Compositional and Magnetic Characterisation of Oblique Co and Fe Nanowire Structures Fabricated Using Focused Electron Beam Induced Deposition

ملخص تقني: التوصيف التركيبي والمغناطيسي لهياكل الأسلاك النانوية المائلة من الكوبالت والحديد المصنعة باستخدام الترسيب المستحث بحزمة الإلكترونات المركزة

بيان المشكلة
يعد الترسيب المستحث بحزمة الإلكترونات المركزة (FEBID) تقنية تصنيع مضافة بالغة الأهمية لإنشاء هياكل نانوية مغناطيسية ثلاثية الأبعاد، مثل تلك المطلوبة للأجهزة السبينترونية (على سبيل المثال، ذاكرة المسار المغناطيسي "magnetic racetrack memory" والشبكات العصبية الاصطناعية). وبينما يسمح تقنية FEBID بتصنيع هندسات ثلاثية الأبعاد معقدة، بما في ذلك الجسور والأقواس، يبرز تحدٍ كبير عند نقل حزمة الإلكترونات لنمو الهياكل عند زوايا مائلة. إذ يؤدي التباين في ديناميكيات النمو وأحجام تفاعل حزمة الإلكترونات أثناء الانتقال إلى عدم تجانس في التركيب الذري داخل الهياكل المترسبة. ومن المعروف أن نقاء المواد وخصائصها المغناطيسية في FEID تعتمد على اتجاه حزمة الإلكترونات. ومع ذلك، فإن العلاقة المحددة بين زاوية النمو، ومحتوى المعدن، والاستحثاث المغناطيسي في الأسلاك النانوية المغناطيسية المائلة لا تزال غير مشخصة بشكل كافٍ، مما يعيق التصميم الموثوق للأجهزة المغناطيسية ثلاثية الأبعاد المصممة حسب الطلب.

المنهجية
استخدمت الدراسة نهجاً منهجياً لتصنيع وتوصيف 41 هيكلاً من الأسلاك النانوية للكوبالت (Co) والحديد (Fe) بزوايا نمو ($\theta$) بالنسبة للمحور البصري تتراوح من $0^\circ$ (رأسي) إلى $90^\circ$.

• التصنيع: تم إنشاء العينات باستخدام مجهر شعاع أيوني بلازما مزدوج الحزمة (Thermo Fisher Scientific HELIOS Xe). استُخدم نوعان من الغازات السلائف: $Co_2(CO)_8$ و $Fe_2(CO)_9$. تم تغيير معاملات الترسيب عبر تسع مجموعات بيانات، بما في ذلك جهود تسريع مختلفة (5 كيلو فولت و30 كيلو فولت)، وتيارات الحزمة، وأنواع السلائف. ولعزل تأثير انتقال الحزمة، تم ترسيب عينات مرجعية باستخدام حزمة ثابتة، بينما أُنشئت العينات المائلة عن طريق تحريك الحزمة بمعدلات محكومة.
• التوصيف الهيكلي: استُخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لقياس أبعاد الأسلاك النانوية (NWs) عند زوايا ميل مختلفة لتحديد الشكل الإهليلجي للمقطع العرضي.
• التحليل التركيبي: أُجري مجهر إرسال إلكتروني ماسح (STEM) مقترن بمطياف فقد طاقة الإلكترون (EELS) لرسم الخرائط التركيبية للعناصر. ركز التحليل على النطاق المركزي بعرض 20 نانومتر من الأسلاك النانوية لتحديد محتوى المعدن (نسبة ذرات Co أو Fe المئوية) مع مراعاة البنية الطبقية الشعاعية (نواة غنية بالمعدن، وغلاف غني بالكربون والأكسجين).
• التوصيف المغناطيسي: أُجري التخطيط الهولوغرافي الإلكتروني خارج المحور في وضع لورنتز (Lorentz mode TEM) لإعادة بناء إزاحات الطور المغناطيسي وحساب الاستحثاث المغناطيسي ($B_y$) الموازي لمحور السلك النانوي. تم تشبيع العينات بمجال مغناطيسي خارجي لعزل المساهمة المغناطيسية عن الجهد الكهروستاتيكي.
• المحاكاة: أُجريت محاكة ميكرو-مغناطيسية (Mumax3) على نماذج أسطوانية للتحقق من أن الأسلاك النانوية المرصودة (أقطارها أقل من 160 نانومتر) ستظهر مغناطيسية أحادية المحور منتظمة، مما يؤكد صحة استخدام قياسات الاستحثاث متوسط السماكة.

النتائج الرئيسية

1. التركيب مقابل زاوية النمو: لوحظ وجود ارتباط سلبي واضح بين زاوية النمو ($\theta$) ومحتوى المعدن. فكلما زادت سرعة انتقال الحزمة (زيادة $\theta$)، انخفضت نقاء المعدن.
   • عند 30 كيلو فولت، كان انخفاض محتوى المعدن كبيراً، حيث وصل إلى 0.4% لكل درجة من زاوية النمو بالنسبة لأسلاك الكوبالت النانوية.
   • عند 5 كيلو فولت، كان الانخفاض في المحتوى في حده الأدنى. وقد أظهر السلائف من نوع $Fe_2(CO)_9$ عند 5 كيلو فولت أعلى استقرار، حيث بلغت خسارة النقاء 0.1% لكل درجة فقط.
2. الاستحثاث المغناطيسي: انخفض الاستحثاث المغناطيسي ($B_y$) داخل الأسلاك النانوية بشكل متناسب مع فقدان محتوى المعدن.
   • بالنسبة لأسلاك الكوبالت النانوية عند 5 كيلو فولت، انخفض $B_y$ بنحو 2 مللي تسلا لكل درجة من $\theta$.
   • بالنسبة لأسلاك الحديد النانوية عند 30 كيلو فولت، كان الانخفاض أكثر وضوحاً حيث بلغ 7 مللي تسلا لكل درجة.
   • أكدت الدراسة أن الانخفاض في الإشارة المغناطيسية مرتبط مباشرة بانخفاض الحجم الفيرومغناطيسي وزيادة الملوثات غير المغناطيسية (C, O) الناتجة عن هندسة النمو المائلة.
3. الهندسة المقطعية: أصبح الشكل المقطعي للأسلاك النانوية أكثر إهليلجية عند جهود التسريع الأعلى (30 كيلو فولت) وزوايا النمو الأكبر بسبب استطالة حجم تفاعل الإلكترونات. أما عند 5 كيلو فولت، فقد ظل حجم التفاعل موضعياً، مما حافظ على مقطع عرضي أكثر دائرية.
4. التحسين: أدى الجمع بين أدنى جهد تسريع ممكن (5 كيلو فولت)، وأعلى تيار حزمة ممكن (2.8 نانو أمبير)، وسلائف $Fe_2(CO)_9$ إلى الحصول على أكثر الهياكل المائلة انتظاماً. وتحت هذه الظروف، ظل محتوى المعدن فوق 75% لزوايا نمو تصل إلى $60^\circ$.

الأهمية والادعاءات
تقدم الورقة بيانات توصيف أساسية تربط بين زاوية النمو الهندسية لأسلاك FEBID النانوية وخصائصها التركيبية والمغناطيسية. ويؤكد المؤلفون ما يلي:

• الانتظام قابل للتحقيق: من خلال الاختيار الدقيق لمعاملات الترسيب (تحديداً الجهد المنخفض والتيار العالي)، يمكن تصنيع أسلاك نانوية مغناطيسية مائلة ذات محتوى معدني واستحثاث مغناطيسي ثابت حتى زاوية $60^\circ$ من المحور الرأسي.
• ضبط المعاملات: توضح الدراسة أن "المقايضة" بين طاقة الحزمة (حجم التفاعل) وتيار الحزمة (الشدة) يمكن إدارتها للتخفيف من عدم الانتظام المتأصل في طباعة FEBID ثلاثية الأبعاد.
• خصوصية المواد: يؤثر اختيار غاز السلائف بشكل كبير على الاستقرار؛ حيث وُجد أن $Fe_2(CO)_9$ أكثر متانة ضد فقدان النقاء الناتج عن الانتقال مقارنة بـ $Co_2(CO)_8$ في ظل الظروف المختبرة.
• الآثار على السبينترونيات ثلاثية الأبعاد: يعد ضمان تجانس التركيب أمراً بالغ الأهمية للتشغيل الموثوق للأجهزة السبينترونية ثلاثية الأبعاد. وتشير النتائج إلى أنه يمكن تحسين خوارزميات FEBID الحالية للطباعة ثلاثية الأبعاد لتأخذ في الاعتبار هذه التغيرات المعتمدة على الزاوية، مما يتيح تصنيع بنيات مغناطيسية معقدة (مثل الشبكات الحلزونية أو التخزين ثلاثي الأبعاد للبيانات) ذات سلوك مغناطيسي يمكن التنبؤ به.

يخلص المؤلفون إلى أنه على الرغم من أن هياكل FEBID المائلة تعاني بطبيعتها من انخفاض النقاء مقارنة بالهياكل الرأسية، إلا أنه يمكن تقليل هذا التدهور إلى مستوى مناسب لإنتاج النماذج الأولية للأجهزة الوظيفية من خلال تحسين معاملات الحزمة واختيار السلائف.