文章名稱：Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂

期刊：ACS Nano

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c09602

研究動態(tài)

二維范德瓦爾斯（vdW）材料可以通過調節(jié)結構和磁性相互作用創(chuàng)造不同的自旋紋理。近期，德國馬克斯·普朗克微結構物理研究所的Parkin教授團隊研究了鐵磁性化合物Fe5GeTe2(FGT5)，發(fā)現(xiàn)該材料具有一系列復雜的自旋結構和晶體結構，主要表現(xiàn)為中心對稱性，缺乏反轉對稱性。此外，F(xiàn)GT5具有少數(shù)相，表現(xiàn)為長程有序超結構。該結構的存在是因為FGT5薄片最上層中有序Te空位的結果，而不是之前提出的Fe垂直排序的結果。最為重要的是，該團隊利用低溫強磁場磁力顯微鏡attoAFM-MFM I直接觀測了二維材料FGT5中的磁自旋紋理，證實了FGT5擁有豐富的磁相，是一種精細調節(jié)磁相互作用的重要平臺。相關研究內容以《Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂》為題，在國際期刊《ACS Nano》上發(fā)表。

文中使用的低溫強磁場原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I是由德國attocube公司研發(fā)的，顯微鏡由非磁性材料制成，專為低溫、超低溫和高磁場應用而設計。該顯微鏡基于納米精度位移臺，可提供多維運動、毫米級行程和亞納米精度。用戶僅需要更換掃描頭和對應的光學部件即可實現(xiàn)壓電力顯微鏡（PFM）、開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)、導電力顯微鏡 (c-AFM)等不同功能之間的切換，進行空間分辨率<50 nm的磁性紋理觀測，研究超導材料變溫變磁場下的磁通漩渦成像以及鐵電體和多鐵性材料的磁疇成像。

圖1： 低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I。

研究進展

Fe₅GeTe₂（FGT5）因具有較高的居里溫度（Tc）得到了廣泛的關注與研究。該課題組發(fā)現(xiàn)FGT5可以通過調節(jié)材料厚度影響磁相互作用來控制形成的自旋紋理。通過高分辨率X射線衍射（XRD）實驗發(fā)現(xiàn) ，F(xiàn)GT5是由兩個不同相組成的復雜晶體結構（多數(shù)相與少數(shù)相），該少數(shù)相的特征是在FGT5兩個末端Te層中有一個有序的Te空缺陣列。

利用洛倫茲透射電子顯微鏡（LTEM）和磁力顯微鏡（MFM），課題組發(fā)現(xiàn)不同厚度的FGT5薄片具有不同的自旋紋理，包括多域狀態(tài)、條紋相和分形域相。圖2(c)顯示了整個薄片的LTEM圖像，其中明顯觀察到磁條紋結構。條紋的寬度從圖像的右上角一直增加到左下角，這可能是由整個薄片的厚度梯度造成。圖2（d?f）顯示了隨著外加磁場的強度增加，條紋結構膨脹，隨后形成各種類型的磁泡。

圖2：電鏡觀測FGT5材料。 2a.電子衍射圖。2b. HAADF-STEM圖像顯示原子排列。2c-2f. FGT5材料(約200納米厚)在100 K溫度與不同磁場下的LTEM電鏡圖像。

由于LTEM技術限制，僅可對薄樣品測量。課題組采用低溫強磁場磁力顯微鏡MFM對厚晶體材料（約170μm）中的磁性結構進行了研究。MFM圖像襯度來源于MFM探針磁矩與樣品表面產(chǎn)生的雜散場相互作用。MFM圖像中的顏色代表了沿著不同方向的磁化成分：藍色（向上）、紅色（向下）和白色（平面內）。在零外場中，觀察到的磁性結構如圖3(a)所示。隨著外磁場的增加，磁學紋理開始演化為隨機分布在整個樣品中的氣泡形結構，如圖3（b?e）所示。值得注意的是，在更高的磁場中觀察到兩種明顯的磁對比。圖3(f)顯示了在圖3(e)中觀察到的兩種不同紋理的放大圖。在同一磁場和樣品厚度下，這兩種不同的磁對比表明，它們是由兩種不同的磁性紋理造成的。

圖3  低溫強磁場磁力顯微鏡研究FGT5材料。4a-4e, 在溫度100 K下記錄厚度約為170μm的晶體的MFM圖像。

課題組通過對不同厚度的片層進行LTEM和MFM測量，發(fā)現(xiàn)三種不同的磁基態(tài)在不同厚度下是穩(wěn)定的： (i)疇相，（ii）條紋相和（iii）分形相。實驗結果表明，F(xiàn)GT5具有磁性紋理，可以通過薄片厚度來調整。金屬豐度、室溫Tc、厚度依賴性和各種磁相的存在使FGT5成為一種非常有前途的自旋電子應用材料。

attocube低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 已經(jīng)在北京大學，清華大學，南京大學，復旦大學，北京師范大學等單位順利運行，持續(xù)助力各個課題組的科研工作。圖4為常見的的低溫強磁場原子力磁力顯微鏡，該系統(tǒng)配置attocube的低溫掃描臺以及納米精度位移臺，可以實現(xiàn)對常見氧化物薄膜，超導材料，低維層狀材料，納米線等微納尺度材料的低溫形貌，磁力磁疇與斯格明子觀測等電磁學性質測量。值得指出，系統(tǒng)兼容德國attocube公司推出的用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。該系統(tǒng)已經(jīng)在中國、德國、英國等國家完成多套安裝與運行，已助力全球用戶在低溫強磁場環(huán)境下的磁學成像研究中取得眾多突破性成果。

圖4：常見配置-低溫強磁場原子力磁力顯微鏡，兼容attoDRY2100低溫系統(tǒng)。

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I主要技術特點：

? 成像模式：接觸式，非接觸式，恒高模式，恒力模式

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

? 標準技術：AFM

? 可選升級：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

? 振動噪音（Z方向）：保證小于 0.15 nm (attoDRY)

?  空間分辨率：小于 20 nm (attoLIQUID),  小于 50 nm ((attoDRY)

? 商業(yè)化探針，換針時間小于2分鐘

? 兼容磁場環(huán)境：0~9T ( 取決于磁體系統(tǒng)，兼容12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體)

? 兼容溫度范圍：1.8 K~300 K

? 可升級 cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

? 兼容：用于超靈敏SPM測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

圖5：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 部分發(fā)表文獻：

? Yonglei WANG, et al. Toroidic phase transitions in a direct-kagome artificial spin ice. Nature Nanotechnology (2024)

? Yonglei WANG, et al. Unconventional Superconducting Diode Effects via Antisymmetry and Antisymmetry Breaking. Nano Lett. 2024, 24, 14, 4108–4116

? Zhihai Cheng, et al. Interlayer coupling modulated tunable magnetic states in superlattice MnBi₂Te₄(Bi₂Te₃)_n topological insulators. Phys. Rev. B 109, 165410 (2024)

? Stuart S.P. Parkin, et al. Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂. ACS Nano 2024, 18, 7, 5335–5343

? Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr₂S₄ Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

? Yuansha CHEN et al. Direct Observation of Magnetic Skyrmions and Their Current Induced Dynamics in Epitaxial Single-Crystal Oxide Films. Nano Lett. 2023, 23, 4258?4266

? Yuansha CHEN et al. Giant Exchange-Bias-Like Effect at Low Cooling Fields Induced by Pinned Magnetic Domains in Y₂NiIrO₆ Double Perovskite. Adv. Mater. 2023, 35, 2209759

? Zhihai Cheng, et al. Electrical and magnetic anisotropies in van der Waals multiferroic CuCrP₂S₆. Nature Communications  14 : 840 (2023)

? Zhihai Cheng, et al. Ultrasensitive Ferroelectric Semiconductor Phototransistors for Photon-Level Detection. Adv. Funct. Mater. 2022, 2205468

? Jinxing Zhang, et al. Defect-Engineered Dzyaloshinskii–Moriya Interaction and Electric-Field-Switchable Topological Spin Texture in SrRuO₃，Advanced Materials., 2021, 33, 2102525.

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I部分國內用戶單位：