Источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии Российский патент 2025 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к магнитно-силовой микроскопии, и может быть использовано для исследования и диагностики поведения микро- и наноразмерных структур под действием внешнего магнитного поля.

Известен источник внешнего магнитного поля, содержащий многовитковый соленоид и ферромагнитный сердечник, устанавливаемый на сканер под образцом [Magnetic imaging in the presence of external fields: Technique and applications / R.D. Gomez, E.R. Burke, I.D. Mayergoyz // Journal of Applied Physics. - 1996. - V. 79. - P. 6441-6446].

Недостатки этого устройства заключаются в том, что генерация внешнего магнитного поля высоких значений возможна лишь при пропускании электрического тока высокого значения, что приводит к разогреву конструкции, а как следствие - к термическому дрейфу образца.

Известен также источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии, содержащий соленоид, магнитопровод и два полюсных наконечника, по крайней мере, один из которых пространственно отделен от магнитопровода и установлен непосредственно на сканер в держатель образца [Пат. 2276794 Российская Федерация, МПК G01R 33/12. Магнитно-силовой микроскоп с переменным магнитом / Быков В.А., Быков А.В., Костромин С.В., Рябоконь В.Н., Саунин С.А.; заявитель и патентообладатель ЗАО «НТ-МДТ». - №2004133657/28; заявл. 18.11.2004; опубл. 20.05.2006 Бюл. №14. - 7 с.: ил.].

Недостатки этого устройства заключаются в том, что для изменения ориентации внешнего магнитного поля относительно плоскости поверхности образца требуется изменение конфигурации держателя образца и магнитопровода, что приводит к увеличению времени проведения исследования.

Известен также источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии, содержащий постоянный магнит и два магнитопровода, расположенных друг напротив друга [High field magnetic force microscopy / R. Proksch, E. Runge, P.K. Hansma [et al.] // Journal of Applied Physics. - 1995. - V. 78. - P. 3303-3307].

Недостатки этого устройства заключаются в том, что концентрация и ориентация магнитного поля, создаваемого данным источником магнитного поля, возможна лишь в продольной плоскости поверхности образца, из-за чего невозможно проводить исследования влияния внешнего магнитного поля, ориентированного по нормали к плоскости поверхности образца.

Технический результат изобретения заключается в возможности концентрации и ориентации магнитного поля как параллельно, так и перпендикулярно плоскости поверхности образца без изменения конфигурации источника магнитного поля. Это позволяет проводить диагностику материалов и структур под влиянием внешнего магнитного поля, ориентированного как перпендикулярно, так и вдоль плоскости поверхности образца.

Сущность изобретения заключается в том, что в источнике внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии, состоящем из первого постоянного магнита и второго постоянного магнита, замыкателя магнитного поля, соединенного с первой поверхностью первого постоянного магнита и первой поверхностью второго постоянного магнита, и состоящий также из первого магнитопровода, соединенного со второй поверхностью первого постоянного магнита и второго магнитопровода, соединенного со второй поверхностью второго постоянного магнита, в первом магнитопроводе выполнена первая выборка, а во втором магнитопроводе выполнена вторая выборка, при этом первая выборка и вторая выборка расположены друг напротив друга.

Существует вариант, в котором первая выборка выполнена в виде фрагмента первой окружности, и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второй окружности.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде фрагмента первого овала, и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второго овала.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого треугольного элемента, и вторая выборка выполнена в виде второго треугольного элемента.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента, и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента со скругленными краями, и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента со скругленными краями.

Существует также вариант, в котором первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют одинаковые размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

Существует также вариант, в котором первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов окружности.

На фиг. 2 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов окружности, причем первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

На фиг. 3 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов овалов.

На фиг. 4 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов овалов, причем первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

На фиг. 5 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов треугольников.

На фиг. 6 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов треугольников, причем первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

На фиг. 7 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов прямоугольников.

На фиг. 8 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов прямоугольников, причем первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

На фиг. 9 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов прямоугольников со скругленными краями.

На фиг. 10 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, выполненными в виде фрагментов прямоугольников со скругленными краями, причем первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

На фиг. 11 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками в составе сканирующего зондового микроскопа.

На фиг. 12 изображен источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии с выборками, причем первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита, в составе сканирующего зондового микроскопа.

Осуществление изобретения

Источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии состоит из первого постоянного магнита 1 (фиг. 1) и второго постоянного магнита 2. Их диаметры могут составлять 10 мм, а длина - 15 мм, в качестве их материала можно использовать сплав на основе неодима, бора и железа. Устройство состоит также из замыкателя магнитного поля 3, изготовленного, например, из пермендюра, и соединенного с первой поверхностью первого постоянного магнита 1 и первой поверхностью второго постоянного магнита 2. Устройство состоит также из первого магнитопровода 4, соединенного со второй поверхностью первого постоянного магнита 1, и второго магнитопровода 5, соединенного со второй поверхностью второго постоянного магнита 2. Первый магнитопровод 4 и второй магнитопровод 5 могут быть изготовлены из пермендюра. При этом в первом магнитопроводе 4 выполнена первая выборка, а во втором магнитопроводе 5 выполнена вторая выборка. Причем первая выборка и вторая выборка расположены друг напротив друга. В основном варианте первая выборка выполнена в виде фрагмента первой окружности 6, и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второй окружности 7. Диаметры первой окружности 6 и второй окружности 7 могут быть в диапазоне 5-7 мм. В предпочтительном варианте выборки, расположенные друг напротив друга, имеют одинаковые размеры.

Существует два варианта, в которых высоты А1 и А2 равны друг другу и не равны друг другу (фиг. 2). А1 и А2 могут быть в диапазоне 14-17 мм. Разница высот А1 и А2 может быть в диапазоне 1-3 мм.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде фрагмента первого овала 8 (фиг. 3), и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второго овала 9. Размеры овалов могут быть в диапазоне 5-7 мм в высоту и 6-9 мм в ширину.

Существует два варианта, в которых высоты А1 и А2 равны друг другу и не равны друг другу (фиг. 4). А1 и А2 могут быть в диапазоне 14-17 мм Разница высот А1 и А2 может быть в диапазоне 1-3 мм.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого треугольного элемента 10 (фиг. 5), и вторая выборка выполнена в виде второго треугольного элемента 11. Размеры треугольных элементов могут быть в диапазоне 5-7 мм в высоту и 5-7 мм в ширину.

Существует два варианта, в которых высоты А1 и А2 равны друг другу и не равны друг другу (фиг. 6). А1 и А2 могут быть в диапазоне 14-17 мм. Разница высот А1 и А2 может быть в диапазоне 1-3 мм.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента 12 (фиг. 7), и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента 13. Размеры прямоугольных элементов могут быть в диапазоне 5-8 мм в высоту и 4-7 мм в ширину.

Существует два варианта, в которых высоты А1 и А2 равны друг другу и не равны друг другу (фиг. 8). А1 и А2 могут быть в диапазоне 14-17 мм Разница высот А1 и А2 может быть в диапазоне 1-3 мм.

Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента со скругленными краями 14 (фиг. 9), и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента со скругленными краями 15. Размеры прямоугольных элементов могут быть в диапазоне 5-8 мм в высоту и 4-7 мм в ширину. Радиус скругления краев может быть в диапазоне 2-4 мм.

Существует два варианта, в которых высоты А1 и А2 равны друг другу и не равны друг другу (фиг. 10). А1 и А2 могут быть в диапазоне 14-17 мм Разница высот А1 и А2 может быть в диапазоне 1-3 мм.

Устройство работает следующим образом. Помещенные между первым магнитопроводом 4 (фиг. 1 - фиг. 10) и замыкателем 3 первый постоянный магнит 1 и между вторым магнитопроводом 5 и замыкателем 3 второй постоянный магнит 2 создают магнитное поле в зазоре между первым магнитопроводом 4 и вторым магнитопроводом 5. Величина создаваемого магнитного поля пропорциональна ориентации постоянного магнита 1 и ориентации постоянного магнита 2. Помещая образец в область 17 (фиг. 11-12) на держателе образца 16, возможно проводить диагностику образца с помощью зондового датчика 19 под воздействием внешнего магнитного поля, силовые линии которого ориентированы вдоль плоскости поверхности образца. Зондовый датчик 19 устанавливается в держатель зондового датчика 20. Перемещение зондового датчика 19 относительно образца осуществляется с помощью сканера 21, подключенного к блоку управления 23. Регистрация деформаций зондового датчика 19 может производиться с помощью оптической системы регистрации деформаций 22. Помещая образец в область 18, возможно аналогичным образом проводить диагностику образца под воздействием внешнего магнитного поля, силовые линии которого ориентированы перпендикулярно плоскости поверхности образца.

В тех вариантах, где первый магнитопровод 4 (фиг. 12) и второй магнитопровод 5 имеют различные размеры А1 и А2 соответственно, в области 18 на держателе образца 16 удается повысить значение индукции создаваемого внешнего магнитного поля, ориентированного близко к нормали к поверхности второго магнитопровода 5.

То, что в источнике внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии, состоящем из первого постоянного магнита 1 и второго постоянного магнита 2, замыкателя магнитного поля 3, соединенного с первой поверхностью первого постоянного магнита 1 и первой поверхностью второго постоянного магнита 2, и состоящий также из первого магнитопровода 4, соединенного со второй поверхностью первого постоянного магнита 1 и второго магнитопровода 5, соединенного со второй поверхностью второго постоянного магнита 2, в первом магнитопроводе 4 выполнена первая выборка, а во втором магнитопроводе 5 выполнена вторая выборка, при этом первая выборка и вторая выборка расположены друг напротив друга, позволяет сконцентрировать силовые линии магнитного поля в верхних частях магнитопровода 4 и магнитопровода 5, увеличивая индукцию внешнего магнитного поля в области над поверхностью магнитопровода 4 и в области над поверхностью магнитопровода 5, а также в зазоре между магнитопроводом 4 и магнитопроводом 5, что приводит к созданию внешнего магнитного поля, ориентированного вдоль плоскости поверхности образца, в зазоре между первым магнитопроводом 4 и вторым магнитопроводом 5, а также к созданию внешнего магнитного поля, ориентированного перпендикулярно плоскости поверхности образца, над поверхностью магнитопровода 5.

То, что первая выборка выполнена в виде фрагмента первой окружности 6 и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второй окружности 7 приводит к снижению значения напряженности магнитного поля внутри первого магнитопровода 4 и второго магнитопровода 5 на участках изменения геометрии структуры в области границы раздела воздух-первый магнитопровод 4 и в области границы раздела воздух-второй магнитопровод 5, т.к. в общем случае зависимость напряженности магнитного поля оказывается обратно пропорциональна радиусу скругления углов выборки.

То, что первая выборка выполнена в виде фрагмента первого овала 8 и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второго овала 9 приводит к снижению значения напряженности магнитного поля внутри первого магнитопровода 4 и второго магнитопровода 5 на участках изменения геометрии структуры в области границы раздела воздух-первый магнитопровод 4 и в области границы раздела воздух-второй магнитопровод 5, т.к. в общем случае зависимость напряженности магнитного поля оказывается обратно пропорциональна радиусу скругления углов выборки.

То, что первая выборка выполнена в виде первого треугольного элемента 10 и вторая выборка выполнена в виде второго треугольного элемента 11 позволяет упростить процесс формирования выборки, используя прямой резец.

То, что первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента 12 и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента 13 позволяет упростить процесс формирования выборки, используя штамповку Т-образной формы.

То, что первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента со скругленными краями 14 и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента со скругленными краями 15 приводит к снижению значения напряженности магнитного поля внутри первого магнитопровода 4 и второго магнитопровода 5 на участках изменения геометрии структуры в области границы раздела воздух-первый магнитопровод 4 и в области границы раздела воздух-второй магнитопровод 5, т.к. в общем случае зависимость напряженности магнитного поля оказывается обратно пропорциональна радиусу скругления углов выборки.

То, что первый магнитопровод 4 и второй магнитопровод 5 имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита 1 и второго постоянного магнита 2, позволяет увеличить значение индукции внешнего магнитного поля в области 18, силовые линии которого ориентированы близко к нормали к поверхности образца, помещаемого в область 18.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к магнитно-силовой микроскопии. Источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии состоит из первого постоянного магнита и второго постоянного магнита, замыкателя магнитного поля, соединенного с первой поверхностью первого постоянного магнита и первой поверхностью второго постоянного магнита, а также состоит из первого магнитопровода, соединенного со второй поверхностью первого постоянного магнита, и второго магнитопровода, соединенного со второй поверхностью второго постоянного магнита, в первом магнитопроводе выполнена первая выборка, а во втором магнитопроводе выполнена вторая выборка, при этом первая выборка и вторая выборка расположены напротив друг друга. Технический результат – возможность проведения диагностики материалов и структур под влиянием внешнего магнитного поля, ориентированного как перпендикулярно, так и вдоль плоскости поверхности образца. 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Источник внешнего магнитного поля для магнитно-силовой микроскопии, состоящий из первого постоянного магнита и второго постоянного магнита, замыкателя магнитного поля, соединенного с первой поверхностью первого постоянного магнита и первой поверхностью второго постоянного магнита, и состоящий также из первого магнитопровода, соединенного со второй поверхностью первого постоянного магнита, и второго магнитопровода, соединенного со второй поверхностью второго постоянного магнита, отличающийся тем, что в первом магнитопроводе выполнена первая выборка, а во втором магнитопроводе выполнена вторая выборка, при этом первая выборка и вторая выборка расположены напротив друг друга.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая выборка выполнена в виде фрагмента первой окружности и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второй окружности.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая выборка выполнена в виде фрагмента первого овала и вторая выборка выполнена в виде фрагмента второго овала.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая выборка выполнена в виде первого треугольного элемента и вторая выборка выполнена в виде второго треугольного элемента.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая выборка выполнена в виде первого прямоугольного элемента со скругленными краями и вторая выборка выполнена в виде второго прямоугольного элемента со скругленными краями.

7. Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют одинаковые размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.

8. Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что первый магнитопровод и второй магнитопровод имеют различные размеры А1 и А2 в сторону соответственно от первого постоянного магнита и второго постоянного магнита.