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(dòng)態(tài)

二維范德瓦爾斯（vdW）材料可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和磁性相互作用創(chuàng)造不同的自旋紋理。近期，德國(guó)馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的Parkin教授團(tuán)隊(duì)研究了鐵磁性化合物Fe5GeTe2(FGT5)，發(fā)現(xiàn)該材料具有一系列復(fù)雜的自旋結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為中心對(duì)稱性，缺乏反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。此外，F(xiàn)GT5具有少數(shù)相，表現(xiàn)為長(zhǎng)程有序超結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的存在是因?yàn)镕GT5薄片最上層中有序Te空位的結(jié)果，而不是之前提出的Fe垂直排序的結(jié)果。最為重要的是，該團(tuán)隊(duì)利用低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力顯微鏡attoAFM-MFM I直接觀測(cè)了二維材料FGT5中的磁自旋紋理，證實(shí)了FGT5擁有豐富的磁相，是一種精細(xì)調(diào)節(jié)磁相互作用的重要平臺(tái)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以《Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂》為題，在國(guó)際期刊《ACS Nano》上發(fā)表。

文中使用的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I是由德國(guó)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(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該顯微鏡基于納米精度位移臺(tái)，可提供多維運(yùn)動(dòng)、毫米級(jí)行程和亞納米精度。用戶僅需要更換掃描頭和對(duì)應(yīng)的光學(xué)部件即可實(shí)現(xiàn)壓電力顯微鏡（PFM）、開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)、導(dǎo)電力顯微鏡 (c-AFM)等不同功能之間的切換，進(jìn)行空間分辨率<50 nm的磁性紋理觀測(cè)，研究超導(dǎo)材料變溫變磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I。

研究進(jìn)展

Fe₅GeTe₂（FGT5）因具有較高的居里溫度（Tc）得到了廣泛的關(guān)注與研究。該課題組發(fā)現(xiàn)FGT5可以通過調(diào)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ，F(xiàn)GT5是由兩個(gè)不同相組成的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)（多數(shù)相與少數(shù)相），該少數(shù)相的特征是在FGT5兩個(gè)末端Te層中有一個(gè)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(gè)薄片的LTEM圖像，其中明顯觀察到磁條紋結(jié)構(gòu)。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(gè)薄片的厚度梯度造成。圖2（d?f）顯示了隨著外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度增加，條紋結(jié)構(gòu)膨脹，隨后形成各種類型的磁泡。

圖2：電鏡觀測(cè)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(chǎng)下的LTEM電鏡圖像。

由于LTEM技術(shù)限制，僅可對(duì)薄樣品測(cè)量。課題組采用低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力顯微鏡MFM對(duì)厚晶體材料（約170μm）中的磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎng)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(lán)色（向上）、紅色（向下）和白色（平面內(nèi)）。在零外場(chǎng)中，觀察到的磁性結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。隨著外磁場(chǎng)的增加，磁學(xué)紋理開始演化為隨機(jī)分布在整個(gè)樣品中的氣泡形結(jié)構(gòu)，如圖3（b?e）所示。值得注意的是，在更高的磁場(chǎng)中觀察到兩種明顯的磁對(duì)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(chǎng)和樣品厚度下，這兩種不同的磁對(duì)比表明，它們是由兩種不同的磁性紋理造成的。

圖3  低溫強(qiáng)磁場(chǎng)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(duì)不同厚度的片層進(jìn)行LTEM和MFM測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)GT5具有磁性紋理，可以通過薄片厚度來調(diào)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(yīng)用材料。

attocube低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 已經(jīng)在北京大學(xué)，清華大學(xué)，南京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，北京師范大學(xué)等單位順利運(yùn)行，持續(xù)助力各個(gè)課題組的科研工作。圖4為常見的的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡，該系統(tǒng)配置attocube的低溫掃描臺(tái)以及納米精度位移臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)常見氧化物薄膜，超導(dǎo)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(cè)等電磁學(xué)性質(zhì)測(cè)量。值得指出，系統(tǒng)兼容德國(guó)attocube公司推出的用于超靈敏SPM測(cè)量的全新超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200。該系統(tǒng)已經(jīng)在中國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家完成多套安裝與運(yùn)行，已助力全球用戶在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的磁學(xué)成像研究中取得眾多突破性成果。

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

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I主要技術(shù)特點(diǎn)：

? 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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)：AFM

? 可選升級(jí)：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

? 振動(dòng)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(shí)間小于2分鐘

? 兼容磁場(chǎng)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(jí) cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

? 兼容：用于超靈敏SPM測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200

圖5：用于超靈敏 SPM 測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200

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

? 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.

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