探索纳米世界的手！低温强磁场原子力显微镜及其升级的多重应用
发布日期：2023-03-09
扫描探针显微镜（SPM）能够在样品表面的不同位置以及不同温度和磁场下关联材料的性质，如磁化、极化、开尔文电位、电导率和形貌等，是一种应用较为广泛的技术。原子力显微镜（AFM）为扫描探针显微镜家族的一员，具有纳米级的分辨能力，其操作容易简便，是目前研究纳米科技和材料分析的重要工具之一。基于此，attocube不断研发升级低温attoAFM I显微镜的各种功能，以得到不同模式下的多种重要表征数据。
图1. 低温原子力显微镜的各种可选升级模式: MFM, PFM, ct-AFM, KPFM
本文将介绍attocube客户通过attoAFM I及其相关升级功能所获得的一些显著测量结果。结果将关联电极化（PFM）、定量开尔文势（KPFM）、定性开尔文电位（EFM）、电导率（ct -AFM）和形貌（topo）等。
KPFM, EFM, PFM & TOPO
铁电半导体光电晶体管
微光光电探测器（3LPD）在量子通信、自适应光学和空间成像等广泛应用中备受追捧。
程志海教授（中国人民大学）和王振兴研究员（国家纳米科学中心）领导的团队制造并表征了具有固有高增益的低光级铁电半导体光电晶体管（FSP），其特点是光致铁电开关。通过将FSP设置为非易失性极化状态，实现极低的暗电流和高电阻状态(HRS)。为了解光电响应机制，作者采用了实空间成像与输运测量相结合的方法。在输运测量的基础上，在FSP器件上进行了原位EFM和KPFM测量，其中铁电半导体通道通过PFM识别。未载流状态下的KPFM测量证实了FSP的光致铁电转换，载流状态下的EFM验证了FSP的光响应性质。此外，原位的输运测量进一步验证了FSP的光响应性质。这些相关测量是通过attoDRY2100低温恒温器中的attoAFM I显微镜（升级了KPFM和PFM功能）实现的。由于其低工作电压、高性能和简单的结构，该FSP器件显示了新一代微光光电探测器的潜力。
图2 ：左图为FPS器件的形貌图和未载流状态下的KPFM测量；右图为线扫形貌图和载流状态下的EFM测量数据
参考文献：
J. Yang et al., Adv. Funct. Mater. 2022, 2205468 (2022)
ct-AFM, PFM & TOPO
量子材料中的导电畴壁
导电畴壁（DW）是准二维导电路径，可在原位创建、定位和移除，为可重写纳米电子器件提供了机会。导电畴壁通常出现在宽带隙铁电体中，通常是响应极性不连续处的电荷积累而形成。István Kézsmárki（德国奥格斯堡大学）表明，导电畴壁也可以存在于窄间隙莫特绝缘体中。在这种情况下，纳米级导电路径的形成是因为畴壁周围的应变梯度改变了带结构。
该团队在attoLIQUID2000低温恒温器中使用了带有ct-AFM升级和PFM升级的attoAFM I显微镜，将材料（GaV4S8）冷却到Jahn-Teller转变（~43K）以下，直接对电导率、形貌和压电响应进行成像。由此，他们排除了极性不连续性模型作为原点，而是将DW周围电导率的增加与表面重建高度的平方相关联：这是Jahn-Teller跃迁中产生的体积应变的特征。这有效地显示了一种利用应变梯度诱导的带结构变化来创建纳米级传导路径的新机制。这为畴壁纳米电子学的许多新材料打开了全新的大门。
图3： cAFM图像显示GaV4S8中的导电之字形畴壁，明亮的颜色显示导电性增加
参考文献：
L. Puntigam et al., Adv. Electron. Mater. 2022, 2200366 (2022)
PFM & TOPO
磁电相变
对称性破缺的复合氧化物可以呈现出各种各样的、突现的相。这可以通过设计复杂氧化物的超晶格来实现。张金星教授（中国北京师范大学）团队通过交替堆叠Ruddlesden–Popper和钙钛矿氧化物构建了超晶格，这导致了人工设计的铁电和磁电（ME）相变。
通过在attoDRY1000低温恒温器中使用具有PFM功能的attoAFM I显微镜进行测量，PFM实验数据验证了温度低于90K时铁电畴的存在。通过布里渊光散射验证了Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）和净磁化的伴随存在。此外，外部磁场抑制了电极化，证实了直接ME效应的存在。这项研究表明，界面DMI工程是在具有关联电子的系统中生成奇异相和有序的一种很有前途的工具。
图4： 超晶格在3.7K下的PFM图像，图中相对暗和亮对比表示向上和向下的铁电畴
参考文献：
X. Liu et al., Nature Commun. 12, 5453 (2021)
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
