研究動(dòng)態(tài)

磁性結(jié)構(gòu)作為凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，其微觀形態(tài)與動(dòng)態(tài)特性的精準(zhǔn)表征，是推動(dòng)自旋電子學(xué)、拓?fù)浯艑W(xué)等前沿方向突破的關(guān)鍵。三十余年來，磁力顯微鏡（MFM）始終是可視化觀測(cè)和表征磁疇、斯格明子（Skyrmions）等磁結(jié)構(gòu)的核心手段。

隨著低維磁性材料、拓?fù)浯庞行蝮w系研究的深入，如亞質(zhì)子、反質(zhì)子和雙亞質(zhì)子等，低溫強(qiáng)磁場環(huán)境下的高分辨率磁成像需求日益迫切。德國attocube公司研發(fā)的低溫強(qiáng)磁場原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I，憑借其 “1.8 K~300 K的溫度范圍、0~9T磁場環(huán)境（可選9T-1T-1T矢量磁體）、高分辨率成像" 等核心優(yōu)勢(shì)，已成為全球科研團(tuán)隊(duì)探索新型磁性現(xiàn)象、構(gòu)建磁功能材料體系的關(guān)鍵設(shè)備。

attoAFM-MFM I已助力多個(gè)課題組在磁學(xué)研究及機(jī)制解析中取得重要突破。本文將選取近期發(fā)表于《Nano Lett.》等期刊的相關(guān)進(jìn)展，具體闡述該設(shè)備在不同磁性材料與現(xiàn)象研究中的應(yīng)用價(jià)值。

應(yīng)用案例1：范德華鐵磁體的非常規(guī)相圖

新加坡國立大學(xué)Maciej Koperski和Kostya Novoselov課題組研究了范德瓦爾斯鐵磁體CrBr₃并發(fā)現(xiàn)了一種由垂直相關(guān)磁子域組成的新磁序。借助搭載于attoDRY2100低溫恒溫器的磁力顯微鏡（attoAFM /MFM I），課題組成功可視化了由局部改變層間交換耦合的層錯(cuò)引起的共存疇結(jié)構(gòu)。

課題組量化了疇相關(guān)性，并構(gòu)建了一個(gè)磁相圖，捕捉了相關(guān)和反相關(guān)的磁狀態(tài)。這項(xiàng)工作為理解二維鐵磁體中的磁序提供了一個(gè)新的框架，并強(qiáng)調(diào)了堆疊感應(yīng)磁阱在容納磁振子和斯格明子等局域激發(fā)方面的潛力。

圖1：低溫磁力顯微鏡測(cè)量厚度為300 nm的CrBr₃晶體獲得MFM圖像。

參考文獻(xiàn)1：S. Y. Grebenchuk et al., Adv. Sci. 12, 2570200 (2025)

應(yīng)用案例2：金屬多層膜中的拓?fù)浠魻栃?yīng)和Skyrmions

設(shè)計(jì)自旋紋理（如Skyrmions）的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是使用可用的制造技術(shù)在可擴(kuò)展系統(tǒng)中穩(wěn)定這些紋理。在近期的研究工作中，印度國家科學(xué)教育與研究所Subhankar Bedanta課題組通過調(diào)整Ir層的厚度，證明了Pt/Co/Ir/Co/Pt多層系統(tǒng)中孤立Skyrmions的穩(wěn)定性。

這種調(diào)諧調(diào)節(jié)了Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida（RKKY）相互作用，導(dǎo)致有利于Skyrmions成核的傾斜磁態(tài)。通過attoDRY2100低溫恒溫器中的attoAFM MFM I低溫原子力磁力顯微鏡進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果揭示了從迷宮結(jié)構(gòu)域向孤立Skyrmions的轉(zhuǎn)變過程；結(jié)合拓?fù)浠魻栃?yīng)的定量分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了斯格明子的拓?fù)涮匦浴?/span>

圖2  低溫原子力磁力顯微鏡對(duì)Pt/Co/Ir/Co/Pt多層系統(tǒng)中磁疇的測(cè)量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)2：S. Mohanty et al., Mater. Res. Express 11, 046406 (2024)

應(yīng)用案例3： 自旋紋理的厚度可調(diào)動(dòng)力學(xué)

德國馬克斯·普朗克微觀結(jié)構(gòu)物理研究所Stuart Parkin課題組研究了鐵磁性范德華（vdW）化合物Fe₅GeTe₂，并在 attoLIQUID2000 低溫恒溫器中使用低溫磁力顯微鏡（attoAFM-MFM I）發(fā)現(xiàn)了隨樣品厚度變化的各種磁性基態(tài)。

課題組觀察到，在低溫和施加磁場的情況下，較厚的樣品中出現(xiàn)了具有不均勻核心磁化和繭狀結(jié)構(gòu)的非傳統(tǒng)磁泡，這展示了vdW材料的非凡磁性復(fù)雜性，以及它們?cè)诩{米磁性器件中的應(yīng)用潛力。

圖3：在外部磁場0.5 T存在下，在100 K下記錄的厚度約為170 μm的Fe₅GeTe₂晶體的MFM圖像。

參考文獻(xiàn)3：A. K. Gopi et al., ACS Nano 18, 5335 (2024)

應(yīng)用案例4：反常霍爾效應(yīng)的局部成像

高度可調(diào)的特性使Mn（Bi，Sb）₂Te₄家族成為探索器件中磁性和帶拓?fù)渲g相互作用的豐富場所。由Tatiana Webb（現(xiàn)就職于美國巴納德學(xué)院）和Abhay Pasupathy領(lǐng)導(dǎo)的哥倫比亞大學(xué)（美國）的研究團(tuán)隊(duì)研究了剝離亞鐵磁性MnSb₂Te₄的疇形態(tài)，并展示了異常霍爾效應(yīng)如何與磁疇面積成比例。

在這項(xiàng)研究中，課題組在attoLIQUID2000 低溫恒溫器中使用attoAFM I顯微鏡進(jìn)行了MFM測(cè)量。該項(xiàng)工作為開發(fā)由亞鐵磁拓?fù)浞兜氯A材料制成的可編程器件打開了大門，在這種器件中，可以通過磁性的空間控制來調(diào)節(jié)傳輸。

圖4：低溫磁力顯微鏡助力鐵磁性MnSb₂Te₄的疇形態(tài)研究。

參考文獻(xiàn)4：T. A. Webb et al., Nano Lett. 24, 4393 (2024)

以上應(yīng)用案例中的低溫MFM設(shè)備，均為德國attocube公司研發(fā)的低溫強(qiáng)磁場原子力-磁力顯微鏡attoAFM-MFM I。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(jì)。它基于納米精度位移臺(tái)與掃描臺(tái)，可提供多維運(yùn)動(dòng)、毫米級(jí)行程和亞納米精度掃描。用戶只需要更探針和切換對(duì)應(yīng)的軟件，即可實(shí)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(cè)，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5：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)，中國人民大學(xué)，北京師范大學(xué)，中國科學(xué)院等單位順利運(yùn)行，持續(xù)助力各個(gè)課題組的科研工作。圖5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(tái)以及納米精度位移臺(tái)，可對(duì)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(cè)等電磁學(xué)性質(zhì)測(cè)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(cè)量的全新超低振動(dòng)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(yùn)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6： 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(diǎn)：

? 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(jí)：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

? 振動(dòng)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(shí)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(jí) cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

? 兼容：用于超靈敏SPM測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200

圖7：用于超靈敏 SPM 測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200, 適合NV色心掃描成像研究。

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

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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：

更多應(yīng)用案例與設(shè)備信息了解：

“Magnetic force microscopy: investigating the physics of racetrack-memory devices“.

https://physicsworld.com/a/magnetic-force-microscopy-investigating-the-physics-of-racetrack-memory-devices/?mtm_campaign=AFM%20I%20Physics%20World%20Article%20webpage%20Stuart%20Parkin