超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及材料測(cè)試儀器領(lǐng)域，具體涉及一種超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近年來(lái)磁存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)密度的迅速增長(zhǎng)，目前的工藝已經(jīng)逐漸達(dá)到了極限，這迫使人們尋找更高密度的存儲(chǔ)介質(zhì).隨著存儲(chǔ)密度的提高，每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)以及存儲(chǔ)單元之間磁排列構(gòu)型如何，吸引了研究人員的極大關(guān)注.為了進(jìn)一步研究和理解材料的微磁性質(zhì)，諸如磁疇結(jié)構(gòu)以及樣品的形貌和磁疇結(jié)構(gòu)之間相互影響、原子磁矩在低維體系中的排列，迫切需要一種高空間分辨率(原子分辨)的磁探測(cè)技術(shù).在過(guò)去發(fā)展起來(lái)的幾種磁敏感的顯微技術(shù)如磁光克爾顯微術(shù)、洛侖茲顯微術(shù)、極化分析的掃描電子顯微術(shù)、掃描近場(chǎng)磁光顯微術(shù)以及磁力顯微術(shù)，都不能達(dá)到足夠高的空間分辨率(如小于10nm)。
[0003]利用掃描隧道顯微術(shù)(STM)可以很容易得到空間的原子分辨.在20世紀(jì)80年代中期，就有人提出利用圓偏振極化光照射砷化鎵針尖或是用鐵磁性的針尖產(chǎn)生自旋極化的電流，使得STM對(duì)隧道電流的自旋敏感.盡管在隧道結(jié)中自旋極化電子隧穿已經(jīng)是很成熟的實(shí)驗(yàn)技術(shù)了，但在STM中卻很難實(shí)現(xiàn).到了 1990年，這項(xiàng)技術(shù)才由德國(guó)的Wiesendanger小組首次實(shí)現(xiàn)，直到最近才能夠較常規(guī)地觀察到納米量級(jí)的磁疇結(jié)構(gòu)和磁(自旋)構(gòu)型.這主要?dú)w因于兩個(gè)方面的突破:(I)應(yīng)用了隧道譜的技術(shù)；(2)使用了具有磁性薄膜鍍層的針尖.前者成功地區(qū)分了隧道電流中表面形貌和磁結(jié)構(gòu)的信息，而后者減少了由針尖的雜散磁場(chǎng)對(duì)樣品磁結(jié)構(gòu)的破壞。
[0004]原理是如此，然而由于成功制備自旋極化的針尖是實(shí)現(xiàn)自旋極化掃描隧道顯微測(cè)量的關(guān)鍵，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)有許多難點(diǎn)需要克服.如果要使針尖發(fā)射自旋極化的電子，首先想到的是針尖是鐵磁性金屬(如鐵、鈷、鎳及其合金).但是，如果整個(gè)針尖用鐵磁性金屬做，在針尖和樣品之間的典型間距為lnm，針尖影響樣品的雜散磁場(chǎng)相當(dāng)大.可以估計(jì)一下，在鐵的表面，其雜散磁場(chǎng)為B?1.1T.如此大的雜散磁場(chǎng)可以足夠改變樣品的磁結(jié)構(gòu)。除此之外，由于通常自旋極化掃描隧道顯微測(cè)量是在超高真空環(huán)境中進(jìn)行的，因此對(duì)制備自旋極化探針增加了難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有的技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置。
[0006]本實(shí)用新型的內(nèi)容是提供一種超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置。整個(gè)實(shí)用新型涉及到在超高真空中對(duì)掃描隧道顯微鏡探針的針尖進(jìn)行高溫處理，以求達(dá)到清潔針尖，去除針尖表面的氧化層。在此基礎(chǔ)上，在針尖的頂端蒸鍍幾個(gè)原子層厚的磁性金屬薄膜，以達(dá)到產(chǎn)生自旋極化電流的功能。
[0007]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]—種超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置，包括一個(gè)掃描隧道顯微鏡探針的針尖架，一個(gè)電子束加熱環(huán)，一或兩個(gè)分子束外延蒸發(fā)源，和一個(gè)晶體振蕩測(cè)厚儀；針尖架用于固定針尖，電子束加熱環(huán)位于針尖上端，分子束外延蒸發(fā)源射向針尖安裝，針尖架、針尖、電子束加熱環(huán)、分子束外延蒸發(fā)源形成一聯(lián)合體，該聯(lián)合體與晶體振蕩測(cè)厚儀連接。晶體振蕩測(cè)厚儀用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜生長(zhǎng)的厚度，加以控制。
[0009]本實(shí)用新型的裝置進(jìn)一步包括所述分子束外延蒸發(fā)源為為任何形式的固態(tài)蒸發(fā)源。例如:可以是簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)、K-CELL的分子束源、或電子束蒸發(fā)源。
[0010]本實(shí)用新型的裝置進(jìn)一步包括所述針尖為金屬(鎢W、鉑銥合金Ptlr)、金銀材料相應(yīng)電化學(xué)腐蝕制成的掃描隧道顯微鏡的針尖，或是商用購(gòu)買(mǎi)的原子力顯微鏡的針尖。此處不應(yīng)僅限于這些針尖。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是，
[0012](I)通過(guò)對(duì)針尖在加熱環(huán)中的位置的調(diào)節(jié)，以及對(duì)電子束加熱的電流調(diào)價(jià)，從而有效的控制此后針尖的形狀。
[0013](2)電子束加熱，不僅可以去除針尖表面的氧化層，同時(shí)也可以加熱針尖，使得針尖的頂端被融化，從而變鈍。
[0014](3)采用分子束外延蒸發(fā)源來(lái)生長(zhǎng)，分子束外延的生長(zhǎng)速率低，薄膜的層厚可以精確控制到單原子層的量級(jí)。
[0015](4)采用晶體振蕩測(cè)厚儀來(lái)原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜生長(zhǎng)的層厚，從而達(dá)到控制磁性薄膜的極化方向。
[0016](5)本實(shí)用新型可成功制備自旋極化的針尖，以實(shí)現(xiàn)自旋極化掃描隧道顯微測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]圖1是實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中1、針尖架，2、針尖，3、電子束加熱環(huán)，4、真空腔，5、Gd蒸發(fā)源，6、Fe蒸發(fā)源。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本實(shí)用新型涉及的裝置包含:一個(gè)掃描隧道顯微鏡探針的針尖架；一個(gè)電子束加熱環(huán)；一或兩個(gè)分子束外延蒸發(fā)源，用于生長(zhǎng)磁性金屬薄膜；一個(gè)晶體振蕩測(cè)厚儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜生長(zhǎng)的厚度，加以控制。整個(gè)裝置可以在高真空，超高真空的環(huán)境中工作。具體實(shí)施例如圖1所示:一個(gè)針尖架1，一個(gè)電子束加熱環(huán)3，兩個(gè)分子束外延蒸發(fā)源，Gd蒸發(fā)源5和Fe蒸發(fā)源6，蒸發(fā)源用于生長(zhǎng)磁性金屬薄膜，針尖架I用于固定針尖2，電子束加熱環(huán)3位于針尖2上端，Gd蒸發(fā)源5和Fe蒸發(fā)源6射向針尖2安裝，針尖架1、針尖2、電子束加熱環(huán)3、Gd蒸發(fā)源5和Fe蒸發(fā)源6形成一聯(lián)合體，該聯(lián)合體位于真空腔4內(nèi)。
[0021]其中，高靈敏度掃描探針顯微鏡，可以是任何利用掃描探針進(jìn)行材料表面形貌微觀或原子尺度測(cè)量的裝置，例如:Pan type掃描隧道顯微鏡，Beetle type掃描隧道顯微鏡，音叉掃描探針顯微鏡等。分子束蒸發(fā)源，可以為任何形式的固態(tài)蒸發(fā)源，可以是簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)或是K-CELL的分子束源以及電子束蒸發(fā)源。掃描隧道顯微鏡探針針尖，可以是但不僅限于:金屬(鎢(W)、鉑銥合金(Ptlr))，金銀等材料相應(yīng)電化學(xué)腐蝕制成的掃描隧道顯微鏡的針尖，或是商用購(gòu)買(mǎi)的原子力顯微鏡的針尖。
[0022]制備實(shí)驗(yàn)中使用的是鍍有磁性薄膜的非磁性針尖.，將腐蝕好的多晶鎢針尖在高真空中利用電子束加熱環(huán)退火(flash)到約2200K，去掉氧化層，退火將使針尖變鈍，針尖的直徑約為Ιμπι.。然后在高真空中將針尖在室溫溫度下蒸鍍上多個(gè)原子層(ML)的Gd或者多個(gè)原子層的Fe，接著退火到約550Κ保持幾分鐘.該厚度的Gd在T < 0.7TC溫度下是鐵磁性(居里溫度TC = 293Κ)，在T < 0.6TC溫度下是垂直磁化。此時(shí)針尖上的Gd鍍層的磁矩?fù)駜?yōu)取向在平行于針尖方向，適用于觀察垂直于樣品平面的磁信息；而？6鍍層磁矩的擇優(yōu)取向垂直于針尖方向，適用于觀察在樣品平面的磁信息。
[0023]本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)針尖在加熱環(huán)中的位置的調(diào)節(jié)，以及對(duì)電子束加熱的電流調(diào)價(jià)，從而有效的控制此后針尖的形狀。由于電子束加熱，不僅可以去除針尖表面的氧化層，同時(shí)也可以加熱針尖，使得針尖的頂端被融化，從而變鈍。此后，在針尖上生長(zhǎng)磁性金屬薄膜需要一個(gè)鈍的針尖；然而，針尖如果太鈍，也會(huì)降低掃描隧道顯微測(cè)量的空間分辨率，使得掃描隧道顯微鏡無(wú)法分辨微觀的磁學(xué)信息。所以，成功的制備出清潔而又相對(duì)尖銳的針尖是其中的關(guān)鍵。此后的磁性薄膜，也需要在精確可控的情況下生長(zhǎng)。因此，本實(shí)用新型選擇使用分子束外延蒸發(fā)源來(lái)生長(zhǎng)，主要因?yàn)榉肿邮庋拥纳L(zhǎng)速率低，薄膜的層厚可以精確控制到單原子層的量級(jí)。在本實(shí)用新型中，還采用晶體振蕩測(cè)厚儀來(lái)原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜生長(zhǎng)的層厚，從而達(dá)到控制磁性薄膜的極化方向。本實(shí)用新型克服了許多難點(diǎn)，可成功制備自旋極化的針尖，以實(shí)現(xiàn)自旋極化掃描隧道顯微測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置，其特征是，包括一個(gè)掃描隧道顯微鏡探針的針尖架，一個(gè)電子束加熱環(huán)，一或兩個(gè)分子束外延蒸發(fā)源，和一個(gè)晶體振蕩測(cè)厚儀；針尖架用于固定針尖，電子束加熱環(huán)位于針尖上端，分子束外延蒸發(fā)源射向針尖安裝，針尖架、針尖、電子束加熱環(huán)、分子束外延蒸發(fā)源形成一聯(lián)合體，該聯(lián)合體與晶體振蕩測(cè)厚儀連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置，其特征是，所述分子束外延蒸發(fā)源為簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)、K-CELL的分子束源、或電子束蒸發(fā)源。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高真空自旋極化掃描隧道顯微鏡探針制備用的專(zhuān)用裝置，其特征是，所述針尖為鎢W、或鉑銥合金Ptlr、金銀材料相應(yīng)電化學(xué)腐蝕制成的掃描隧道顯微鏡的針尖，或是商用購(gòu)買(mǎi)的原子力顯微鏡的針尖。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及材料測(cè)試儀器領(lǐng)域，更確切地說(shuō)涉及一種超高真空下進(jìn)行自旋極化掃描探針顯微鏡探針的制備方法和裝置。整個(gè)方案涉及到在超高真空中對(duì)掃描隧道顯微鏡探針的針尖進(jìn)行高溫處理，以求達(dá)到清潔針尖，去除針尖表面的氧化層。在此基礎(chǔ)上，在針尖的頂端蒸鍍幾個(gè)原子層厚的磁性金屬薄膜，以達(dá)到產(chǎn)生自旋極化電流的功能。
【IPC分類(lèi)】G01Q60/42, G01Q60/16, G01Q70/18
【公開(kāi)號(hào)】CN204882608
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520373128
【發(fā)明人】潘明虎
【申請(qǐng)人】常州朗道科學(xué)儀器有限公司
【公開(kāi)日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月2日