Способ измерения параметров наноразмерных магнитных пленок

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ измерения магнитных свойств и толщины наноразмерных магнитных пленок и может быть использовано в магнитной наноэлектронике для характеризации гетерогенных магнитных элементов в устройствах памяти, в сенсорных устройствах и т.п. При реализации способа пленку с помощью индуктивной системы открытого типа намагничивают в переменном поле в присутствии постоянного поля, измеряют четные высшие гармоники, возникающие в результате нарушения симметрии постоянным полем, и для анализа используют отношение их амплитуд. Техническим результатом является повышение функциональной гибкости способа, в том числе применимость его для in situ характеризации магнитных пленок, и расширение диапазона его применения, в частности для характеристики наноразмерных пленочных структур. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерения магнитных свойств и толщины наноразмерных магнитных пленок с использованием нелинейности процессов намагничивания. Известны различные методы характеризации тонких магнитных пленок. Предлагаемый метод имеет преимущества, обусловленные высокой чувствительностью, неконтактными измерениями, возможностью характеризации магнитных многослойных структур с немагнитными прослойками.

Методы измерения, основанные на магнитной индукции и наведенной э.д.с., хорошо известны. Однако, как правило, они имеют невысокую чувствительность и непригодны для детектирования наноразмерных магнитных объектов. Существенное усовершенствование индуктивных методов связано с использованием нелинейных процессов намагничивания и особыми условиями возбуждения, что позволило использовать их для детектирования малых концентраций магнитных наночастиц, используемых в иммуноанализе. Эти разработки наиболее близки к предлагаемому способу.

Разработка, представленная в первом аналоге (US patent, Pub. No 2004/0171172, Method and apparatus for qualitative and quantitative detection of analytes. M. Laitinen, J. Pekola, M. Vuento) основана на изменении величины индуктивности возбуждающей катушки при внесении в нее образца с магнитными частицами. Это вызывает изменение частоты настройки активного радиационного фильтра на операционном усилителе. Сдвиг резонансной частоты фильтра вызывает изменение амплитуды сигнала на его выходе, что и позволяет измерить концентрацию ферромагнитных носителей в исследуемом образце.

В данном подходе используются длинные намагничивающие соленоиды с дифференциальными детектирующими катушками, так что исследуемый образец наносится на удлиненное плечо, которое помещается внутрь соленоида, что требует определенной геометрии испытуемого образца и несовместимо с in situ мониторингом напыления магнитных слоев. Сигнал детектируется в определенной области частот, что существенно ограничивает точность измерений и получаемую количественную информацию.

Таким образом, недостатками этого аналога являются необходимость использования определенной геометрии испытуемого образца, недостаточная чувствительность, особенно с учетом реально существующей температурной нестабильности окружающей среды, а также ограниченная информация об образце (только концентрация).

Наиболее близким к предлагаемому способу и принятым в качестве прототипа является индукционный магнитометр, разработанный в EUROPEAN PATENT. International publication number: WO 01/067062 Analysis of biological and/or chemical mixtures using magnetic particles, P.I. Nikitin, P.M. Vetoshko.

Прибор прототипа включает следующие основные элементы:

1 - генератор возбуждающего сигнала,

2 - генератор модулирующего сигнала,

3 - индуктивный блок,

4 - измеряемый образец,

5 - фильтр,

6 - приемник,

7 - формирователь выходного сигнала,

8 - формирователь опорного сигнала.

В указанной разработке используется специфическое возбуждение магнитных наночастиц магнитным полем, содержащим две частоты. Основная схема прибора представлена на Фиг.1. Индуктивный блок 3 подключен к выходам генераторов возбуждающего сигнала 1 и модулирующего сигнала 2, а образец находится в зоне магнитного поля, создаваемого блоком 3. Вход фильтра 5 соединен с выходом индуктивного блока 3, а его выход соединен с входом приемника 6. Формирователь 7 выходного сигнала подключен к выходу приемника 6. При этом фильтр 5 настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты, представляющей собой линейную комбинацию частот возбуждающего и модулирующего сигналов. В прототипе используется формирователь 8 опорного сигнала.

Индуктивный блок 3 может быть выполнен в виде катушки индуктивности без сердечника. Отсутствие сердечника может уменьшить возможные искажения в детектируемом сигнале.

Работа прототипа описывается следующей схемой. Возбуждающий сигнал генераторов 1, 2 создает в индуктивном блоке 3 переменное магнитное поле с частотами возбуждающего сигнала f1 и модуляционного сигнала f2. Поскольку процесс взаимодействия магнитного поля с ферромагнитными частицами является нелинейным, особенно при достаточно большой напряженности воздействующего магнитного поля, в частотном спектре отклика измеряемого образца на воздействие поля появляются комбинационные спектральные компоненты. В разработке сигнал детектировался на частоте f=f1+2f2. Случай, когда модулирующий сигнал имеет наименьшую частоту и наибольшую амплитуду, имеет определенные технические выгоды, связанные с простотой технической реализации и достигаемым техническим результатом. Именно к этому случаю относится осуществленная конкретная реализация предлагаемого устройства с частотами f1=100 кГц f2=100 Гц.

Поскольку мощность указанных комбинационных компонент однозначно связана с количеством в образце 4 искомых ферромагнитных частиц, то, выделив сигнал комбинационной частоты фильтром 5, на выходе приемника 6 получаем информацию об этом количестве. Для этого приемник 6 изготовлен по любой известной схеме, используемой в технике помехоустойчивого приема сигналов малой мощности на фоне шумов и помех, и выполняет функции усиления, детектирования и накопления.

Вышеуказанный способ обладает рядом недостатков.

1) По сути, детектируется только концентрация магнитных частиц определенного типа.

2) Частицы должны находиться внутри индуктивного блока, что накладывает ограничения на геометрию испытываемого образца.

Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении функциональной гибкости устройства и расширении диапазона его применения, в частности для характеризации наноразмерных пленочных структур. Предлагаемый способ и прибор могут использоваться для in situ характеризации производства магнитных пленок.

Прибор включает следующие основные элементы:

1 - генератор сигнала возбуждения,

2 - генератор подмагничивающего сигнала,

3 - индуктивный блок, состоящий из катушек возбуждения и подмагничивания,

4 - измеряемый образец,

5 - детектирующий блок,

6 - спектрометр.

Способ основан на следующих принципах.

Возбуждающий сигнал генератора 1 создает в индуктивном блоке 3 переменное магнитное поле с частотой f. Конфигурация катушек индуктивного блока позволяет иметь доступ к образцу, например для светового луча. Например, катушки возбуждения, подмагничивания и детектирования могут быть выполнены в виде концентрических катушек, а образец 4 может помещаться на торцевую поверхность. В присутствии достаточно сильного переменного магнитного поля магнитные пленки характеризуются нелинейным намагничиванием, что приводит к генерации высших гармоник. Индуцируемый сигнал напряжения, который определяется магнитной передаточной функцией, пропорциональной скорости изменения намагниченности, содержит как основную гармонику, равную частоте возбуждающего поля, так и высшие гармоники, кратные основной. Детектирующий блок 5 или спектрометр 6 определяют спектральные компоненты. При симметричном намагничивании генерируются нечетные гармоники 3f, 5f, 7f, … Амплитуды гармоник пропорциональны степени магнитной нелинейности и зависят от амплитуды возбуждающего поля. Генератор подмагничивающего сигнала 2 создает в образце 4 постоянное магнитное поле, наличие которого приводит к нарушению симметрии и появлению четных гармоник.

Отношение амплитуд гармоник устойчиво относительно различных шумов и влияния возможного присутствия посторонних ферромагнитных материалов. В присутствии подмагничивающего поля четные гармоники могут быть значительно сильнее, и сам спектр становится сильно усложненным. В зависимости от соотношения амплитуд переменного и постоянного полей образуются локальные экстремумы, которые дают информацию о параметрах образца.

Пример 1

На Фиг.2 представлены характерные кривые намагничивания и соответствующие спектральные характеристики.

При резком скачке намагничивания амплитуды спектральных гармоник постоянны. Линейное намагничивание с насыщением в виде излома приводит к немонотонной зависимости амплитуд гармоник. Плавный подход к насыщению приводит к монотонному спектру.

Пример 2

На Фиг.3 представлены спектральные характеристики пленок CoFe, которые имеют разброс анизотропии и характеризуются плавной кривой гистерезиса. Амплитуды гармоник даны в зависимости от амплитуды возбуждающего поля. Частота возбуждающего поля - 200 Гц. Гармоники детектируются с помощью lock-in усилителя. Амплитуды гармоник монотонно убывают. При этом отношения амплитуд гармоник 3-й к 5-й и 5-й к 7-й приблизительно одинаковы (2.2 и 1.9 соответственно). Такое соотношение может использоваться для характеризации магнитного состояния пленок. При наличии калибровочных кривых спектральные характеристики могут использоваться для определения толщины пленки.

Пример 3

На Фиг.4 представлены спектры трехслойной пленки CoFe/Si/CoFe, кривые гистерезиса которой характеризуются скачками намагниченности. Вблизи поля скачка амплитуды 3-й, 5-й и 7-й гармоник оказываются практически одинаковыми.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обладает следующим отличительным признаком:

1) Конфигурация индуктивного блока позволяет проводить измерения на открытой поверхности и не накладывает ограничений на форму исследуемого образца.

2) Способ может использоваться совместно с другими методами характеризации, такими как оптическими и магнитооптическими.

3) Возбуждение проводится на одной частоте и регистрируется спектр с высшими гармониками, отношение амплитуд которых устойчиво к шумам и дает информацию о толщине пленки и таких параметрах, как коэрцитивность, анизотропия и поле насыщения.

4) Наличие подмагничивающего поля приводит к характерным изменениям этих соотношений и повышает информативность метода, а также его чувствительность.

Способ измерения параметров наноразмерных магнитных пленок, включающий намагничивание пленок в переменных полях в присутствии постоянного поля и детектирование высших гармоник, амплитуды которых зависят от количества магнитного вещества и магнитных параметров, определяющих нелинейность магнитной передаточной функции, отличающийся тем, что измеряют несколько высших гармоник для многопараметрического анализа и используют отношение амплитуд характерных гармоник с использованием четных гармоник, возникающих в результате нарушения симметрии постоянным полем, причем отношение амплитуд гармоник не зависит от внешних возмущений, что приводит к повышению чувствительности метода, который может, в том числе, использоваться для in situ мониторинга производства магнитных структур.



 

Похожие патенты:

Использование: для определения намагниченности насыщения магнитной жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что помещают жидкость во внешнее магнитное поле, индукцию которого можно менять, измеряют напряженность H и индукцию B магнитного поля внутри жидкости и определяют намагниченность жидкости M=(B/µo)-H, при этом определяют намагниченность M=M1 при B=B1 на начальном участке кривой намагничивания, где выполняется закон Кюри, определяют намагниченность M=M2 при большей индукции B=B2 на участке кривой намагничивания, где закон Кюри не выполняется, из равенства (M2B1/M1B2)=3La(ξ2)/ξ2 находят функцию Ланжевена La(ξ2), затем определяют Mнас=M2/La(ξ2).

Изобретение относится к области измерений магнитных величин, затрагивает средства измерений механических свойств ферромагнитных материалов, имеющих корреляционную связь с их магнитными характеристиками, например коэрцитивной силой, и может быть использовано при неразрушающем контроле качества термической обработки ферромагнитных изделий.

Устройство для исследования магнитных свойств магнетиков, основанное на принципе регистрации нелинейных эффектов в параллельных гармоническом и постоянном магнитных полях, относится к области научного приборостроения, к технике исследования магнетиков на основе спин-эффектов.

Изобретение относится к физике магнетизма ферромагнетиков, предварительно намагниченных в магнитном поле до состояния, соответствующего максимальной магнитной восприимчивости ферромагнетика, а затем квазискачкообразно вводимого в сверхсильное насыщающее магнитное поле за промежуток времени, существенно меньший (например, на порядок) постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнетика.

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при снятии зависимости магнитной восприимчивости ферромагнетика от величины приложенного к нему магнитного поля (кривой намагничивания Столетова).

Изобретение относится к области теплотехнических измерений и может быть использовано для оценки температурного режима работы пароперегревательных котельных труб из аустенитных сталей.

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к области измерений свойств и тестирования материалов, в частности, к способам определения магнитокалорического эффекта (МКЭ). .

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магнитное устройство для изучения сил внутреннего взаимодействия в растворе и может использоваться в физической химии.

Изобретение относится к системам магнитно-импедансной томографии. Система содержит систему возбуждения, имеющую несколько катушек возбуждения для генерирования магнитного поля возбуждения с целью наведения вихревых токов в исследуемом объеме, измерительную систему, имеющую несколько измерительных катушек для измерения полей, сгенерированных наведенными вихревыми токами, при этом измерительные катушки расположены в объемной (3D) геометрической компоновке, и устройство реконструкции, предназначенное для приема измерительных данных из измерительной системы и реконструкции изображения объекта в исследуемом объеме по измеренным данным.

Предложенное изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ определения магнитной индукции текстурированной электротехнической стали и может применяться в случаях, когда отсутствуют устройства измерения магнитных свойств или их невозможно использовать в силу таких причин, как слишком малые вес и размер образца или слишком плохое качество его поверхности.

Группа изобретений относится к области лабораторной диагностики и может быть использована для определения наличия аналита и его количества в биологических жидкостях.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано на трубопроводах нефти и газа на химических и нефтехимических предприятиях, тепловых и атомных энергоустановках.

Изобретение относится к области разработки способов локального измерения магнитных свойств ферромагнитных объектов различных размеров и форм, в частности для целей неразрушающего контроля.

Изобретение относится к технике испытаний труб для магистральных газопроводов. .
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении температурной зависимости вязкости высокотемпературных металлических ферромагнетиков - сплавов на основе Fe, Co, Ni.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой устройство экспресс-контроля магнитных характеристик листовой электротехнической стали и предназначено для измерения динамической петли гистерезиса и основной кривой намагничивания стали на частотах от 1 до 10000 Гц. Устройство содержит генератор синусоидального напряжения, усилитель переменного напряжения, Н-образный сердечник, который прикладывается к испытуемому листу электротехнической стали, сенсор тока, первый и второй функциональные блоки, двухканальный цифровой осциллограф. На полюсах Н-образного сердечника закреплены одинаковые намагничивающие обмотки, при этом нижние и верхние (3, 4, 5, 6) соединены между собой согласованно, а пара верхних (3, 4) и пара нижних (5, 6) между собой - встречно. Внутри полюсов сердечника, в их торцевой части, расположены одинаковые измерительные обмотки, причем обмотки левой и правой частей сердечника (13, 12, 11, 10) между собой соединены последовательно встречно, а пары обмоток слева (11, 10) и справа (12, 13) соединены последовательно и согласовано. Техническим результатом является возможность определения магнитной индукции и напряженности магнитного поля участка листовой электротехнической стали, причем форма и размеры листа стали могут быть большими, чем торцевая поверхность накладного измерительного преобразователя (сердечника Н-образной формы). 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ измерения магнитных свойств и толщины наноразмерных магнитных пленок и может быть использовано в магнитной наноэлектронике для характеризации гетерогенных магнитных элементов в устройствах памяти, в сенсорных устройствах и т.п. При реализации способа пленку с помощью индуктивной системы открытого типа намагничивают в переменном поле в присутствии постоянного поля, измеряют четные высшие гармоники, возникающие в результате нарушения симметрии постоянным полем, и для анализа используют отношение их амплитуд. Техническим результатом является повышение функциональной гибкости способа, в том числе применимость его для in situ характеризации магнитных пленок, и расширение диапазона его применения, в частности для характеристики наноразмерных пленочных структур. 4 ил.

Наверх