Master's Thesis

Characterization of magnetic nanostructures by magnetic force microscopy

Final Thesis 9.72 MB

Author of thesis: Dr. Ing. Michal Staňo

Acad. year: 2013/2014

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Aliaksei Vetushka, Ph.D.

Abstract:

The thesis deals with magnetic force microscopy of soft magnetic nanostructures, mainly NiFe nanowires and thin-film elements such as discs. The thesis covers almost all aspects related to this technique - i.e. from preparation of magnetic probes and magnetic nanowires, through the measurement itself to micromagnetic simulations of the investigated samples. We observed the cores of magnetic vortices, tiny objects, both with commercial and our home-coated probes. Even domain walls in nanowires 50 nm in diameter were captured with this technique. We prepared functional probes with various magnetic coatings: hard magnetic Co, CoCr and soft NiFe. Hard probes give better signal, whereas the soft ones are more suitable for the measurement of soft magnetic structures as they do not influence significantly the imaged sample. Our probes are at least comparable with the standard commercial probes. The simulations are in most cases in a good agreement with the measurement and the theory. Further, we present our preliminary results of the probe-sample interaction modelling, which can be exploited for the simulation of magnetic force microscopy image even in the case of probe induced perturbations of the sample.

Keywords:

Magnetic force microcopy, probe, soft magnetic nanostructure, magnetic vortex, nanowire, micromagnetic simulation

Date of defence

23.06.2014

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Diplomovou práci pana Michala Staňa hodnotím známkou výborně. Při plnění zadaných úkolů pracoval pilně a samostatně. Všechny cíle diplomové práce byly splněny, rád bych vyzvednul jeho zájem a pečlivý přístup jak při práci v laboratoři, tak i při psaní práce samotné. Výsledky jeho práce v oblasti rozvoje metody mikroskopie magnetických sil jsou velkým přínosem v oblasti studia magnetických nanostruktur na Ústavu fyzikálního inženýrství.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Aliaksei Vetushka, Ph.D.

Předložená magisterská práce Bc. Michala Staňa nazvaná Characterization of Magnetic Nanostructures by Magnetic Force Microscopy, vypracována na Ústavu fyzikálního inženýrství (Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství) pod vedením Ing. Michala Urbánka, PhD., se zabývá aplikací metody mikroskopie magnetických sil (Magnetic Force Microscopy - MFM) na základě mikroskopie se skenující sondou (SPM – Scanning Probe Microscopy) pro studium magneticky měkkých nano-struktur.

Práce je rozdělena na sedm části: (1, 2) motivační úvod s popisem problematiky měření magnetických vlastností v nano-měřítku, (3) podrobný popis teoretických a praktických aspektů měření metodou MFM a zkoumaných vzorků (magnetických nano-drátů a různě tvarovaných tenkých vrstev), (4) přehled sond pro MFM - hrotů s různým magnetickým pokrytím (NiFe, Co, CoCr), (5) přehled použitých metod jak pro depozici vlastních magnetických vrstev na sondy (Electrodeposition, ion-beam sputtering), tak i pro charakterizaci vyrobených hrotů a vzorků (Atomic Force Microscopy, Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, Magneto-Optical Kerr Effect); v této časti je také popsáná metoda počítačových simulací naměřených vysledků, (6) vlastní výsledky a (7) souhrn (summary). Diskuse je přímo uváděna u jednotlivých výsledků.

Teoretická část práce (33 stran) je poměrně velká a srozumitelně seznamuje se základy mikro-magnetismu, s několika variantami techniky MFM, které se používají v poslední době a problematikou měření především magneticky měkkých nano-struktur. Obsah této časti s poměrně velkým množstvím citací (>100) ve mně vyvolává dojem, že autor má v této oblasti dobrý přehled.

Vlastní výsledky (36 stran) jsou popsané poměrně dobře. Je vidět, že autor se musel seznámit s náročnými a drahými experimentálními nástroji (ke kterým je většinou omezený přistup), což zřejmě neumožnilo jít v některých případech k hlubším detailům. Dobře jsou popsány praktické problémy jako je hledaní správných nastavení pro MFM charakterizaci vzorků, modifikace držáku AFM pro redukci vnějších magnetických polí, nanášení vlastních magnetických vrstev na sondy. Většina výsledků měření MFM je doprovázena počítačovou simulací magnetických vlastností vzorků, které korelují s reálným měřením. Je ukázáno, že může dojít ke změně magnetických vlastností v průběhu měření, které jsou indukované hrotem, nicméně, z mého pohledu by bylo velice vhodné podrobněji popsat a prodiskutovat tento jev. Jediné, co mužů autorovi vytknout, je výraz v popisu obrázku č. 6.2: “… an expert eye can see also the dark dot in the center…”  - podle mě to není korektní způsob diskuze výsledku, místo toho by měl být uveden průřez v diskutovaném bodě, ze kterého by bylo jasně vidět, zda je tomu tak doopravdy.

Závěrečná část (Conclusion and Perspective) představuje souhrn odvedené práce i nevyřešených otázek s naznačením dalšího směru výzkumu. Rozsah a záběr odvedené práce plně splňuje zadání.

Po formální stránce je práce uspořádána přehledně. Úroveň angličtiny je velmi dobrá a množství chyb či překlepů je téměř zanedbatelné.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) V obrázku č. 6.17 je vidět přepnutí magnetizací mikrostruktury během měření. Proč k tomuto jevu došlo až ve chvíli, kdy byl hrot uprostřed měřené struktury? Jak byla orientovaná magnetizace před a po přepnutí? 2) Porovnáni obrázků 6.17 a 6.18 ukazuje, že v případě hrotu s poloviční koercivitou k přepnutí magnetizací nedochází. Diskutujte prosím otázku, zda by bylo možné redukovat efektivní koercivitu hrotu aplikováním externího magnetického pole během MFM měření. 3) V teoretické části byly zmíněny také Si-N cantilevery, které se liší od křemíkových tím, že při menší tuhosti mají výrazně vyšší rezonanční frekvenci, což by mělo zvýšit citlivost jak v případě detekce elektromagnetických sil (příklad: Bruker PFQNE-AL), tak i v případě magnetického signálu. Je nějaký důvod, proč mezi studovanými cantilevery nebyl žádný Si-N?
Display more

Grade proposed by reviewer: A