用于薄膜的远场和近场磁光学显微镜的多功能特高压系统

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用于薄膜的远场和近场磁光学显微镜的多功能特高压系统

基于电子显微镜的高分辨率成像技术，如带偏振分析的二次电子显微镜(SEMPA)，或光子发射电子显微镜(PEEM)或使用磁探针的技术(磁力显微镜(MFM)或自旋极化扫描隧道显微镜(STM)，通常局限于小的外部磁场。磁光显微镜没有这样的限制。然而，由于传统(远场)光学显微镜的横向分辨率受到衍射的限制，大约只能达到光波长的一半，因此纳米结构只能通过X射线显微镜或扫描近场光学显微镜(SNOM)在可见光范围内成像。

用于磁光研究的相当紧凑和振动隔离的特高压室连接到配备薄膜制备设施的特高压系统，以及用于表征薄膜结构和形态的STM和低能电子衍射(LEED)。结合极性和纵向MOKE, kerr显微镜和Sagnac-SNOM测量可以在变温度和外磁场下进行。由于在连续的MOKE, kerr显微镜和SNOM测量之间不需要样品转移，因此样品可以保持在恒定温度下，而磁畴结构可以在不同的长度尺度上进行研究(横向平均MOKE为E1 mm, kerr显微镜为bbb3mm, SNOM为亚毫米结构)。系统的示意图如图1所示。

图1

所有测量都可以在高达1500欧的外部磁场中进行，垂直或平行于薄膜平面，使用可旋转的(2轴)特高压电磁铁，在其中一个极鞋中有锥形孔，用于极几何测量。样品温度调节在约20和400 K之间的lhe流低温恒温器与集成加热器的温度控制，样品支架安装。对于MOKE和kerr显微镜，所有光学元件都位于特高压室之外。入射和反射光束通过UHV视孔。在MOKE和Kerrmicroscopy之间切换需要旋转样品和磁铁。可转移的SNOM头(见图1中的照片)由(i)用于扫描样品表面上锥形玻璃纤维的压电管扫描仪和(ii)安装在扫描仪正面的抖动单元组成，该单元用于剪切力距离控制。由于SNOM尖端用于照明和收集反射光(共享孔径模式)，所有其他光学元件都可以放置在UHV之外的光学台上。在特高压中，我们使用聚酰亚胺涂层单模玻璃纤维，通过特高压法兰的孔进行馈送

为了检测SNOM中的磁光Kerr效应，人们使用了一种改进的Sagnac干涉仪，工作在670 nm波长。与传统的偏振分析相比，Sagnac干涉仪对双折射或地形效应等互反效应不敏感。这些影响通常会导致Kerr-SNOM图像中的伪影。

为了测试新的可变温度UHV-Sagnac-SNOM的性能，人们使用了一小块垂直磁化和大Kerr旋转(红光约0.41)的TbFeCo磁光(MO)盘。表面轮廓由1毫米宽的轨道组成，由0.6毫米宽和100毫米深的凹槽分隔。沿着磁道，等间距的磁位与相反的磁化被热磁写入。

图2

图2(a)和(b)显示了MO盘的Sagnac-SNOM图像以及同时记录的地形图像。在地形图像中可以清晰地检测到轨迹和凹槽，这表明在目前的设置下，尖端到样本的距离控制在特高压下工作得很好。图像中的小波纹结构是由噪声激发的尖端到样品的振动引起的。所呈现的图像在室温下记录。然而，应该提到的是，用液氦冷却样品并不影响图像的距离控制和质量。从线扫描中，我们得到了小于10纳米的均方根噪声电平(见图2(c))。

在图2(b)的磁光图像中，磁性位清晰可见。甚至热磁写入比特的圆形也被很好地分解了。图像沿轨道边缘的亮条纹是由于反射光强度的强烈变化。原则上，这种强度效应可以通过适当的光信号归一化来降低。仪器的横向分辨率和克尔旋转灵敏度是通过沿轨迹的钻头的线扫描仪来估计的(见图2(d))。磁比特边缘的宽度和横向分辨率约为300纳米。这略低于远场显微镜的分辨率极限。原则上使用金属涂层纤维尖端可以得到进一步的改进。另一方面，信噪比为S/NE10。噪声可能主要是由于机械振动，因为反射光的强度以指数形式取决于尖端到样本的距离。由于信号对应于克尔旋转的两倍(E0.81)，磁光灵敏度从信噪比估计到约1.3 mrad。它已经足够成像磁畴，例如，厚度超过2单层的Fe/Cu(1 0 0)薄膜。然而，单层灵敏度可以通过进一步降低振动噪声来实现，例如通过消除噪声源。

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