近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心陸輕鈾課題組依托穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置組合顯微系統，成功自主研制12 T干式超導磁體中敏感樣品磁力顯微鏡（MFM），得到了對空氣敏感材料三碘化鉻（CrI3）本征磁結構的清晰高分辨圖像，成像無(wú)需對樣品表面進(jìn)行防氧化的保護膜處理。樣品在手套箱潔凈環(huán)境中制備、處理完成后，需要被轉移到低溫、強磁場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行磁成像測量，而自主研制的獨特MFM測量桿的可拆卸密封腔可以充分保護樣品免受空氣暴露的影響，從而確保敏感樣品結構的完整性和表面清潔，最終獲取其微觀(guān)本征磁結構信息。該研究成果作為封面文章發(fā)表于國際著(zhù)名儀器期刊Review of Scientific Instruments。
在二維范德華材料領(lǐng)域，二維磁性材料作為新興的重要成員，近年來(lái)獲得了極大關(guān)注。它們之所以受到青睞，主要歸因于在自旋電子學(xué)和高密度數據存儲領(lǐng)域的巨大應用潛力，特別是其少層或單層體系所具有的納米、原子尺度電、磁結構集成芯片兼容性?xún)?yōu)勢。為了深入探究其內在機制和磁各向異性等現象，高分辨率顯微成像技術(shù)對于揭示表面磁性結構顯得尤為關(guān)鍵。不過(guò)，大多數已發(fā)現的二維磁性材料在空氣中表現出極高的活潑性；當樣品厚度減少至僅具有少數的幾個(gè)單胞時(shí)，樣品極易變性、氧化、或污染，為直接表征其本征磁結構帶來(lái)了技術(shù)上的重大挑戰。
研究團隊通過(guò)自主研制的磁力顯微鏡插桿，將可拆卸的密封腔與手套箱結合，確保了空氣敏感樣品在從手套箱轉移到低溫環(huán)境時(shí)的表面清潔度和結構完整性。為了適應密封腔室的有限空間，并避免MFM鏡體與腔室壁直接接觸而引入的振動(dòng)噪音，研究團隊開(kāi)發(fā)了一種結構緊湊且剛性出眾的新型磁力顯微鏡。這款顯微鏡采用了獨特的“蜘蛛馬達”步進(jìn)，最大直徑15 mm，即使在狹窄的空間和極端條件下，例如水冷磁體或混合磁體中，也能正常工作。此外，它還為在手套箱內靈活定位和測試微米級尺寸樣品提供了便利。
為了驗證該設備性能，研究團隊在低至5 K的低溫和高達11.9 T的強磁場(chǎng)環(huán)境下，直接成像了對空氣非常敏感的范德華磁性材料CrI3樣品，其MFM圖像揭示了微米尺度上軟鐵磁疇的存在，以及具有結構釘扎形狀的磁疇。
這些研究不僅對于揭示磁性樣品的本征磁疇具有至關(guān)重要的作用，而且為未來(lái)尖端磁存儲器件的研發(fā)與創(chuàng )新奠定了堅實(shí)的基礎，有望為磁學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)重要突破。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生張雨琛為該論文第一作者，強磁場(chǎng)中心陸輕鈾研究員和孟文杰副研究員為共同通訊作者。該項研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院重大基礎設施維修改造等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0186587
《Review of Scientific Instruments》當期封面
CrI3磁疇圖像隨磁場(chǎng)強度的變
