Mikroskopija z magnetno silo: raziskovanje fizike pomnilniških naprav na dirkališčih

Premikanje meja slikanja v nanometru, hkrati pa sprejemanje ekstremov ultranizkih delovnih temperatur. To je temeljna vrednost, ki jo ponuja attocube, nemški proizvajalec specializiranih nanotehnoloških rešitev za raziskave in industrijo, ko gre za načrtovanje, razvoj in optimizacijo njegovega portfelja vrstičnih sondnih mikroskopov (SPM) in pripadajočih dodatkov.

Kljub zapletenosti, povezani s kriogenim delovanjem, je ekipa za oblikovanje izdelkov attocube namenjena premostitvi vrzeli med SPM pri sobni temperaturi in aplikacijami pri ultranizkih temperaturah. Na kratko: uresničitev vsestranskih in za uporabo enostavnih platform instrumentov SPM, ki obsegajo vrsto modalitet, vključno (vendar ne omejeno na) mikroskopijo na atomsko silo (AFM), AFM s prevodno konico, mikroskopijo z magnetno silo (MFM), piezo- mikroskopija s silo odziva in mikroskopija s silo Kelvinove sonde.

"Stranka svetilnika" v tem pogledu je Stuart Parkin, katerega ekipa na Inštitut Maxa Plancka za mikrostrukturno fiziko v Halleju v Nemčiji uporablja attocube MFM (mikroskop attoAFM I z nadgradnjo attoMFM v kriostatu attoLIQUID2000) za preučevanje fizikalnih lastnosti sistemov materialov z možnimi aplikacijami v tako imenovanih "spominih na dirkališčih". Ta tehnologija v zgodnji fazi, katere osnovna načela je prvotno razvil Parkin leta 2002, predstavlja obetavnega kandidata za naslednjo generacijo polprevodniških, trajnih pomnilniških naprav, ki izkoriščajo tokovno nadzorovano gibanje sten magnetne domene v magnetnih nanožicah. .

Magnetizem je dekonstruiran

Širša komercialna gonilna sila tukaj – zmogljivost shranjevanja ultravisoke gostote in znatno povečana energetska učinkovitost – temelji na osnovni fiziki materialov. Nenazadnje dejstvo, da so spomini na dirkališčih po naravi tridimenzionalni – v nasprotju z inherentno 2D strukturo tako magnetnih diskovnih pogonov (s podatki, shranjenimi v enem samem 2D listu magnetnega materiala) kot mikroelektronike na osnovi silicija (v kateri se izvaja logika z uporabo enega lista tranzistorjev, izdelanih na površini monokristalnega silicija).

Trenutno sta Parkin in njegova ekipa osredotočena na razumevanje temeljnih fizikalnih lastnosti posebnega razreda magnetne nanostrukture – znane kot topološko zaščitene, nekolinearne magnetne domenske stene –, medtem ko ocenjujeta njihovo potencialno uporabnost kot sredstvo za hitre in energetsko učinkovite podatke prenos v pomnilniške naprave za dirkalne steze prihodnosti. "Kar želimo storiti, je slikati te magnetne teksture do nanometrskega merila," pojasnjuje Parkin. "Ni pa tako enostavno - ni veliko načinov, kako to narediti učinkovito."

Eden od pristopov, ki se izvaja v Parkinovem laboratoriju, je Lorentzova transmisijska elektronska mikroskopija – močno orodje za preučevanje struktur kristalnih in magnetnih domen v korelaciji z novimi fizičnimi vedenji. Slaba stran pa je, da ta način slikanja od znanstvenika zahteva izdelavo zelo tankih, za elektrone prosojnih laminarnih membran vzorca, tako da lahko elektronski žarek prehaja skozenj – kar pomeni precejšnje stroške v smislu raziskovalne produktivnosti in rezultatov. "Priprava vzorca je zapletena, dolgotrajna in lahko tudi poškoduje preučevani material," ugotavlja Parkin.

Pozicioniranje za uspeh

Nasprotno pa je priprava vzorca veliko enostavnejša za slikanje s krio MFM (saj je treba gojeni vzorec samo prilepiti na držalo vzorca in ga pred ohlajanjem in meritvijo vzpostaviti električni stik). Kar zadeva posebnosti, attoAFM I deluje tako, da skenira vzorec pod fiksno konzolo in meri odklon slednjega z optičnim interferometrom na osnovi vlaken za rekonstrukcijo magnetne teksture površine vzorca (s stransko ločljivostjo <30 nm).

Mikroskop uporablja sklop xyz pozicionerji za grobo pozicioniranje vzorca v razponu nekaj mm, medtem ko namenski, mehansko ojačani piezo xyz skenerji zagotavljajo zelo velik obseg skeniranja tudi pri kriogenih temperaturah. Bistveno je, da uporaba nemagnetnih materialov v celotnem sistemu pomeni, da je mikroskop idealen za uporabo pri nizkih temperaturah MFM (do 1.8 K) v kombinaciji z visokimi magnetnimi polji (do 12 T).

»Attocube MFM nam omogoča dostop do širokega razpona delovne temperature [1.8 K do 300 K],« pojasnjuje Parkin. "Prav tako pomembno je, da sistemski vektorski superprevodni magnet pomeni tudi enostavno uporabo magnetnih polj na naših vzorcih – bodisi pravokotno, v ravnini ali pod različnimi koti." Prilagodljivost je samoumevna: kot tak je sistem lahko opremljen s superprevodnim magnetom po izbiri uporabnika, naj bo to en solenoid, razcepljene tuljave ali 2D/3D vektorski magneti (vključno z ustreznim napajanjem magneta in superprevodnimi vodi).

Parkin pravi, da je eden glavnih tehnoloških razlik attocube proizvajalčevo »strokovno znanje in dediščina« pri načrtovanju in razvoju stopenj za nanopozicioniranje za manipulacijo z vzorci (s patentiranim principom drsenja, ki zagotavlja več stopenj svobode v več mm in s sub-nm natančnost). »AttoAFM I je vsestranska platforma,« dodaja. "Še več, attocube izdeluje celoten sistem, ki integrira glavo MFM, stopnjo za nanopozicioniranje, magnet in kriostat ter s krmilno programsko opremo, ki plete vse skupaj."

Enako pomemben je odnos med prodajalcem in kupcem in tisto, kar Parkin označuje kot sodelovalni model tehnoloških inovacij. »Jasno je, da attocube gradi izdelke z veliko premisleka in premisleka, da bi izkoristil nastajajoče raziskovalne priložnosti,« zaključuje. "Na ta način ekipa za razvoj izdelkov attocube z veseljem zbira povratne informacije od končnih uporabnikov, ki bi lahko imeli ideje za nove zasnove instrumentov in izboljšave."

Zavzetost je vse: poslušanje končnega uporabnika

Mirko Bacani je višji produktni vodja za attocube's portfelj kriogenih instrumentov, poslovno enoto, ki obsega štiri glavne proizvodne linije: kriogene nanopozicionerje, avtomatizirane kriostate z nizkimi vibracijami, skenirno sondo in konfokalne mikroskope ter merilna orodja za »hladno znanost«. Tukaj pove Svet fizike kako se poslanstvo podjetja, da olajša raziskovanje najsodobnejših materialov, »začne in konča z natančnim razumevanjem razvijajočih se zahtev znanstvene stranke«.

Kaj vsakodnevno vključuje vaša vloga pri attocube?

Imam raziskovalno ozadje na področju fizike kondenzirane snovi s strokovnim znanjem in izkušnjami pri uporabi krio MFM za vrsto problemov v temeljni znanosti. Kot tak govorim isti jezik – pravzaprav isto narečje – kot fiziki in znanstveniki za materiale, ki uporabljajo naše kriogene instrumente. Moja naloga je, da se postavim v kožo stranke, zato porabim veliko časa za analiziranje trendov v raziskavah kondenziranih snovi in ​​pogovore z znanstveniki – bodisi v njihovih laboratorijih ali na konferencah –, da bi razumel njihove tehnološke zahteve v primerjavi z nastajajočimi linijami znanstvenih raziskav. Učinkovito delujem kot most med stranko in našimi internimi ekipami za razvoj izdelkov, sporočam "must have" od končnega uporabnika in se nato dogovorim o ustrezni tehnični rešitvi in ​​izvedbi izdelka.

Kako se attocube razlikuje v smislu razvoja izdelkov in inovacij?

Vertikalna integracija podpira ponudbo vrednosti attocube. Razvijamo in izdelujemo vse osnovne gradnike v naših komercialnih instrumentih, kar nam daje popoln nadzor nad funkcionalnostjo in zagotavljanjem kakovosti na ravni komponente, podsistema in sistema. V krio MFM na primer te omogočajoče tehnologije vključujejo stopnjo nanopozicioniranja, podsistem za skeniranje, enoto za zaznavanje odklona ter ohišje mikroskopa in kriostat z nizkimi vibracijami. Ta zrnata raven nadzora oblikuje naš načrt razvoja izdelkov in nenehne tehnološke inovacije, kar našim inženirskim ekipam omogoča, da ponavljajo napredne funkcije izdelka na modularen način in na koncu zagotovijo optimiziran izdelek, ki izpolnjuje vlogo "delovnega konja" v raziskovalnih laboratorijih po vsem svetu.

Kaj pa vaš pristop k pridobivanju strank in novih poslov?

Tudi tukaj dajemo prednost specialističnemu znanju in strokovnemu znanju naših prodajnih inženirjev na prvi liniji, ki imajo vsi podiplomske raziskovalne izkušnje na področju fizikalnih znanosti. Njihova vloga je veliko več kot le prodaja, vendar je specializirano tehnično svetovanje – razumevanje strankine znanosti in njihovih zahtev glede instrumentov. Preprosto povedano: ni nam treba poznati odgovorov na strankina raziskovalna vprašanja, vendar moramo razumeti sama vprašanja. Na ta način lahko razvijemo omogočitvene tehnologije, ki bodo sprostile ustvarjalnost, iznajdljivost in domišljijo vseh naših končnih uporabnikov. To je pristop, ki deluje: veliko novih strank pride k nam, ko vidijo uspeh obstoječih strank z opremo attocube.

Torej gre na koncu za to tesno sodelovanje s končnim uporabnikom?

Pravilno. Vsak cryo MFM je na primer nameščen v laboratoriju v prisotnosti stranke. Ta postopek – namestitev, zagon in sprejem – traja približno tri dni, z izčrpnim pristopom k usposabljanju za izdelke in prenosu znanja. Vse to je del misije attocube, da svojim strankam prek kriogenih instrumentov omogoči stalen znanstveni vpliv.