范德華鐵磁材料研究新突破：低溫強(qiáng)磁場磁力顯微鏡探秘 Fe?GaTe?自旋紋理

研究動態(tài)

在二維范德華鐵磁材料中實現(xiàn)磁性斯格明子，為未來自旋電子學(xué)應(yīng)用開辟了廣闊的前景。室溫鐵磁體Fe₃GaTe₂憑借其特性，成為調(diào)控這類磁孤子的理想平臺。近日，中國人民大學(xué)的程志海教授團(tuán)隊成功引入并精確調(diào)控了具有不同拓?fù)潆姾傻乃垢衩髯?。研究中，團(tuán)隊通過特定的場冷卻工藝構(gòu)建出斯格明子晶格，且能利用尖端雜散場的精細(xì)調(diào)控對其進(jìn)行擦除與重繪。團(tuán)隊在目標(biāo)區(qū)域定制出具有相反拓?fù)潆姾桑⊿ = ±1）的斯格明子晶格，形成具有特定構(gòu)型的拓?fù)渌垢衩髯咏Y(jié)（TSJs）。此外，研究人員通過原位輸運測量技術(shù)，深入探究了拓?fù)涑瑢?dǎo)結(jié)（TSJs）與自旋極化器件電流之間的精妙相互作用，并對拓?fù)涑瑢?dǎo)結(jié)的拓?fù)浞€(wěn)定性展開考察。研究結(jié)果表明，Fe₃GaTe₂不僅可作為基于斯格明子的自旋電子器件潛在構(gòu)建單元，還為具有工程化拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的Fe₃GaTe₂基異質(zhì)結(jié)提供了應(yīng)用前景。相關(guān)研究內(nèi)容以《Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂》為題，發(fā)表于國際期刊《Nano Letters》。

研究進(jìn)展

磁性斯格明子因其穩(wěn)定性、微小尺寸及對外部操控的可控響應(yīng)等特性，在先進(jìn)自旋電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，包括賽道存儲器、邏輯門電路及神經(jīng)形態(tài)計算設(shè)備等。為實現(xiàn)基于斯格明子的高集成度、高性能自旋電子器件，關(guān)鍵在于對斯格明子的特性進(jìn)行有效調(diào)控，包括其尺寸、密度及穩(wěn)定性等。鐵空位的存在導(dǎo)致Fe₃GaTe₂材料中鐵原子中心位置發(fā)生偏移，從而打破反演對稱性并引入Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，最終形成奈爾型斯格明子。范德華鐵磁體Fe₃GaTe₂的發(fā)現(xiàn)為室溫下調(diào)控斯格明子提供了一個理想平臺，也為實現(xiàn)斯格明子自旋織構(gòu)的拓?fù)涔こ虅?chuàng)造了實驗條件。而實現(xiàn)真正實用的存儲設(shè)備，必須能夠以確定性的方式創(chuàng)建和消除斯格明子。為此，課題組深入研究 Fe?GaTe?中拓?fù)渥孕棙?gòu)的調(diào)控，成功實現(xiàn)了斯格明子圖案的繪制與擦除操作。

圖1：MFM探針操縱誘導(dǎo)Fe₃GaTe₂中skyrmions的形成和擦除。

圖1a展示了MFM對Fe₃GaTe₂薄片內(nèi)磁結(jié)構(gòu)的操控，在磁針產(chǎn)生的雜散場相互作用下繪制和擦除斯格明子。在操縱模式下，通過沿z方向施加面外磁場（0.05T）成功繪制出均勻的斯格明子晶格，如圖1b所示。圖1c中的大尺度磁力顯微鏡圖像顯示，在操控區(qū)域內(nèi)存在穩(wěn)定且均勻的斯格明子晶格。清晰的邊界表明MFM技術(shù)操控的高精度。通過施加0.17特斯拉的磁場成功擦除了斯格明子晶格中的斯格明子，如圖1h,i所示。隨后進(jìn)行的隨磁場遞減的磁力顯微鏡數(shù)據(jù)顯示，在斯格明子密度較低的區(qū)域，磁場下降會誘發(fā)迷宮狀磁疇的形成，并使周圍斯格明子失穩(wěn)，如圖1i−m所示。

圖2  MFM探針操縱誘導(dǎo)Fe3GaTe2中兩種不同拓?fù)潆姾蓅kyrmions的形成以及圖案化。

課題組成功實現(xiàn)了具有不同拓?fù)潆姾傻乃垢衩髯拥墓泊?，并?gòu)建出具有特殊電學(xué)特性的特定磁結(jié)構(gòu)。具有拓?fù)潆姾蒘=±1的自旋構(gòu)型如圖2a所示。通過反轉(zhuǎn)磁性針尖的磁化方向及磁場方向，能夠可控生成不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的斯格明子，如圖2c所示。實驗過程中，首先在Fe₃GaTe₂中創(chuàng)建S = -1的斯格明子晶格，此時磁場與針尖磁化方向呈正對齊，如圖2d所示。隨后，磁針磁化方向的反轉(zhuǎn)導(dǎo)致如圖2e所示的MFM圖像中對應(yīng)信號發(fā)生反轉(zhuǎn)。經(jīng)過多次操作后，被操控區(qū)域Í轉(zhuǎn)變?yōu)镾=1的斯格明子晶格，形成具有不同拓?fù)潆姾傻墓泊嫠垢衩髯泳Ц?，如圖2g所示。這種共存相態(tài)具有穩(wěn)定性，在室溫條件下即便沒有外加磁場也能保持穩(wěn)定。課題組將這種特殊磁結(jié)構(gòu)命名為"拓?fù)渌垢衩髯咏Y(jié)(TSJ)"。通過系統(tǒng)性實驗設(shè)計，課題組成功在Fe₃GaTe₂材料的斯格明子晶格上實現(xiàn)復(fù)雜圖案化處理，如圖2h,i所示。圖2j,k展示了寫入三個具有相反拓?fù)潆姾傻乃垢衩髯雍蟮拇帕︼@微鏡圖像及對應(yīng)示意圖。

圖3：不同拓?fù)鋝kyrmion結(jié)(TSJs)的輸運特性及其可能的近鄰作用

隨后，研究人員構(gòu)建了一系列周期性斯格明子陣列，其磁力顯微鏡成像結(jié)果如圖3a所示。值得注意的是，最小極限——即單個斯格明子周期性陣列已成功實現(xiàn)。這些周期性斯格明子陣列通過所含拓?fù)渌垢衩髯咏Y(jié)（TSJs）的數(shù)量來區(qū)分，從左至右分別對應(yīng)0、3、5、9和16個。通過基于這些I-V曲線提取不同周期性斯格明子陣列的電阻，圖3d展示了電阻與拓?fù)渌垢衩髯咏Y(jié)數(shù)量之間的關(guān)系。電阻值隨TSJ數(shù)量的增加而降低，這是因為當(dāng)電子通過具有相反拓?fù)潆姾傻乃垢衩髯訁^(qū)域時，其運動偏轉(zhuǎn)效應(yīng)被有效抵消，這一現(xiàn)象與預(yù)期相符。

綜上所述，該研究凸顯了二維范德華鐵磁體Fe₃GaTe₂作為研究磁性斯格明子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工程化平臺的潛力。研究通過使用磁性針尖成功實現(xiàn)了斯格明子晶格的繪制與擦除。研究結(jié)果成功實現(xiàn)了S=1和S=-1兩種斯格明子晶格，以及這兩種類型斯格明子的共存狀態(tài)。研究結(jié)果表明，拓?fù)渌垢衩髯涌勺鳛槲磥泶鎯ζ骷_發(fā)的候選平臺，具有二進(jìn)制表征和高效率傳輸特性，為研究拓?fù)渥孕娮訉W(xué)和新量子態(tài)開辟了新路徑。

文中使用到了室溫MFM與低溫MFM設(shè)備，其中低溫MFM數(shù)據(jù)測量使用的低溫強(qiáng)磁場原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I是由德國attocube公司研發(fā)的，該顯微鏡采用非磁性材料制成，專為低溫、超低溫和高磁場應(yīng)用設(shè)計。它基于納米精度位移臺與掃描臺，可提供多維運動、毫米級行程和亞納米精度掃描。用戶只需要更探針和切換對應(yīng)的軟件，即可實現(xiàn)壓電力顯微鏡（PFM）、開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)、導(dǎo)電力顯微鏡 (c-AFM)等不同功能之間的切換，進(jìn)行空間分辨率<50 nm的磁性結(jié)構(gòu)觀測，研究超導(dǎo)材料變溫變磁場下的磁通漩渦成像以及鐵電體和多鐵性材料的磁疇成像。

圖4：常見配置-低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡，兼容attoDRY2100低溫系統(tǒng)。

attocube低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I

低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 已經(jīng)在北京大學(xué)，清華大學(xué)，南京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，北京師范大學(xué)等單位順利運行，持續(xù)助力各個課題組的科研工作。圖4為常見的低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡，該系統(tǒng)配置attocube的低溫掃描臺以及納米精度位移臺，可對常見氧化物薄膜，超導(dǎo)材料，低維層狀材料，納米線等微納尺度材料的低溫形貌，磁力磁疇與斯格明子觀測等電磁學(xué)性質(zhì)測量。值得一提的是，系統(tǒng)兼容德國attocube公司推出的用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在中國、德國、英國等國家完成多套安裝與運行，已助力全球用戶在低溫強(qiáng)磁場環(huán)境下的磁學(xué)成像研究中取得眾多突破性成果。

圖5： 低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I。

低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I主要技術(shù)特點：

? 成像模式：接觸式，非接觸式，恒高模式，恒力模式

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

? 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)：AFM

? 可選升級：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

? 振動噪音（Z方向）：保證小于 0.15 nm (attoDRY)

?  空間分辨率：小于 20 nm (attoLIQUID),  小于 50 nm ((attoDRY)

? 商業(yè)化探針，換針時間小于2分鐘

? 兼容磁場環(huán)境：0~9T ( 取決于磁體系統(tǒng)，兼容12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體)

? 兼容溫度范圍：1.8 K~300 K

? 可升級 cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

? 兼容：用于超靈敏SPM測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

圖5：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I 部分發(fā)表文獻(xiàn)：

• Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560

• Wenbo WANG, et al. Towards the quantized anomalous Hall effect in AlO_x-capped MnBi₂Te₄. Nature Communications  16 : 1727 (2025)

• Jianfeng GUO, et al. Tunable Bifurcation of Magnetic Anisotropy and Bi-Oriented Antiferromagnetic Order in Kagome Metal GdTi₃Bi₄. Physical Review Letters 134, 226704 (2025)

• Yuansha CHEN, et al. Ferromagnetism in LaFeO₃/LaNiO₃ superlattices with high Curie temperature. Nature Communications  16 : 3691 (2025)

• Zhihai CHENG, et al. Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂. Nano Lett. 2024, 24, 13094−13102

• Xianggang QIU et al. Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure. Physical Review Letters 133, 166706 (2024)

• Yonglei WANG, et al. Toroidic phase transitions in a direct-kagome artificial spin ice. Nature Nanotechnology (2024)

• Yonglei WANG, et al. Unconventional Superconducting Diode Effects via Antisymmetry and Antisymmetry Breaking. Nano Lett. 2024, 24, 14, 4108–4116

• Zhihai Cheng, et al. Interlayer coupling modulated tunable magnetic states in superlattice MnBi₂Te₄(Bi₂Te₃)_n topological insulators. Phys. Rev. B 109, 165410 (2024)

• Stuart S.P. Parkin, et al. Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂. ACS Nano 2024, 18, 7, 5335–5343

• Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr₂S₄ Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM MFM I部分國內(nèi)用戶單位：