с встроенными атомами Gd. С его помощью были записаны изображения магнитной регистрирующей среды на куске стандартной дискеты, визуализировано поведение ансамбля доменов в структурах с огромным магнитным импедансом (ГМИ).

Рис. 6.10 Изображение рассредотачивания магнитного поля поблизости поверхности сверхпроводящей пленки

В качестве примера на рисунке 2 представлено изображение рассредотачивания магнитного поля поблизости поверхности сверхпроводящей YBa2Cu3O7-x пленки (на расстоянии 20 мкм) при температуре кипения водянистого азота 77К. Резкие магнитные особенности, видимые на изображении, соответствуют одиночным квантам магнитного потока, проникшим в пленку (1 квант потока Ф0 = 2·10-15 Вб). Исследование рассредотачивания магнитных вихрей в ВТСП пленках позволяет судить о качестве пленок и перспективах их использования в сверхпроводниковой электронике.

Рис. 6.11 Визуализация магнитной структуры пермаллоевого элемента с внедрением ССМ-77

ССМ-77 употреблялся для визуализации магнитной структуры в ГМИ элементах. На рисунке 6.11представлено магнитное изображение пермаллоевого полоскового элемента шириной 1 мкм и размерами 6 мм на 0,4 мм. Топография обычной составляющие магнитного поля над центральной частью эталона была визуализирована с пространственным разрешением порядка 30 мкм. Изображение, приобретенное в остаточном магнитном поле порядка 0,2 мкТ, отлично соответствует доменной структуре с анизотропией перпендикулярной продольной оси эталона. Контроль магнитной структуры реальных ГМИ-элементов важен для оптимизации технологических процессов.

Предстоящее развитие сканирующих СКВИД-микроскопов связано с повышением пространственного разрешения устройств до субмикронного масштаба, нужного для исследования наноструктур. Многообещающим направлением является создание СКВИД-микроскопов для измерения образцов при комнатной температуре (ССМ-300), что позволит существенно расширить область их внедрения.