8.4: Microscopía de Fuerza Magnética
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La microscopía de fuerza magnética (MFM) es una extensión natural de la microscopía de túnel de barrido (STM), por lo que se puede observar tanto la topología física de una superficie de muestra como la topología magnética. La microscopía de túnel de barrido fue desarrollada en 1982 por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, y ambos compartieron el premio Nobel de 1986 por su innovación. Posteriormente Binnig desarrolló el primer microscopio de fuerza atómica (AFM) junto con Calvin Quate y Christoph Gerber (Figura\(\PageIndex{1}\)). La microscopía de fuerza magnética no se quedó atrás, con el primer reporte de su uso en 1987 por Yves Martin y H. Kumar Wickramasinge (Figura\(\PageIndex{2}\)). Se utilizó un AFM con punta magnética para realizar estos primeros experimentos, los cuales demostraron ser útiles en la obtención de imágenes de campos magnéticos tanto estáticos como dinámicos.
MFM, AFM y STM tienen configuraciones instrumentales similares, todas las cuales se basan en los microscopios de túnel de escaneo temprano. En esencia, STM utiliza una punta conductora muy pequeña unida a un cilindro piezoeléctrico para escanear cuidadosamente a través de un pequeño espacio de muestra. Se miden las fuerzas electrostáticas entre la muestra conductora y la punta, y la salida es una imagen que muestra la superficie de la muestra. AFM y MFM son esencialmente tipos derivados de STM, lo que explica por qué un dispositivo MFM típico es muy similar a un STM, con un controlador piezoeléctrico y punta magnetizada como se ve en la Figura\(\PageIndex{3}\) y la Figura\(\PageIndex{4}\).
Uno puede notar que este instrumento MFM se parece mucho a un microscopio de fuerza atómica, y esto es por una buena razón. Los instrumentos MFM más simples no son más que los instrumentos AFM con punta magnética. Las diferencias entre AFM y MFM radican en los datos recopilados y su procesamiento. Donde AFM proporciona datos topológicos a través de tapping, sin contacto o modo de contacto, MFM proporciona datos topológicos (tapping) y topológicos magnéticos (sin contacto) a través de un proceso de dos escaneos conocido como escaneo intercalado. Las relaciones entre STM básica, AFM y MFM se resumen en la Tabla\(\PageIndex{1}\).
| Técnicas | Muestras | Cualidades observadas | Modos | Beneficios | Limitaciones |
| MFM | Cualquier superficie de película o polvo; magnética | Interacciones electrostáticas; fuerzas/dominios magnéticos; interacciones de van der Waals; topología; morfología | Tapping; sin contacto | Propiedades magnéticas y físicas; alta resolución | La resolución depende del tamaño de la punta; diferentes consejos para diversas aplicaciones; procesamiento y análisis complicados de datos |
| STM | Solo superficies conductoras | Topología; morfología | Altura constante; corriente constante | Configuración instrumental más simple; muchas variaciones | La resolución depende del tamaño de la punta; las puntas se desgastan fácilmente; técnica rara |
| AFM | Cualquier superficie de película o polvo | Tamaño de partícula; topología; morfología | Tapping; contacto; sin contacto | Común, estandarizado; a menudo no necesita punta especial; facilidad de análisis de datos | La resolución depende del tamaño de la punta; puntas fáciles de romper; proceso lento |
Recopilación de datos
El escaneo intercalado, también conocido como escaneo de dos pasadas, es un proceso que se usa típicamente en un experimento MFM. La punta magnetizada se pasa primero a través de la muestra en modo tapping, similar a un experimento AFM, y esto da la topología superficial de la muestra. Después, se toma un segundo escaneo en modo sin contacto, donde se mide la fuerza magnética ejercida sobre la punta por la muestra. Estos dos tipos de escaneos se muestran en la Figura\(\PageIndex{5}\).
En el modo sin contacto (también llamado modo dinámico o AC), el gradiente de fuerza magnética de la muestra afecta la frecuencia de resonancia del voladizo MFM, y se puede medir de tres maneras diferentes.
Detección de fase: se mide la diferencia de fase entre la oscilación del voladizo y la fuente piezoeléctrica Detección de
amplitud: se miden los cambios en las oscilaciones del voladizo Modulación de
frecuencia: la frecuencia de oscilación de la fuente piezoeléctrica se cambia a mantener un desfase de 90° entre el voladizo y el actuador piezoeléctrico. Se mide el cambio de frecuencia necesario para el rezago.
Independientemente del método utilizado para determinar el gradiente de fuerza magnética de la muestra, un escaneo intercalado MFM siempre dará al usuario información tanto sobre la superficie como sobre la topología magnética de la muestra. Un tamaño de muestra típico es de 100x100 μm, y toda la muestra se escanea por rasterización de una línea a otra. De esta manera, el procesador de datos MFM puede componer una imagen de la superficie combinando líneas de datos ya sea de la superficie o del escaneo magnético. La salida de un escaneo MFM es de dos imágenes, una que muestra la superficie y la otra muestra las cualidades magnéticas de la muestra. Un ejemplo idealizado se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\).
Tipos de Puntas MFM
Cualquier material o recubrimiento magnético adecuado se puede usar para hacer una punta MFM. Algunas de las puntas estándar más utilizadas están recubiertas con FeNi, CoCr y NiP, mientras que muchas aplicaciones de investigación requieren puntas individualizadas como nanotubos de carbono. La resolución de la imagen final en MFM depende directamente del tamaño de la punta, por lo tanto, las puntas de MFM deben llegar a un punto nítido en la escala de angstrom para funcionar a alta resolución. Esto lleva a que las puntas sean costosas, un problema exacerbado por el hecho de que los recubrimientos suelen ser blandos o quebradizos, lo que lleva al desgaste. Los mejores materiales para puntas MFM, por lo tanto, dependen de la resolución y aplicación deseadas. Por ejemplo, un recubrimiento de alta coercitividad tal como CoCr puede ser favorecido para analizar muestras a granel o fuertemente magnéticas, mientras que un material de baja coercitividad tal como FeNi podría preferirse para aplicaciones más finas y sensibles.
Salida de datos y aplicaciones
A partir de un escaneo MFM, el producto es un escaneo 2D de la superficie de la muestra, ya sea la imagen topográfica física o magnética. Es importante destacar que la resolución depende del tamaño de la punta de la sonda; cuanto menor sea la sonda, mayor será el número de puntos de datos por micrómetro cuadrado y por lo tanto la resolución de la imagen resultante. El MFM puede ser extremadamente útil para determinar las propiedades de nuevos materiales, como en la Figura\(\PageIndex{7}\), o para analizar paisajes magnéticos de materiales ya conocidos. Esto hace que MFM sea particularmente útil para el análisis de discos duros. A medida que las personas almacenan cada vez más información sobre los dispositivos de almacenamiento magnético, se necesitan desarrollar mayores capacidades de almacenamiento y se deben desarrollar procedimientos de respaldo de emergencia para estos datos. MFM es un procedimiento ideal para caracterizar las superficies magnéticas finas de los discos duros para su uso en investigación y desarrollo, y también puede mostrar las superficies magnéticas de los discos duros ya utilizados para la recuperación de datos en caso de un mal funcionamiento del disco duro. Esto es útil tanto en forense como en la investigación de nuevos materiales magnéticos de almacenamiento.
MFM también ha encontrado aplicaciones en las fronteras de la investigación, sobre todo en el campo de la Spintrónica. En general, Spintronics es el estudio del giro y momento magnético de los materiales de estado sólido, y la manipulación de estas propiedades para crear nuevos dispositivos electrónicos. Un ejemplo de esto es la computación cuántica, que es prometedora como una alternativa rápida y eficiente a la computación tradicional basada en transistores. Con respecto a la Spintrónica, MFM se puede utilizar para caracterizar materiales magnéticos no homogéneos y muestras únicas como semiconductores magnéticos diluidos (DMS). Esto es útil para la investigación en almacenamiento magnético como MRAM, semiconductores y materiales magnetorresistivos.
MFM para Caracterización de Dispositivos de Almacenamiento Magnético
En la fabricación de dispositivos, la suavidad y/o rugosidad de los recubrimientos magnéticos de los discos de disco duro es significativa en su capacidad de operar. Los recubrimientos más suaves proporcionan un bajo nivel de ruido magnético, pero se adhieren a los cabezales de lectura/escritura, mientras que las superficies rugosas tienen las cualidades opuestas. Por lo tanto, el ajuste fino no solo de las propiedades magnéticas sino de las cualidades superficiales de una película magnética dada es extremadamente importante en el desarrollo de la nueva tecnología de disco duro. La microscopía de fuerza magnética permite a los fabricantes de discos duros analizar discos en busca de topología magnética y de superficie, facilitando el control de la calidad de las unidades y determinar qué materiales son adecuados para futuras investigaciones. La competencia industrial por una mayor densidad de bits (bits por milímetro cuadrado), lo que significa un procesamiento más rápido y una mayor capacidad de almacenamiento, significa que MFM es muy importante para caracterizar películas a muy alta resolución.
Conclusión
La microscopía de fuerza magnética es una poderosa técnica de superficie utilizada para deducir la topología magnética y superficial de una muestra dada. En general, MFM ofrece alta resolución, que depende del tamaño de la punta, y datos sencillos una vez procesados. Las imágenes emitidas por el escaneo ráster MFM son claras y muestran características estructurales y magnéticas de un cuadrado de 100x100 μm de la muestra dada. Esta información se puede utilizar no solo para examinar las propiedades superficiales, la morfología y el tamaño de partícula, sino también para determinar la densidad de bits de los discos duros, las características de los materiales informáticos magnéticos e identificar fenómenos magnéticos exóticos a nivel atómico. A medida que el MFM evoluciona, se están fabricando puntas magnéticas más delgadas y delgadas para aplicaciones más finas, como en el uso de nanotubos de carbono como puntas para dar alta resolución atómica en imágenes MFM. La personalización de los recubrimientos y puntas magnéticas, así como el uso de equipos AFM para MFM, hacen de MFM una técnica importante en la industria electrónica, permitiendo ver dominios magnéticos y estructuras que de otra manera permanecerían ocultas.