磁力显微镜中镍针尖的制备

　　磁力显微镜(MFM)是原子力显微镜的一个分支,广泛应用于研究磁头的磁特性、磁盘或其他存储介质上存储的磁性二进制数据的位的结构以及有关介质噪声、重写特性和材料承受高数据密度的能力等,从而获取有关磁头性能及存储介质质量的信息[1].

　　由于来自试件的磁场可以穿透覆盖层,磁力显微镜的主要优点是不需要特殊的样品制备技术,甚至样品表面还可以裹镀非磁性薄层.磁力显微镜中最主要的部分是悬臂/针尖[1].悬臂/针尖的一种替代形式是由铁磁性材料腐蚀而成的细丝.铁悬臂提供较大的磁矩,在表征弱磁场时特别有用.但是很容易氧化(如几个小时).而镍针尖在这方面就优于铁[2].

　　本文讨论了镍针尖的制备技术和改进的腐蚀针尖电路.在这里采用压电石英音叉来代替传统的微悬臂,音叉的共振频率为32.768 kHz.

　　1　制备装置

　　使用直径为200μm的镍丝,将其一端放进体积分数为5 %~10 %的HCl溶液中通过电化学腐蚀.在腐蚀过程中,以镍丝为阳极,石墨为阴极,在它们之间加上一个5 V的直流电压(如图1所示).

　　将镍丝伸入溶液中5~10 mm,其腐蚀过程与制作钨丝的腐蚀过程相似,镍在阳极上氧化形成镍离子,而水中的氢离子在阴极上还原成氢气.发生的电化学反应如下：

　　腐蚀过程中,由于镍离子的密度较大,会沿着电解液中的镍丝向下流动,从而保护了镍丝的底端.而在与电解液面交界处的镍丝则被腐蚀的速度较快,从而形成一个较细的部位.随着这一部位的不断变细,最终会因承受不了镍丝下端的拉力而断裂形成针尖.为了避免针尖形成后仍继续腐蚀,通常用一个快速自动切断电路切断所加电压,同时尽快提出腐蚀得到的针尖[3,4].

　　2　控制电路的设计

　　目前,所采用的控制电路都带有一个比较器,通过监视腐蚀电压,与预先设定的一个参考电压相比较,达到瞬间切断电路的目的[5].但是,由于腐蚀针尖条件千变万化,很难精确确定参考电压的大小.而且比较器又导致了极大的延时从而延长了切断时间,这样又影响了针尖的锋锐度.针对这一问题,本研究提出使用微分器检测腐蚀电流的微分信号,以去掉参考电压的影响.在这种改进的电路中,当针尖断裂时,这一变化被微分器捕捉到,输出一脉冲信号通过D触发器直接控制模拟开关即两个场效应管,这样不论腐蚀电压大小,在针尖断裂的瞬间,一个开关迅速切断电路供给电源,另一个开关则对地导通从而使电路剩余电荷放电,达到瞬间断电效果.设计的电路如图2所示,该电路取消了与参考电压比较的环节,采用场效应管(IRF640)缓冲放大器监视腐蚀电流,由个高速运算放大器(LM318)组成的微分电路来检测这一电流的变化,通过一个D触发器(74F74N)(而不是一个比较器)来控制场效应管,一方面切断电路供给电源,另一方面同时使电路放电,瞬间切断腐蚀电流.由于场效应管(CMOS管)的响应时间为40ns,LM318的转换速率为75V/μs,因此理论上最小切断时间可减小到200 ns.