หลักการทำงานของโหมด Magnetic Force Microscopy (MFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM) เป็นหนึ่งในโหมดการวัดของ Atomic Force Microscopy (AFM) ที่ใช้สำหรับตรวจสอบและทำแผนที่การกระจายของสนามแม่เหล็กในระดับนาโนเมตร โดยเฉพาะในวัสดุที่มีสมบัติแม่เหล็ก เช่น ฟิล์มบางแม่เหล็ก (magnetic thin films), ฮาร์ดดิสก์, และโครงสร้างนาโนแม่เหล็ก (magnetic nanostructures) เทคนิคนี้สามารถให้ข้อมูลเชิงพื้นที่เกี่ยวกับการกระจายของขั้วแม่เหล็กและการจัดเรียงของโดเมนแม่เหล็ก (magnetic domains) ได้อย่างละเอียด
หลักการทำงาน
การวัดในโหมด MFM ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก
การสแกนภาพ topography (Topography Scan):
เริ่มจากการสแกนพื้นผิวตัวอย่างในโหมด tapping mode หรือ non-contact mode เพื่อให้ได้ข้อมูลความสูงของพื้นผิว (topography) อย่างละเอียด
การสแกนตรวจจับแรงแม่เหล็ก (Magnetic Force Detection):
หลังจากได้ข้อมูล topography แล้ว cantilever ที่เคลือบด้วยสารแม่เหล็ก (เช่น Co, CoCr, หรือ Fe) จะถูกยกขึ้นจากพื้นผิวในระดับความสูงคงที่ (ประมาณ 50–200 nm) เพื่อหลีกเลี่ยงอิทธิพลของแรงเชิงกล และตรวจจับเฉพาะแรงระหว่างสนามแม่เหล็กของหัววัดและสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวตัวอย่าง แรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะทำให้ cantilever เกิดการเบี่ยงเบนหรือเปลี่ยนแปลงใน phase ของการสั่น ซึ่งระบบจะตรวจจับและแปลงเป็นภาพแผนที่แสดงความเข้มของแรงแม่เหล็ก (magnetic force map) โดยบริเวณที่มีแรงดูดหรือแรงผลักต่างกันจะปรากฏเป็นโทนสีต่าง ๆ ในภาพ (เช่น สีเข้มแทนแรงดูด สีอ่อนแทนแรงผลัก)
การตีความข้อมูล
ภาพจาก MFM สามารถใช้ระบุลักษณะต่าง ๆ เช่น การจัดเรียงของ magnetic domains การมีอยู่ของ domain walls (ขอบเขตระหว่างขั้วแม่เหล็กต่างกัน) ความหนาแน่นและทิศทางของสนามแม่เหล็ก (magnetic field direction and strength)
การกระจายของวัสดุแม่เหล็กในฟิล์มบางหรืออุปกรณ์นาโน
ข้อดีของโหมด MFM
สามารถแยกแยะข้อมูลทางแม่เหล็กออกจากข้อมูลทางกายภาพของพื้นผิวได้
ให้ความละเอียดระดับนาโนเมตร (มักอยู่ในช่วง 10–50 nm)
ใช้วิเคราะห์วัสดุที่ไม่สามารถวัดด้วยเทคนิคแม่เหล็กแบบดั้งเดิม เช่น VSM หรือ MOKE
การประยุกต์ใช้งาน
เทคนิค MFM ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น
- การวิเคราะห์โครงสร้างโดเมนใน สื่อบันทึกแม่เหล็ก (magnetic storage media)
- การศึกษาวัสดุ spintronic devices และ magnetoresistive materials
- การตรวจสอบการทำงานของ permanent magnets, nanoparticles, และ multilayer magnetic films
- งานวิจัยด้าน magnetic memory (MRAM) และ sensor development
ด้วยความสามารถในการมองเห็นพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กในระดับนาโนเมตร Magnetic Force Microscopy (MFM) จึงเป็นเครื่องมือสำคัญที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถเข้าใจกลไกทางแม่เหล็กของวัสดุได้อย่างลึกซึ้ง ทั้งในเชิงพื้นฐานและเชิงประยุกต์สำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีแม่เหล็กรุ่นใหม่ในอนาคต