[发明专利]超高真空自旋极化扫描隧道显微镜探针的制备方法和装置

说明书

本发明涉及材料测试仪器领域，更确切地说涉及一种超高真空下进行自旋极化扫描探针显微镜探针的制备方法和装置。整个方案涉及到在超高真空中对扫描隧道显微镜探针的针尖进行高温处理，以求达到清洁针尖，去除针尖表面的氧化层。在此基础上，在针尖的顶端蒸镀几个原子层厚的磁性金属薄膜，以达到产生自旋极化电流的功能。

技术领域

本发明涉及材料测试仪器领域，具体涉及一种超高真空下进行自旋极化扫描探针显微镜探针的制备方法和装置。

背景技术

随着近年来磁存储介质存储密度的迅速增长，目前的工艺已经逐渐达到了极限，这迫使人们寻找更高密度的存储介质. 随着存储密度的提高，每个存储单元的内部磁结构以及存储单元之间磁排列构型如何，吸引了研究人员的极大关注. 为了进一步研究和理解材料的微磁性质，诸如磁畴结构以及样品的形貌和磁畴结构之间相互影响、原子磁矩在低维体系中的排列，迫切需要一种高空间分辨率（原子分辨）的磁探测技术. 在过去发展起来的几种磁敏感的显微技术如磁光克尔显微术、洛仑兹显微术、极化分析的扫描电子显微术、扫描近场磁光显微术以及磁力显微术，都不能达到足够高的空间分辨率（如小于10nm）.

利用扫描隧道显微术（STM）可以很容易得到空间的原子分辨. 在20 世纪80 年代中期，就有人提出利用圆偏振极化光照射砷化镓针尖或是用铁磁性的针尖产生自旋极化的电流，使得STM 对隧道电流的自旋敏感. 尽管在隧道结中自旋极化电子隧穿已经是很成熟的实验技术了，但在STM 中却很难实现. 到了1990 年，这项技术才由德国的Wiesendanger小组首次实现，直到最近才能够较常规地观察到纳米量级的磁畴结构和磁（自旋）构型. 这主要归因于两个方面的突破：（1）应用了隧道谱的技术；（2）使用了具有磁性薄膜镀层的针尖. 前者成功地区分了隧道电流中表面形貌和磁结构的信息，而后者减少了由针尖的杂散磁场对样品磁结构的破坏.

原理是如此，然而由于成功制备自旋极化的针尖是实现自旋极化扫描隧道显微测量的关键，实际应用起来有许多难点需要克服. 如果要使针尖发射自旋极化的电子，首先想到的是针尖是铁磁性金属（如铁、钴、镍及其合金）.但是，如果整个针尖用铁磁性金属做，在针尖和样品之间的典型间距为1nm，针尖影响样品的杂散磁场相当大. 可以估计一下，在铁的表面，其杂散磁场为B ～ 1.1T. 如此大的杂散磁场可以足够改变样品的磁结构。除此之外，由于通常自旋极化扫描隧道显微测量是在超高真空环境中进行的，因此对制备自旋极化探针增加了难度。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种超高真空下进行自旋极化扫描探针显微镜探针的制备方法和装置。

本发明的内容是提供一种在超高真空系统中制备自旋极化扫描隧道显微镜探针的方法和装置。整个发明涉及到在超高真空中对扫描隧道显微镜探针的针尖进行高温处理，以求达到清洁针尖，去除针尖表面的氧化层。在此基础上，在针尖的顶端蒸镀几个原子层厚的磁性金属薄膜，以达到产生自旋极化电流的功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超高真空自旋极化扫描隧道显微镜探针的制备方法，其方法如下：

（a）准备一个可超高真空中用的针尖架，用于传递针尖，针尖置于针尖架上，用钨丝制成一个原位的电子束加热环；

（b） 加热环通电流，电流的大小可调，在一定的电流下钨丝环发热，发射热电子，微调扫描隧道显微镜探针的位置，使得针尖的顶端刚好处于加热环的中心，加热环上加负高压，热电子在电场的作用下，轰击扫描隧道显微镜探针的尖端，局部加热针尖同时除去针尖表面的氧化层，达到清洁针尖的效果；

（c）针尖清洁之后，在超高真空原位，将针尖在室温温度下蒸镀上磁性金属的薄膜。