探索納米世界的手！低溫強磁場原子力顯微鏡及其升級的多重應用

時間：2023-3-19閱讀：996

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聯材料的性質，如磁化、極化、開爾文電位、電導率和形貌等，是一種應用較為廣泛的技術。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據。

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及其相關升級功能所獲得的一些顯著測量結果。結果將關聯電極化（PFM）、定量開爾文勢（KPFM）、定性開爾文電位（EFM）、電導率（ct -AFM）和形貌（topo）等。

KPFM, EFM, PFM & TOPO

鐵電半導體光電晶體管

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

程志海教授（中國人民大學）和王振興研究員（國家納米科學中心）領導的團隊制造并表征了具有固有高增益的低光級鐵電半導體光電晶體管（FSP），其特點是光致鐵電開關。通過將FSP設置為非易失性極化狀態，實現極低的暗電流和高電阻狀態(HRS)。為了解光電響應機制，作者采用了實空間成像與輸運測量相結合的方法。在輸運測量的基礎上，在FSP器件上進行了原位EFM和KPFM測量，其中鐵電半導體通道通過PFM識別。未載流狀態下的KPFM測量證實了FSP的光致鐵電轉換，載流狀態下的EFM驗證了FSP的光響應性質。此外，原位的輸運測量進一步驗證了FSP的光響應性質。這些相關測量是通過attoDRY2100低溫恒溫器中的attoAFM I顯微鏡（升級了KPFM和PFM功能）實現的。由于其低工作電壓、高性能和簡單的結構，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下的KPFM測量；右圖為線掃形貌圖和載流狀態下的EFM測量數據

參考文獻：

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

ct-AFM, PFM & TOPO

量子材料中的導電疇壁

導電疇壁（DW）是準二維導電路徑，可在原位創建、定位和移除，為可重寫納米電子器件提供了機會。導電疇壁通常出現在寬帶隙鐵電體中，通常是響應極性不連續處的電荷積累而形成。István Kézsmárki（德國奧格斯堡大學）表明，導電疇壁也可以存在于窄間隙莫特絕緣體中。在這種情況下，納米級導電路徑的形成是因為疇壁周圍的應變梯度改變了帶結構。

該團隊在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轉變（~43K）以下，直接對電導率、形貌和壓電響應進行成像。由此，他們排除了極性不連續性模型作為原點，而是將DW周圍電導率的增加與表面重建高度的平方相關聯：這是Jahn-Teller躍遷中產生的體積應變的特征。這有效地顯示了一種利用應變梯度誘導的帶結構變化來創建納米級傳導路徑的新機制。這為疇壁納米電子學的許多新材料打開了全新的大門。

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

參考文獻：

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

PFM & TOPO

磁電相變

對稱性破缺的復合氧化物可以呈現出各種各樣的、突現的相。這可以通過設計復雜氧化物的超晶格來實現。張金星教授（中國北京師范大學）團隊通過交替堆疊Ruddlesden–Popper和鈣鈦礦氧化物構建了超晶格，這導致了人工設計的鐵電和磁電（ME）相變。

通過在attoDRY1000低溫恒溫器中使用具有PFM功能的attoAFM I顯微鏡進行測量，PFM實驗數據驗證了溫度低于90K時鐵電疇的存在。通過布里淵光散射驗證了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，證實了直接ME效應的存在。這項研究表明，界面DMI工程是在具有關聯電子的系統中生成奇異相和有序的一種很有前途的工具。