Рентгеновская и просвечивающая электронная микроскопия магнитных структур

Рентгеновская и просвечивающая

электронная микроскопия магнитных

структур

Аспирант 1-го года обучения Татарский Д.А.

Магнито-силовая микроскопия

Массив Co-Cr частиц

Миронов В.Л., Основы сканирующей зондовой микроскопии

Лоренцевская микроскопия

Ren Chao Che, Chong Yun Liang, Xiang He et al.Sci. Technol. Adv. Mater. 12, 025004 (2011)

План семинара. Ч.1Рентгеновские лучи Магнитный круговой дихроизм

рентгеновских лучей (XMCD) Магнитная рентгеновская

микроскопия (эксперимент) Взаимодействие рентгеновского

излучения с веществом (теория)

Магнитный круговой дихроизм

рентгеновских лучей (XMCD)

X-ray absorption spectroscopy (XAS)

p

s

ik

p

s

fk

psRL i

2

1,

Энергия, эВ

XANES EXAFS

Пог

лощ

ени

е, о

тн.е

д.

~100-200 эВ

X-ray magnetic circular dichroism

J.J. Rehr, R.C. Albers, Rev. Mod. Phys. 72, 621 (2000)

700 730Энергия, эВ

+, – П

огл

ощен

ие,

отн.

ед

.Fe L3

Fe L2

zm~

zm~

Рентгеновские микроскопы

Photoemission electron microscope,SPELEEM@BL17SU, JapanРазрешение: 22 нм

Изображение доменной структуры

http://www.spring8.or.jp/

Рентгеновские микроскопы

X-ray transmission microscope (использует зонные пластинки Френеля)XM-1, BerkleyРазрешение: 15 нм

D.-H. Kim, P. Fischer, W. Chao et al., J. Appl. Phys. 99, 08H303 (2006)

Доменная структура CoCrPt

Взаимодействие рентгеновского

излучения с веществом (полуклассическая

теория)

Полное сечение фотопоглощения

Z

a

rkia

fifiifif

aiereV

kkcEEkiVkf

1int

,

2

int

ˆ

;ˆ;~

ik

fk

fi

fi

if EEirf,

224

0

...1

a

e rki i

Дипольное приближение

Золотое правило Ферми:

rkiZ

a

rkia

iai erer

1

Одноэлектронное приближение

Круговая поляризация фотонов

psLi ik ; psRi ik

;

*1,1Y

0;~

0;~

~;~;

22

0

,*1,1

22

0

,*1,1

;1,1

dY

dY

eeY

RL

RL

iRL

i

*1,1 Y

Зонная структура 3d ферромагнетикаFe, Ni, Co

Наличие взаимодействия между орбитальным моментом глубокого электрона со спинами электронов 3d-зоны приводит к появлению «эффективного» магнитного поля

Плотность состояний Ni,

Физика магнитных явленийГ.С. Кринчик (1976)

3d-зона3d-зона

4s-зона

E

g(E)

FE

4s-зона

E

g(E)

FE

down up

Двухуровневая система с расщеплением конечного состояния

0

1

1

1

E

E

E

E

L

0

;

;

;

;

1;0;1

ˆˆˆˆ

1,1

,1

1,1

1

,0

int00

ml

ml

ml

ml

eff

Y

Y

Y

rf

Yri

ml

BlVHH

mmCmCCirf

fi

*2

*1

*0

,

2Im~

XMCD

План семинара. Ч.2Электроны Взаимодействие быстрых электронов с

веществом (теория) Магнитный киральный дихроизм

энергетических потерь электронов (EMCD) EMCD в просвечивающей электронной

микроскопии (ПЭМ) Сравнение методов EMCD и XMCD

Взаимодействие быстрых электронов с

веществом

Переходы в непрерывном спектре.Теория возмущений

222

1

22

int

,3

2

int

2

ˆ

2;ˆ;

2

if

Z

a a

fi

fiffifi

kkm

E

rr

e

r

ZeV

kdEEEkfVkid

ik

fk

fi

Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Курс теоретической физики. Т.3.Квантовая механика, нерелятивистская теория

rrr

rqie

eq

rdrr

e

EEErrerr

e

r

Ze

rrrdrdrdk

km

kkq

fiafi

arqi

rqi

a

rqi

ifairqi

Z

a a

fiafa

i

f

if

a

a

,1,

23

2

11

22

,1

*331

342

2

...

1

4

...

......4

Дифференциальное сечение рассеяния

Сходство между поглощением рентгеновских лучей и неупругим рассеянием электронов

A.P. Hitchcock, Jpn. J. Appl. Phys. 32 (suppl.2), 176 (1992)

X-ray absorption near edge structure (XANES)

fi

if EEirf,

224

ps i

Electron Energy loss near edge structure (ELNES)

fi

ifi

f EEEirqfk

k

qa,

2

420

22 4 21 qiqq

Магнитный киральный дихроизм

энергетических потерь электронов (EMCD)

«Круговая поляризация» электронов

11; qki

22; qki

Интерференция двух волн

1q

2q

21 qiq

Спектрометр Маха-Цендера

Если фазовращатель меняет фазу луча на φ, то:

21 qeqq i

P.Neilhebel et al., Phys. Rev. Lett. 85, 1847 (2000)

1ik

2ik

fk

1q

2q

Источник Делитель

Фазовращатель

Атом

Детектор

Энергетический фильтр

Реализация спектрометра Маха-Цендера в ПЭМ Делитель: периодическая

кристаллическая структура Разность фаз: комплексные амплитуды

соответствующих брэгговских рефлексов Кристалл играет роль интерферометра

Маха-Цендера Первый эксперимент: P. Schattschneider, S. Rubino, C. Hebert et al.Nature 441, 486 (2006)

Форимрование изображения и дифракционной картины в ПЭМ

Светлопольное и темнопольное изображения

Устройство ПЭМ с энергетическим фильтром

Условия наблюдения EMCD

L. Calmels, F. Houdellier, B. Warot-Fonrose et al., Phys. Rev. B 76, 060409 (2007)J. Rusz, S. Rubino, P. Schattschneider, Phys. Rev. B 75, 214425 (2007)

II

IIEMCD

I

I

Измерение EMCD

a) трехлучевая дифракционная картинаb) сигнал EMCD

EMCD в просвечивающей

электронной микроскопии

Магнитная микроскопия высокого разрешения

P. Schattschneider, M. Stogger-Pollach, S. Rubino et al.Phys. Rev. B 78, 104413 (2008)

– сумма I++I– – разность I+ –I–

Распределение намагниченности в реальном пространстве

H. Lidbaum, J. Rusz, S. Rubino, Ultramicroscpy 110, 1380 (2010)

EMCD Fe-L3 EMCD Fe-L2

Распределение намагниченности в реальном пространстве

M. Stuger-Pollacha, C.D. Treiber, G.P. Resch et al., Micron 42, 456 (2011)

БактерияMagnetospirillummagnetotacticum

Изображение частиц Сигнал EMCD

Сравнение методов XMCD и EMCDXMCD Возможно изучение

образцов любой структуры

Необходимость иметь синхротронный источник

«Низкое» латеральное разрешение (~10 нм)

EMCD Доступность ПЭМ с

энергетическим фильтром Высокое латеральное

разрешение (~2 нм) Образец должен иметь

кристаллическую структуру на соответствующих масштабах

Спасибо за внимание!