Magnetic resonance force microscopy(MRFM) is a technique whose goal is to detect a single spin and to make it possible to obtain a three-dimensional magnetic resonance image with the atomic scale spatial resolution of scanning probe microscopy(SPM). This technique has great capabilities to apply its technical benefits to a wide variety of research branches such as studies on magnetic recording media, a doping state of a semiconductor, biological structure, DNA structure, quantum computation and etc.
In this dissertation, we introduce the basic concepts of MRFM and the setup of our first MRFM system in our country and discuss how to get the first-stage signal effectively and describe the relation between the sample shape and the signal shape in the second harmonic detection MRFM experiment. In the second harmonic detection MRFM, the magnitude and shape of the signal depends on the amplitude of the modulation B field. Using this dependency, we can find the optimal signal-giving conditions by computer simulation. Moreover, we can also control the width of the signal spectrum arbitrarily to find the first-stage signal with ease. All the facts such as the relative sample size to the field gradient, the modulation amplitude and its configuration give an influence on the signal spectrum shape. We have also improved our system to perform a stable experiment. In this course, we utilize an annealed iron sphere as a gradient source. A help to who makes a system can be expected with this detailed report on the modification of our MRFM setup. Furthermore, We describe self-oscillation mode of an atomic force microscope cantilever and consider the possibility of ferromagnetic nuclear magnetic resonance(FNMR) experiment under zero-field by MRFM and the modified MRFM device for this purpose.
자기 공명 힘 현미경(Magnetic Resonance Force Microscopy; MRFM)은 탐침식 표면 주사 현미경(Scanning Probe Microscopy; SPM)과 자기 공명의 두 분야를 결합한 것이다. 기존의 전자 스핀 공명이나 핵자기 공명이 유도 코일에 생기는 기전력 혹은 코일의 임피던스 변화로부터 신호를 얻는 반면에 MRFM은 미소 외팔보(micro-cantilever)의 진동 진폭으로부터 자기 공명 신호를 얻는다. 즉, 자기 공명에 의해 변화하는 시료의 자화 값은 시료가 경사자계 내부에서 받는 자기력에 변화를 주어 외팔보를 기계적으로 구동한다. 이 논문에서는 우리가 제작하였던 최초의 MRFM장비를 소개하고, 장비 제작 초기에 수월한 신호측정을 위해서 고려되어야 할 몇 가지 문제와 시료의 크기 및 모양에 따른 신호의 형태에 관하여 시뮬레이션을 통해서 토의였으며, Diphenylpicrylhydrazil(DPPH) 시료에 대한 전자 상자성 공명(Electron Paramagnetic Resonance; EPR)실험을 수행하였다. 신호 획득의 재현성을 높이고 안정된 실험을 하기 위해서 장비를 개조하였으며, 이를 위해 고안된 기술들에 대해 기술하였다. 그 외에 광섬유 광학계에 의한 외팔보의 자체 진동 모드에 대해여 연구하였고, 강자성체에서의 영자기장(zero-field) 하에서의 강자성 핵자기 공명(ferromagnetic nuclear magnetic resonance; FNMR)신호의 MRFM 관측 가능성 및 장비 개조에 대하여 논의하였다.
