AM：低温强磁场磁力显微镜助力化合物薄膜中纳米尺度非共线自旋结构研究取得重要进展

发布日期：2022-04-13

近年来，磁性斯格明子受到了广泛的关注。这些拓扑保护的非共线磁性自旋结构纳米粒子稳定在反转对称破坏的磁性化合物中，是手性卓洛辛斯基-莫里亚相互作用(DMI)以及铁磁交换相互作用的结果。为广泛研究的自旋结构首先是在单晶和外延薄膜中非中心对称B20化合物中观察到的类布洛赫斯格明子，其次是在超薄铁磁层和重金属层形成的薄膜异质结构中的斯格明子。对非共线自旋结构的观察很多都是利用从晶体中提取的薄片进行的。磁性纳米粒子，即反斯格明子和布洛赫斯格明子，已被发现同时存在于由具有二维对称的反四方赫斯勒化合物形成的单晶片层中。然而，制作四方赫斯勒化合物的薄膜以及在其中的自旋结构测量仍然具有挑战性。

图1. 100K温度MFM成像研究35 nm厚Mn₂RhSn薄膜中纳米级磁性结构的演化

通过各种直接成像技术可以在真实空间中观察到斯格明子。近期，德国科学家Parkin等人使用低温强磁场磁力显微镜(MFM)成像来研究[001]取向的Mn₂RhSn薄膜中的磁性结构。图1展示了在100K下随磁场增加而变化的典型MFM结果。为了进一步研究Mn₂RhSn薄膜中观察到的纳米物体的稳定性，在矢量磁场存在下对35 nm厚的薄膜进行了MFM测量（图2）。

图2 ：200K温度下，35 nm厚Mn₂RhSn薄膜中纳米粒子在矢量磁场中的稳定性

科学家在很大的温度范围内(从2k到280K)和磁场的作用下观察磁性纳米物体，从研究结果可知，形成不同的椭圆和圆形的大小孤立粒子取决于场和温度（图3）。此外，借助于由MFM前沿产生的局部磁场梯度，科学家还演示了这些纳米粒子的产生和湮灭（图4）。

图3. 35 nm厚Mn₂RhSn薄膜中, MFM研究不同温度下的纳米粒子， 图a-f分别是5K， 50K, 100K, 150K, 200K, 250K温度下MFM成像数据

图4. 基于MFM显微探针技术控制35 nm厚Mn₂RhSn薄膜中纳米粒子的产生和湮灭

综上所述，由磁控溅射形成的Mn₂RhSn外延薄膜中存在磁性纳米粒子。类似于单晶薄片，这些纳米粒子在广泛的尺寸范围内以及在磁场和温度下都具有稳定性。然而，纳米粒子并没有形成明确定向的阵列，也没有任何证据发现螺旋自旋结构，这可能是薄膜中化学顺序均匀性较差导致的结果。然而，在外延薄膜中发现了沿垂直晶体方向的椭圆扭曲纳米粒子，这与在单晶片中观察到的椭圆布洛赫斯格明子一致。因此，这些测量结果为Mn₂RhSn薄膜中非共线自旋结构的形成提供了强有力的证据。实验结果表明，在这些薄膜中，可以利用磁性前沿的局部磁场来删除单个纳米物体，也可以写出纳米粒子的集合。

低温强磁场原子力/磁力显微镜attoAFM/MFM I主要技术特点：

• 温度范围：1.8K ..300 K

• 磁场范围：0...9T (取决于磁体, 可选12T，9T-3T矢量磁体等)

• 工作模式：AFM（接触式与非接触式）, MFM

• 样品定位范围：5×5×4.8 mm³

• 扫描范围: 50×50 μm²@300 K, 30×30 μm²@4 K   

• 商业化探针

• 可升级PFM, ct-AFM, CFM，cryoRAMAN, atto3DR等功能

图5. 低温强磁场原子力磁力显微镜以及attoDRY2100低温恒温器

参考文献：

[1]. Parkin et al, Nanoscale Noncollinear Spin Textures in Thin Films of a D_2d Heusler Compound，Adv. Mater. 2021, 33, 2101323.