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(yīng)用進展

    科學成果的突破，離不開實驗技術(shù)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(fā)搭建的掃描探針設(shè)備創(chuàng)造性地將原位化合物分子束外延生長技術(shù)和自旋極化掃描隧道顯微鏡相結(jié)合，在原子級層面*厘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(guān)聯(lián)，為二維磁性的調(diào)控指出了新的維度。相關(guān)研究成果以 《范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(fā)表于《科學》（Science）主刊，其中復旦大學物理學系博士后陳維炯為yi作^[2]。

圖中所示為陳博士與RHK*技術(shù)總監(jiān)進行深入的技術(shù)探討，現(xiàn)場摸索優(yōu)化測試信號，并詳細溝通具體的測量細節(jié)，為后續(xù)高效率提取高質(zhì)量大數(shù)據(jù)做準備。

    課題組運用自主研制的自旋極化掃描隧道顯微鏡測量技術(shù)，結(jié)合RHK公司*的掃描探針顯微鏡控制器對自主研發(fā)實驗設(shè)備實現(xiàn)準確測量調(diào)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(xiàn)了實驗突破，揭秘材料堆疊方式與磁耦合之間的直接關(guān)聯(lián)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間較弱的范德瓦爾斯力賦予層間發(fā)生相對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動堆疊結(jié)構(gòu)（H型和R型），分別對應(yīng)迥異的結(jié)構(gòu)對稱性。其中，R型堆疊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，雙層膜上下兩層之間旋轉(zhuǎn)了180度，反向平行交錯排列。這兩種結(jié)構(gòu)均是在相應(yīng)的體材料中從未發(fā)現(xiàn)過的全新堆疊結(jié)構(gòu)。至此，團隊*在原子級尺度闡明了CrBr₃堆疊結(jié)構(gòu)與層間鐵磁、反鐵磁耦合的直接關(guān)聯(lián)，為理解三鹵化鉻家族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(zhuǎn)雙層石墨烯重要進展！ 

    范德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有一系列新奇的電學性質(zhì)（例如，電場可調(diào)控的能隙、隨扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角變化的范霍夫奇點以及一維拓撲邊界態(tài)等）。當雙層石墨烯的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角減小到一系列特定的值（魔角）時，體系的費米面附近出現(xiàn)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(xiàn)莫特絕緣體和反常超導量子物態(tài)。另一方面，這些新奇的性質(zhì)與雙層石墨烯體系的扭轉(zhuǎn)角度有著嚴格的依賴關(guān)系，體系層間相互作用隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)雙層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)至關(guān)重要。中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學研究中心功能材料量子設(shè)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(nèi)外同行合作，利用掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜，*在雙層轉(zhuǎn)角石墨烯體系中發(fā)現(xiàn)了本征贗磁場存在的重要證據(jù)，結(jié)合大尺度理論計算指出該贗磁場來源于層間相互作用導致的非均勻晶格重構(gòu)。

    相關(guān)研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”為題，于2020年發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications 2020,11,371）上^[3]。

 圖：小角度雙層石墨烯中本征贗磁場的發(fā)現(xiàn)。對于轉(zhuǎn)角為0.48度的雙層石墨烯，在不加外磁場情況下，實驗發(fā)現(xiàn)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），并估算出贋磁場值大約為6特斯拉（圖e）。

    該團隊系統(tǒng)研究了小角度下（<1°）雙層石墨烯的電學性質(zhì)，*證實了由晶格重構(gòu)導致的本征贗磁場。首先，研究人員發(fā)現(xiàn)體系中贗磁場導致了低能載流子的能量量子化，并計算出這種本征贗磁場在實空間的分布。研究發(fā)現(xiàn)贗磁場的分布并不是均勻的，而是以AA堆疊為中心呈渦旋狀，且在AA堆疊邊界區(qū)域達到大值；另外，該贗磁場的大小隨著轉(zhuǎn)角的減小而增大，其分布和大小受到外加應(yīng)力的調(diào)控。

    該項研究證實，在小角度扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中晶格重構(gòu)導致的贗磁場和強關(guān)聯(lián)電子態(tài)存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，層間相互作用對體系的結(jié)構(gòu)重構(gòu)和性質(zhì)變化有著非常重要的影響。這一現(xiàn)象可以推廣到其他范德瓦爾斯堆疊的二維材料體系中。這項工作同時表明，具有本征贗磁場的小角度扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的一個可能平臺，為研究二維材料的性質(zhì)和應(yīng)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(nèi)自主研發(fā)技術(shù)提供有力保障，除了在科研領(lǐng)域內(nèi)重點關(guān)注的二維材料發(fā)揮重要作用以外，也對國內(nèi)其它相關(guān)掃描探針設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域課題組提供技術(shù)支持。

    中國科學技術(shù)大學陸輕鈾教授團隊*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(xiàn)了高精度的磁力顯微鏡觀察表征，報告了在超薄BaTiO₃/SrRuO₃ (BTO/SRO)雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)鐵電體（FE）驅(qū)動的、高度可調(diào)諧的磁性斯格明子。在BTO中，F(xiàn)E驅(qū)動的離子位移可以穿過異質(zhì)界面，并繼續(xù)為多個單元進入SRO。這種所謂的FE鄰近效應(yīng)已經(jīng)在不同的FE/金屬氧化物異質(zhì)界面中得到了預(yù)測和證實。在BTO/SRO異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這種效應(yīng)可以誘導相當大的DMI，從而穩(wěn)定強大的磁性物質(zhì)。此外，通過利用BTO覆蓋層的FE極化，可以實現(xiàn)對斯格明子性質(zhì)的局部、可逆和非易失性控制。這種鐵電可調(diào)的斯格明子系統(tǒng)為設(shè)計具有高集成性和可尋址性的基于斯格明子的功能設(shè)備提供了一個潛在的方向。相關(guān)成果以題為“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”發(fā)表在了Nat. Mater.上^[4]。

B20S5樣品中磁性斯格明子的磁力顯微鏡表征

    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(jié)構(gòu)、晶格動力學和拓撲性質(zhì)進行了研究。研究結(jié)果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe₂ at low temperature為題，發(fā)表在美國物理學會雜志《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、實驗制備和器件開發(fā)提供了直接的理論支持，其揭示的MoTe₂低溫下反常物性的內(nèi)在物理機制對其它具有內(nèi)在MX₂八面體結(jié)構(gòu)畸變的二維材料同樣具有參考價值^[5]。

    學術(shù)工作之外，該課題組在儀器設(shè)備研發(fā)方面也取得了優(yōu)異的成果，課題組在上*研制成功混合磁體條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡（STM），相關(guān)研究成果發(fā)表在顯微鏡領(lǐng)域*期刊Ultramicroscopy和*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(shè)備開展原子分辨成像研究，對于突破當前*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(lǐng)域，具有標志性意義。同時，課題組又針對*磁場下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室溫大氣環(huán)境下的分體式STM。該系統(tǒng)將一段螺紋密封式膠囊腔體通過一根長彈簧懸吊于混合磁體中心，并將STM核心鏡體懸吊于膠囊腔體內(nèi)用以減弱聲音振動干擾。經(jīng)測試，該STM在27.5特斯拉*磁場下依然保持原子分辨。由于沒有真空、低溫環(huán)境的保護，搭建混合磁體*磁場、*振動和聲音環(huán)境下的室溫大氣STM難度更大。此前，上還未曾報道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(tǒng)：（a）混合磁體照片；（b）混合磁體STM系統(tǒng)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−MoTe₂ at 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.