Using STEM-DPC with a Conventional ADF Detector to Explore FIB Patterned Artificial Spin Ice Structures in Permalloy

Abstract

Vi befinner oss midt i en bemerkelsesverdig teknologisk revolusjon, der utviklingen innenfor områder som kunstig intelligens, robotikk og informasjonsteknologi er enorm. Som følge av dette er det et stort behov for mer energieffektiv teknologi enn det som er mulig med tradisjonell silisiumbasert halvlederteknologi. Forskningsfeltet spintronikk kobler magnetiske og elektriske egenskaper. For å legge grunnlaget for denne nye teknologien er det viktig å forstå hvordan magnetisme opptrer på nanoskala ved å utforske adferden til magnetiske nanostrukturer. Heldigvis, med fremskrittene som er gjort innen nanofabrikasjons og karakteriseringsverktøy de siste tiårene, blir det mer og mer mulig å studere magnetisme helt ned på nanoskalaen.

Blant utallige fascinerende magnetiske nanosystemer, har vi \textit{kunstig spinn is}. Dette er geometrisk frustrerte systemer bestående av koplete nanomagneter satt sammen i en todimensjonal gitterstruktur, og har siden oppdagelsen i 2006 blitt mye studert for å utforske magnetisk frustrasjon. De siste tiårene har kunstig spinn is også vist seg å være en god kandidat som materiale til energi-effektiv datalagring og reservoarcomputing. For å akselerere forståelsen av avanserte ASI systemer er effektive og lett tilgjengelige karakteriseringsmetoder nødvendig. Skanning transmisjonselektronmikroskopi (STEM) er en veletablert teknikk som primært brukes til å studere nanoskala strukturer og materialesammensetning med Ångstrøm-oppløsning, kartlegge kjemisk sammensetning og kartlegge krystallografiske orienteringer i materialer. Ved å slå av objektivlinsen (OL) i mikroskopet kan man imidlertid avbilde de interne magnetfeltene i materialer ved hjelp av Lorentzkraften, som fører til en avbøyning av elektronstrålen og kan oppdages av en hvilken som helst standard STEM-detektor. Dette gir opphav til STEM - differensiell fasekontrast (DPC). Ved å kombinere STEM-DPC med en svakt eksitert OL, og samtidig tilte prøveholderen, er det mulig å avbilde flipping av ferromagnetiske domener i materialer helt ned på nanoskala.

I dette arbeidet har vi med stor suksess fabrikert ulike ASI-systemer bestående av magneter så små som 225nmx75nm, ved hjelp av en fokusert ionestråle (FIB). Strukturene ble karakterisert med to forskjellige STEM-DPC-teknikker ved bruk av en konvensjonell mørkefelt-detektor (ADF). Fabrikasjons- og karakteriseringsmetodene viste svært gode resultater, noe som indikerer at metoden er godt egnet for rask prototyping og karakterisering av ASI-systemer, og kan til og med kombineres med strukturell og kjemisk analyse i TEM. Gitt at utviklingen av aberrasjonskorrigering og STEM-detektorer fortsetter, antas det at dette kan bli et verdifullt verktøy for utvikling innenfor spintronikk.

We find ourselves in the midst of a remarkable technological revolution, with rapid advancements in fields such as artificial intelligence, robotics and information technology. Consequently, there is a pressing need for low-power technologies that are not reliant on continuous power supply. The field of spintronics aims to resolve this by coupling electric and magnetic properties. To pave the way for this new technology, it is imperative to deepen our understanding of how magnetism acts at the nanoscale by exploring the behaviour of magnetic nanostructures. Fortunately, with the advancements made in nanofabrication and characterization equipment over the past decades, our ability to study magnetism all the way down to the nanoscale is ever-increasing.

Among the myriad of fascinating nanosized magnetic systems, is artificial spin ice (ASI). ASIs are geometrically frustrated systems composed of coupled nanomagnets arranged in a two-dimensional lattice and have since their discovery in 2006 been extensively studied as model systems to explore magnetic frustration. In the last decade, ASIs have also shown great promise for use in novel and efficient ways to store data and for alternative computing methods like reservoir computing. To accelerate our understanding of ASI systems, efficient and accessible characterization methods are needed. Scanning transmission electron microscopy (STEM) is a well-established technique predominantly used to study nanoscale structures with Ångstrøm resolution, map chemical composition and map crystallographic orientations within materials. However, by turning off the objective lens (OL) of the microscope, internal magnetic fields in materials can be imaged by utilizing the Lorentz force, which leads to a deflection of the electron beam that is detectable on any standard STEM detector. This technique is called STEM - differential phase contrast (DPC). By combining STEM-DPC with a weakly excited OL and tilting the sample, it is even possible to image the switching of ferromagnetic domains in materials down to the nanoscale.

In this work, we have successfully fabricated a wide range of ASI systems composed of islands as small as 225nmx75nm, using a focused ion beam (FIB). The structures were characterized with two distinct STEM-DPC techniques using a conventional annular dark field (ADF) detector. The fabrication and characterization techniques showed exceptionally good results, indicating that the methodology is indeed well-suited for fast prototyping and characterization of ASIs, and can even be combined with structural and chemical analysis in the TEM. Due to continuous advancements in aberration correction and STEM detectors, it is believed that this can become a valuable tool in the development of novel, low-power spintronic devices.