探索納米世界的手！低溫強(qiáng)磁場原子力顯微鏡及其升級的多重應(yīng)用

更新時間：2023-03-19

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掃描探針顯微鏡（SPM）能夠在樣品表面的不同位置以及不同溫度和磁場下關(guān)聯(lián)材料的性質(zhì)，如磁化、極化、開爾文電位、電導(dǎo)率和形貌等，是一種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)。原子力顯微鏡（AFM）為掃描探針顯微鏡家族的一員，具有納米級的分辨能力，其操作容易簡便，是目前研究納米科技和材料分析的重要工具之一。基于此，attocube不斷研發(fā)升級低溫attoAFM I顯微鏡的各種功能，以得到不同模式下的多種重要表征數(shù)據(jù)。

圖1. 低溫原子力顯微鏡的各種可選升級模式: MFM, PFM, ct-AFM, KPFM

本文將介紹attocube客戶通過attoAFM I及其相關(guān)升級功能所獲得的一些顯著測量結(jié)果。結(jié)果將關(guān)聯(lián)電極化（PFM）、定量開爾文勢（KPFM）、定性開爾文電位（EFM）、電導(dǎo)率（ct -AFM）和形貌（topo）等。

KPFM, EFM, PFM & TOPO

鐵電半導(dǎo)體光電晶體管

微光光電探測器（3LPD）在量子通信、自適應(yīng)光學(xué)和空間成像等廣泛應(yīng)用中備受追捧。

程志海教授（中國人民大學(xué)）和王振興研究員（國家納米科學(xué)中心）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)制造并表征了具有固有高增益的低光級鐵電半導(dǎo)體光電晶體管（FSP），其特點(diǎn)是光致鐵電開關(guān)。通過將FSP設(shè)置為非易失性極化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)極低的暗電流和高電阻狀態(tài)(HRS)。為了解光電響應(yīng)機(jī)制，作者采用了實(shí)空間成像與輸運(yùn)測量相結(jié)合的方法。在輸運(yùn)測量的基礎(chǔ)上，在FSP器件上進(jìn)行了原位EFM和KPFM測量，其中鐵電半導(dǎo)體通道通過PFM識別。未載流狀態(tài)下的KPFM測量證實(shí)了FSP的光致鐵電轉(zhuǎn)換，載流狀態(tài)下的EFM驗(yàn)證了FSP的光響應(yīng)性質(zhì)。此外，原位的輸運(yùn)測量進(jìn)一步驗(yàn)證了FSP的光響應(yīng)性質(zhì)。這些相關(guān)測量是通過attoDRY2100低溫恒溫器中的attoAFM I顯微鏡（升級了KPFM和PFM功能）實(shí)現(xiàn)的。由于其低工作電壓、高性能和簡單的結(jié)構(gòu)，該FSP器件顯示了新一代微光光電探測器的潛力。

圖2 ：左圖為FPS器件的形貌圖和未載流狀態(tài)下的KPFM測量；右圖為線掃形貌圖和載流狀態(tài)下的EFM測量數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

J. Yang et al., Adv. Funct. Mater. 2022, 2205468 (2022)

ct-AFM, PFM & TOPO

量子材料中的導(dǎo)電疇壁

導(dǎo)電疇壁（DW）是準(zhǔn)二維導(dǎo)電路徑，可在原位創(chuàng)建、定位和移除，為可重寫納米電子器件提供了機(jī)會。導(dǎo)電疇壁通常出現(xiàn)在寬帶隙鐵電體中，通常是響應(yīng)極性不連續(xù)處的電荷積累而形成。István Kézsmárki（德國奧格斯堡大學(xué)）表明，導(dǎo)電疇壁也可以存在于窄間隙莫特絕緣體中。在這種情況下，納米級導(dǎo)電路徑的形成是因?yàn)楫牨谥車膽?yīng)變梯度改變了帶結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)在attoLIQUID2000低溫恒溫器中使用了帶有ct-AFM升級和PFM升級的attoAFM I顯微鏡，將材料（GaV₄S₈）冷卻到Jahn-Teller轉(zhuǎn)變（~43K）以下，直接對電導(dǎo)率、形貌和壓電響應(yīng)進(jìn)行成像。由此，他們排除了極性不連續(xù)性模型作為原點(diǎn)，而是將DW周圍電導(dǎo)率的增加與表面重建高度的平方相關(guān)聯(lián)：這是Jahn-Teller躍遷中產(chǎn)生的體積應(yīng)變的特征。這有效地顯示了一種利用應(yīng)變梯度誘導(dǎo)的帶結(jié)構(gòu)變化來創(chuàng)建納米級傳導(dǎo)路徑的新機(jī)制。這為疇壁納米電子學(xué)的許多新材料打開了全新的大門。

圖3： cAFM圖像顯示GaV₄S₈中的導(dǎo)電之字形疇壁，明亮的顏色顯示導(dǎo)電性增加

參考文獻(xiàn)：

L. Puntigam et al., Adv. Electron. Mater. 2022, 2200366 (2022)

PFM & TOPO

磁電相變

對稱性破缺的復(fù)合氧化物可以呈現(xiàn)出各種各樣的、突現(xiàn)的相。這可以通過設(shè)計(jì)復(fù)雜氧化物的超晶格來實(shí)現(xiàn)。張金星教授（中國北京師范大學(xué)）團(tuán)隊(duì)通過交替堆疊Ruddlesden–Popper和鈣鈦礦氧化物構(gòu)建了超晶格，這導(dǎo)致了人工設(shè)計(jì)的鐵電和磁電（ME）相變。

通過在attoDRY1000低溫恒溫器中使用具有PFM功能的attoAFM I顯微鏡進(jìn)行測量，PFM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了溫度低于90K時鐵電疇的存在。通過布里淵光散射驗(yàn)證了Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）和凈磁化的伴隨存在。此外，外部磁場抑制了電極化，證實(shí)了直接ME效應(yīng)的存在。這項(xiàng)研究表明，界面DMI工程是在具有關(guān)聯(lián)電子的系統(tǒng)中生成奇異相和有序的一種很有前途的工具。