[논문 리뷰] Mechanical magnetometry of Cobalt nanospheres deposited by focused electron beam at the tip of ultra-soft cantilevers

Hugo Lavenant, V. V. Naletov외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 45인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 초연성 캔틸레버 끝에 초점형 전자빔 유도 증착(FEBID)을 통해 성장시킨 개별 코발트 나노구형체의 기계적 자기측정을 수행하여 그들의 자기 히스테리시스를 측정한다. 캔틸레버의 기계적 공진 주파수의 외부 자장에 따른 이동을 추적함으로써 저자들은 입자 크기와 무관하게 430 emu/cm³의 포화 자화를 추출하였으며, 잔류자화 상태에서 자기 바이폴라 상태가 평형 구성임을 규명하였다.

ABSTRACT

Using focused-electron-beam-induced deposition, Cobalt magnetic nanospheres with diameter ranging between 100 nm and 300 nm are grown at the tip of ultra-soft cantilevers. By monitoring the mechanical resonance frequency of the cantilever as a function of the applied magnetic field, the hysteresis curve of these individual nanospheres are measured. This enables to evaluate their saturation magnetization, found to be around 430 emu/cm^3 independently of the size of the particle, and to infer that the magnetic vortex state is the equilibrium configuration of these nanospheres at remanence.

연구 동기 및 목표

• 자기력 현미경(MFM) 및 자기공명력 현미경(MRFM)에 사용하기 위한 고품질의 자기 나노구형체를 초연성 캔틸레버 끝에 실시간으로 통합하는 방법을 개발하기 위해.
• 초연성 캔틸레버에 FEBID로 성장시킨 개별 Co 나노구형체(100–300 nm 지름)의 자기적 성질을 특성화하기 위해.
• 기계적 탐측 기술을 사용하여 이 나노구형체의 포화 자화 및 자기 구성(예: 바이폴라 상태)을 잔류자화 상태에서 결정하기 위해.
• 미래의 MRFM 및 MFM 응용 분야에서 고감도·고해상도 탐측기로 FEBID로 성장시킨 Co 나노구형체를 사용할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 초연성 실리콘 nitride 캔틸레버의 끝부분에 스프링 상수가 0.01 N/m 미만인 초연성 캔틸레버에 FEBID를 사용하여 Co 나노구형체(명목상 반지름: 100, 200, 300 nm)를 직접 성장시켰다.
• 코발트 전구체인 Co2(CO)8를 사용하여 아르과소 사의 Focused Ion Beam(FIB) 시스템을 이용해 캔틸레버를 제작하였으며, 최적화된 빔 파arameters(5 kV, 25–50 pA)를 적용하여 약 75%의 Co 순도를 확보하였다.
• 자기 특성 분석은 기계적 자기측정 기법을 통해 수행되었으며, 레이저 반사 및 위상 잠금 루프 피드백를 사용하여 외부 자장에 따른 캔틸레버의 공진 주파수를 모니터링하였다.
• 진공 챔버(P < 10⁻⁵ mbar) 내에서 전자석을 사용하여 측정를 수행하였으며, 자장 기울기를 생성하기 위해 자기 실린더를 사용하여 감도를 향상시켰다.
• 주파수 이동은 나노자석에 작용하는 자기 토크로 기인하며, 校정 및 모델링을 통해 히스테리시스 루프 및 포화 자화를 추출할 수 있었다.
• 관측된 히스테리시스 행동을 해석하고 바이폴라 상태 존재를 확인하기 위해 실험적으로 유도된 파arameters를 사용한 마이크로자기 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초연성 캔틸레버에 부착된 FEBID로 성장시킨 Co 나노구형체(100–300 nm)의 포화 자화는 얼마인가?
• RQ2 이 나노구형체의 잔류자화 상태에서 평형 자기 구성은 무엇이며, 입자 크기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 초연성 캔틸레버에서 주파수 이동 측정을 통한 기계적 자기측정이 개별 나노자석의 정량적 자기 특성 분석을 가능하게 하는가?
• RQ4 Co 나노구형체의 자기 히스테리시스 행동은 막대기나 기준 자기 재료와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 FEBID를 얼마나 최적화하여 MRFM 응용을 위한 3차원 나노자석의 Co 함량과 자기 품질을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Co 나노구형체의 포화 자화는 입자 크기(100–300 nm)와 무관하게 430 ± 80 emu/cm³로 측정되었으며, 이는 이 크기 범위 내에서 일관된 자기 품질을 나타낸다.
• 나노구형체의 히스테리시스 루프는 낮은 자장에서 약한 히스테리시스와 선형 행동을 보이며, 포화 자장은 약 1.8 kOe로 측정된 자화와 일치한다.
• 마이크로자기 시뮬레이션은 자화 상태가 잔류자화 상태에서 바이폴라 상태가 기저 상태임을 확인하였으며, ±0.1 kOe 및 ±0.4 kOe 자장에서 관찰된 특징적인 자화 점프는 바이폴라 핵의 형성 및 반전을 나타낸다.
• 100 nm 입자는 300 nm 입자보다 더 둥근 히스테리시스 루프를 보이며, 이는 자화 반전 역학에 대해 더 강한 유한 크기 효과가 작용함을 시사한다.
• 현재 나노구형체의 Co 함량은 약 75 at.%로, 막대기 Co(100%)보다 낮다. 빔 전류, 체류 시간, 진동 제어 등의 FEBID 파arameters 최적화를 통해 순도와 자화를 향상시킬 수 있다.
• 결과적으로 FEBID로 성장시킨 Co 나노구형체는 초연성 캔틸레버에 부착된 고감도 탐측기로서 향후 MRFM 및 MFM 응용 분야에서 100 nm 이하의 공간 해상도를 확보할 수 있음을 입증하였다.