近期，中國科學院合肥物質(zhì)院強磁場中心陸輕鈾課題組依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置組合顯微系統(tǒng)，成功自主研制12T干式超導磁體中敏感樣品磁力顯微鏡（MFM），得到了對空氣敏感材料三碘化鉻（CrI3）本征磁結(jié)構(gòu)的清晰高分辨圖像，成像無需對樣品表面進行防氧化的保護膜處理。樣品在手套箱潔凈環(huán)境中制備、處理完成后，需要被轉(zhuǎn)移到低溫、強磁場環(huán)境中進行磁成像測量，而自主研制的獨特MFM測量桿的可拆卸密封腔可以充分保護樣品免受空氣暴露的影響，從而確保敏感樣品結(jié)構(gòu)的完整性和表面清潔，最終獲取其微觀本征磁結(jié)構(gòu)信息。該研究成果作為封面文章發(fā)表于國際著名儀器期刊Review of Scientific Instruments。
在二維范德華材料領域，二維磁性材料作為新興的重要成員，近年來獲得了極大關注。它們之所以受到青睞，主要歸因于在自旋電子學和高密度數(shù)據(jù)存儲領域的巨大應用潛力，特別是其少層或單層體系所具有的納米、原子尺度電、磁結(jié)構(gòu)集成芯片兼容性優(yōu)勢。為了深入探究其內(nèi)在機制和磁各向異性等現(xiàn)象，高分辨率顯微成像技術對于揭示表面磁性結(jié)構(gòu)顯得尤為關鍵。不過，大多數(shù)已發(fā)現(xiàn)的二維磁性材料在空氣中表現(xiàn)出極高的活潑性；當樣品厚度減少至僅具有少數(shù)的幾個單胞時，樣品極易變性、氧化、或污染，為直接表征其本征磁結(jié)構(gòu)帶來了技術上的重大挑戰(zhàn)。
研究團隊通過自主研制的磁力顯微鏡插桿，將可拆卸的密封腔與手套箱結(jié)合，確保了空氣敏感樣品在從手套箱轉(zhuǎn)移到低溫環(huán)境時的表面清潔度和結(jié)構(gòu)完整性。為了適應密封腔室的有限空間，并避免MFM鏡體與腔室壁直接接觸而引入的振動噪音，研究團隊開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊且剛性出眾的新型磁力顯微鏡。這款顯微鏡采用了獨特的“蜘蛛馬達”步進，最大直徑15 mm，即使在狹窄的空間和極端條件下，例如水冷磁體或混合磁體中，也能正常工作。此外，它還為在手套箱內(nèi)靈活定位和測試微米級尺寸樣品提供了便利。
為了驗證該設備性能，研究團隊在低至5 K的低溫和高達11.9 T的強磁場環(huán)境下，直接成像了對空氣非常敏感的范德華磁性材料CrI3樣品，其MFM圖像揭示了微米尺度上軟鐵磁疇的存在，以及具有結(jié)構(gòu)釘扎形狀的磁疇。
這些研究不僅對于揭示磁性樣品的本征磁疇具有至關重要的作用，而且為未來尖端磁存儲器件的研發(fā)與創(chuàng)新奠定了堅實的基礎，有望為磁學領域帶來重要突破。
中國科學技術大學博士研究生張雨琛為該論文第一作者，強磁場中心陸輕鈾研究員和孟文杰副研究員為共同通訊作者。該項研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院重大基礎設施維修改造等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0186587
《Review of Scientific Instruments》當期封面
CrI3磁疇圖像隨磁場強度的變
