原子層厚薄的范德瓦爾斯（vdW）磁性材料的發(fā)現(xiàn)使得在二維空間中對(duì)各種自旋系統(tǒng)中的磁性機(jī)制進(jìn)行基礎(chǔ)研究成為可能。由于具有易于制造和多種調(diào)控機(jī)制的點(diǎn)，vdW磁體和它們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望成為下代的自旋電子器件候選材料。這種基礎(chǔ)研究和技術(shù)興趣的結(jié)合激發(fā)了人們對(duì)新型室溫vdW磁體的探索和對(duì)已發(fā)現(xiàn)材料的磁性機(jī)制的研究。

科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)多種探測(cè)技術(shù)在微米尺度對(duì)vdW磁體進(jìn)行了密集研究，如磁光克爾效應(yīng)顯微鏡，磁圓二向色性顯微鏡，反?；魻栃?yīng)等。盡管已有許多重要的結(jié)果，但這些方法由于存在激光衍射跟電尺寸限制，空間分辨率有限等問(wèn)題，致使原子層厚薄vdW磁體的納米尺度征如磁疇和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、自旋結(jié)構(gòu)等大部分研究依舊未經(jīng)探索。

圖1. 實(shí)驗(yàn)示意圖。CrBr₃雙層膜雜散磁場(chǎng)是用金剛石探針中的單個(gè)NV色心探測(cè)的。實(shí)驗(yàn)在低溫恒溫器內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中溫度<5 K。

科學(xué)家已根據(jù)磁光致發(fā)光和微磁測(cè)量中的異常磁滯回線(xiàn)，預(yù)測(cè)了層狀CrBr₃中的磁疇，但在真實(shí)空間中尚未檢測(cè)到磁疇結(jié)構(gòu)及其演變。近期，德國(guó)斯圖加大學(xué)的科學(xué)家演示了在低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器內(nèi)用金剛石探針對(duì)單個(gè)NV色心進(jìn)行了低溫掃描磁測(cè)量（見(jiàn)圖1實(shí)驗(yàn)示意圖）。通過(guò)使用脈沖測(cè)量方案，商用金剛石探針獲得佳磁場(chǎng)靈敏度約為0.3 μTHz^-1/2，微波加熱顯著降低。該團(tuán)隊(duì)還用該裝置定量研究了少數(shù)幾層CrBr₃樣品的磁化，并在真實(shí)空間中成像了CrBr₃雙層中的疇結(jié)構(gòu)。研究人員也觀察了磁疇的演化及磁疇壁缺陷位置的釘扎和反疇形核。

圖2.磁疇與飽和磁化強(qiáng)度。 a-b: 在沿著NV色心軸的2 mT外磁場(chǎng)下，CrBr₃雙層膜雜散磁場(chǎng)和的重建磁化強(qiáng)度圖；c: 11 mT外磁場(chǎng)下的磁化強(qiáng)度圖。所有圖像的比例尺均為1 μm。d-e:圖像b和圖像c中磁化值的直方圖。

雜散磁場(chǎng)可以通過(guò)對(duì)具有洛倫茲線(xiàn)型的光學(xué)探測(cè)磁共振曲線(xiàn)(optically detected magnetic resonance，簡(jiǎn)稱(chēng)ODMR)進(jìn)行擬合得到。圖2a顯示了在零磁場(chǎng)下冷卻后，在2 mT外磁場(chǎng)下CrBr₃雙層膜的典型雜散磁場(chǎng)圖像，該雜散磁場(chǎng)圖清晰地顯示了具有明顯正負(fù)值的磁疇。為了揭示更多細(xì)節(jié)，該團(tuán)隊(duì)還使用反向傳播協(xié)議把雜散磁場(chǎng)圖轉(zhuǎn)為重建磁化強(qiáng)度圖（見(jiàn)圖2b）。圖2b清楚地顯示了磁疇結(jié)構(gòu)，具有正電荷（負(fù)）值表示磁化方向平行（反平行）外磁場(chǎng)。通過(guò)增加外部磁場(chǎng)，樣品可以化，圖2c顯示了在11 mT外部磁場(chǎng)下測(cè)得的磁化圖像。飽和磁化強(qiáng)度可以通過(guò)圖2d-e中的兩個(gè)磁化圖像的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，通過(guò)分析數(shù)據(jù)飽和磁化強(qiáng)度值分別為~26(?28）和~26μ_Bnm^?2，μB為玻爾磁子。

圖3. 外加磁場(chǎng)變大時(shí)磁疇的演化。a-g: 沿NV色心軸分別施加2、2.5、3、3.5、4、5和6 mT外磁場(chǎng)下連續(xù)測(cè)量的磁化圖像。圖像g中的比例尺為1 μm。h-i: 圖e和g中虛線(xiàn)框所示樣品區(qū)域的磁化圖像。j： 從圖a–g磁化圖像中提取的初始磁化曲線(xiàn)。

除了說(shuō)明二維磁體的磁疇結(jié)構(gòu)，基于NV色心的磁學(xué)成像測(cè)量可以使科學(xué)家能夠更詳細(xì)地研究這些系統(tǒng)中的磁化機(jī)制。多疇鐵磁體通常通過(guò)反疇的形核及疇壁運(yùn)動(dòng)，反轉(zhuǎn)其磁化方向。材料中的缺陷會(huì)改變磁疇壁的能量，從而影響磁疇壁的運(yùn)動(dòng)。圖3a–g顯示了樣品在零磁場(chǎng)下退磁并冷卻后，將磁場(chǎng)從2 mT增加到6 mT的情況下獲得的磁化圖像。從圖中可以看到正（負(fù)）疇的面積隨著磁場(chǎng)的增大而增大（縮?。?，隨著疇壁向負(fù)疇移動(dòng)。負(fù)疇在*消失之前變得非常小，磁化圖像圖3g中顯示了接近幾十個(gè)納米直徑的磁化點(diǎn)。為了在機(jī)理上驗(yàn)證釘扎效應(yīng)可主導(dǎo)矯頑力，作者提取了樣品的初始磁化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖j）。當(dāng)磁場(chǎng)<2 mT時(shí)平均滲透率非常低，當(dāng)磁場(chǎng)大于2 mT時(shí)，其顯著增加（參見(jiàn)圖3j中的藍(lán)色條），這與釘扎效應(yīng)的行為主導(dǎo)了初始磁化的結(jié)果致。

另外，在其他不同層數(shù)的CrBr₃樣品中也觀察到類(lèi)似的磁疇結(jié)構(gòu)和疇壁釘扎。通過(guò)測(cè)量三層CrBr₃樣品在不同激光功率下的疇結(jié)構(gòu)和磁性，表明激光加熱效應(yīng)可以忽略不計(jì)。綜上所述，用低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器內(nèi)低溫NV色心探針，作者通過(guò)定量繪制雜散磁場(chǎng)圖研究了CrBr₃樣品中的磁疇，測(cè)定了雙層CrBr₃的磁化強(qiáng)度并在實(shí)空間觀察到了磁疇的演化。

低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器內(nèi)NV色心技術(shù)的高空間分辨率使磁共振成像成為可能，并可定位釘住疇壁并使反向疇成核的缺陷位置。該工作突出了低溫恒溫器內(nèi)NV色心技術(shù)是未來(lái)探索二維磁體中納米尺度征的種定量探測(cè)手段。

圖4. attoDRY2200低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器，適用于低溫NV色心研究

attoDRY2200低溫恒溫器以及可選顯微鏡主要技術(shù)點(diǎn)：

-溫度范圍：1.8K ..300 K

-磁場(chǎng)范圍：0...9T (取決于磁體, 可選12T，9T-3T矢量磁體等)

-Z方向振動(dòng)噪音：AFM噪音 (工作帶寬=195Hz) < 100pm

-可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

-樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

-掃描范圍: 50×50 μm²@300 K, 30×30 μm²@4 K   

-商業(yè)化探針

-可升 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

參考文獻(xiàn)：

1. Qichao SUN, et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr₃ revealed by nanoscale imaging，Nature Communications 12, 1989 (2021) .