Science: 掃描探針顯微鏡控制器在二維磁性材料研究中的突破性應用...

　　導讀：

　　自2017年來，二維磁性在單層材料中的實現使得二維磁性材料受到了極大的關注。範德瓦爾斯磁體讓我們對二維極限下的磁性有了更進一步的了解，不同磁結構的範德瓦爾斯磁體使得實驗上探究二維下的磁學模型成為可能。例如，在單層CrI₃中發現Ising鐵磁，而XY模型的NiPS₃在單層極限下的磁性會被抑制。除了這些，有著變磁行為的範德瓦爾斯磁體更為有趣，比如在少層CrCl₃中由於奇數層存在著未補償磁矩，使得奇數層存在著spin-flop轉變，而偶數層則沒有。目前，現存的二維磁性材料非常稀少，這意味著新範德瓦爾斯磁體的發現，不僅僅有助於二維磁性的研究，更是為二維自旋電子學器件的應用提供了材料基礎^[1]。相比於傳統的三維空間結構，二維層狀磁性材料因其原子層間較弱的範德華爾斯作用力，能夠人為操控其層間堆疊方式，進而有可能影響其磁耦合特性，為新型二維自旋器件的研製提供新思路。然而，堆疊方式與磁耦合間的關聯機制仍不甚明晰，需要藉助先進的掃描探針技術才能實現在原子級層面的直接實驗觀測。

　　美國RHK公司所提供的先進R9plus掃描探針顯微鏡控制器可以有效結合課題組自主研發的掃描探針設備，同時給予高效率的掃描控制，從而可以針對二維磁性材料應用領域展開更為深入的研究。本文重點介紹國內優秀課題組靈活運用RHK公司掃描探針控制器，配合自主研發設計的掃描探針設備所開展的一系列國際前沿性二維材料領域的研究工作，其中各研究工作當前已在國際SCI核心學術期刊發表。

　　科學成果的突破，離不開實驗技術的不斷攻堅克難。復旦大學物理學系教授高春雷、吳施偉團隊通過團隊自主研發搭建的掃描探針設備創造性地將原位化合物分子束外延生長技術和自旋極化掃描隧道顯微鏡相結合，在原子級層面徹底釐清了雙層二維磁性半導體溴化鉻（CrBr₃）的層間堆疊和磁耦合間的關聯，為二維磁性的調控指出了新的維度。相關研究成果以 《範德華爾斯堆疊依賴的層間磁耦合的直接觀測》（「Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism」）為題發表於《科學》（Science）主刊，其中復旦大學物理學系博士後陳維炯為第一作者^[2]。

圖中所示為陳博士與RHK技術總監進行深入的技術探討，現場摸索優化測試信號，並詳細溝通具體的測量細節，為後續高效率提取高質量大數據做準備。

　　課題組運用自主研製的自旋極化掃描隧道顯微鏡測量技術，結合RHK公司先進的掃描探針顯微鏡控制器對自主研發實驗設備實現精準測量調控，團隊進一步在原子級分辨下獲取了樣品磁化方向的相對變化，從而實現了實驗突破，揭秘材料堆疊方式與磁耦合之間的直接關聯性。團隊以CrBr₃雙層膜作為主要研究對象和潛在突破口。雙層CrBr₃間較弱的範德瓦爾斯力賦予層間發生相對轉動和平移的「自由」，從而使堆疊方式多樣化成為可能。確實，在實驗中獲得的CrBr₃雙層膜具有兩種不同的轉動堆疊結構（H型和R型），分別對應迥異的結構對稱性。其中，R型堆疊結構中，雙層膜上下兩層間同向平行排列，且沿晶體鏡面方向作一定平移；H型堆疊結構中，雙層膜上下兩層之間旋轉了180度，反向平行交錯排列。這兩種結構均是在相應的體材料中從未發現過的全新堆疊結構。至此，團隊率先在原子級尺度闡明了CrBr₃堆疊結構與層間鐵磁、反鐵磁耦合的直接關聯，為理解三滷化鉻家族CrX₃中不同成員的迥異磁耦合提供了指導。

H型和R型堆疊的CrBr₃雙層膜自旋極化掃描隧道顯微鏡測量

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　　《Nature》子刊：中國科大扭轉雙層石墨烯重要進展！

　　範德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有一系列新奇的電學性質（例如，電場可調控的能隙、隨扭轉轉角變化的範霍夫奇點以及一維拓撲邊界態等）。當雙層石墨烯的扭轉轉角減小到一系列特定的值（魔角）時，體系的費米面附近出現平帶，電子在能量空間高度局域，電子-電子相互作用顯著增強，出現莫特絕緣體和反常超導量子物態。另一方面，這些新奇的性質與雙層石墨烯體系的扭轉角度有著嚴格的依賴關係，體系層間相互作用隨著轉角減小會逐漸增強，因此探尋和研究這種層間耦合對理解扭轉雙層石墨烯的電子結構和物理性質至關重要。中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心（ICQD）物理系秦勝勇教授與武漢大學袁聲軍教授及其他國內外同行合作，利用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，首次在雙層轉角石墨烯體系中發現了本徵贗磁場存在的重要證據，結合大尺度理論計算指出該贗磁場來源於層間相互作用導致的非均勻晶格重構。

　　相關研究成果以「Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene」為題，於2020年發表於《自然·通訊》（Nature Communications2020,11,371）上^[3]。

圖：小角度雙層石墨烯中本徵贗磁場的發現。對於轉角為0.48度的雙層石墨烯，在不加外磁場情況下，實驗發現了贋朗道能級（圖b），理論計算進一步驗證了這種贋磁場行為（圖c），並估算出贋磁場值大約為6特斯拉（圖e）。

　　該團隊系統研究了小角度下（<1°）雙層石墨烯的電學性質，首次證實了由晶格重構導致的本徵贗磁場。首先，研究人員發現體系中贗磁場導致了低能載流子的能量量子化，並計算出這種本徵贗磁場在實空間的分布。研究發現贗磁場的分布並不是均勻的，而是以AA堆疊為中心呈渦旋狀，且在AA堆疊邊界區域達到最大值；另外，該贗磁場的大小隨著轉角的減小而增大，其分布和大小受到外加應力的調控。

　　該項研究證實，在小角度扭轉雙層石墨烯中晶格重構導致的贗磁場和強關聯電子態存在著內在的關聯，層間相互作用對體系的結構重構和性質變化有著非常重要的影響。這一現象可以推廣到其他範德瓦爾斯堆疊的二維材料體系中。這項工作同時表明，具有本徵贗磁場的小角度扭轉雙層石墨烯是實現量子反常霍爾效應的一個可能平臺，為研究二維材料的性質和應用提供了新的思路。

　　RHK公司提供的R9plus掃描探針顯微鏡強有力的為國內自主研發技術提供有力保障，除了在科研領域內重點關注的二維材料發揮重要作用以外，也對國內其它相關掃描探針設備研發領域課題組提供技術支持。

　　中國科學技術大學陸輕鈾教授團隊與中國科學院強磁場科學中心、新加坡國立大學等單位合作，利用掃描探針控制器實現了高精度的磁力顯微鏡觀察表徵，報告了在超薄BaTiO₃/SrRuO₃ (BTO/SRO)雙層異質結構中發現鐵電體（FE）驅動的、高度可調諧的磁性斯格明子。在BTO中，FE驅動的離子位移可以穿過異質界面，並繼續為多個單元進入SRO。這種所謂的FE鄰近效應已經在不同的FE/金屬氧化物異質界面中得到了預測和證實。在BTO/SRO異質結構中，這種效應可以誘導相當大的DMI，從而穩定強大的磁性物質。此外，通過利用BTO覆蓋層的FE極化，可以實現對斯格明子性質的局部、可逆和非易失性控制。這種鐵電可調的斯格明子系統為設計具有高集成性和可尋址性的基於斯格明子的功能設備提供了一個潛在的方向。相關成果以題為「Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures」發表在了Nat. Mater.上^[4]。

B20S5樣品中磁性斯格明子的磁力顯微鏡表徵

　　除此之外該課題組也對二維過渡金屬硫化物材料MoTe₂溫度依賴的表面STM圖像、電子結構、晶格動力學和拓撲性質進行了研究。研究結果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe₂at low temperature為題，發表在美國物理學會雜誌《物理評論B》上。該工作為二維過渡金屬硫化物材料MX₂的低溫研究、實驗製備和器件開發提供了直接的理論支持，其揭示的MoTe₂低溫下反常物性的內在物理機制對其它具有內在MX₂八面體結構畸變的二維材料同樣具有參考價值^[5]。

　　學術工作之外，該課題組在儀器設備研發方面也取得了優異的成果，課題組在國際上首次研製成功混合磁體極端條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡（STM），相關研究成果發表在顯微鏡領域著名期刊Ultramicroscopy和著名儀器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作利用混合磁體搭配RHK公司掃描探針設備開展原子分辨成像研究，對於突破當前超強磁場下只能開展輸運等宏觀平均效果測量的瓶頸，進入到廣闊的物性微觀起源探索領域，具有標誌性意義。同時，課題組又針對超強磁場下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室溫大氣環境下的分體式STM。該系統將一段螺紋密封式膠囊腔體通過一根長彈簧懸吊於混合磁體中心，並將STM核心鏡體懸吊於膠囊腔體內用以減弱聲音振動幹擾。經測試，該STM在27.5特斯拉超強磁場下依然保持原子分辨。由於沒有真空、低溫環境的保護，搭建混合磁體超強磁場、超強振動和聲音環境下的室溫大氣STM難度更大。此前，國際上還未曾報導過水冷磁體或混合磁體中的室溫大氣STM^[6]。

混合磁體STM系統：（a）混合磁體照片；（b）混合磁體STM系統簡圖；（c）STM鏡體；（i-iv）分別為0T、21.3T、28.3T、30.1T磁場強度下石墨的原子分辨STM圖像。

　　參考文獻：

　　1.  Peng, Y., et al., A Quaternary van der Waals Ferromagnetic Semiconductor AgVP₂Se₆. Advanced Functional Materials, 2020. 30(34): p. 1910036.

　　2.  Chen, W., et al., Direct observation of van der Waals stacking-dependent interlayer magnetism. Science, 2019. 366(6468): p. 983-987.

　　3.  Shi, H., et al., Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 371.

　　4.  Wang, L., et al., Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures. Nat Mater, 2018. 17(12): p. 1087-1094.

　　5.  Ge, Y., et al., Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td−MoTe₂at low temperature. Physical Review B, 2020. 101(10).

　　6.  Meng, W., et al., 30 T scanning tunnelling microscope in a hybrid magnet with essentially non-metallic design. Ultramicroscopy, 2020. 212: p. 112975.

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　　掃描探針顯微鏡控制器-R9plus：https://www.caigou.com.cn/product/20160315777.shtml