להמחיש Uniaxial-זן מניפולציה של תחומים Antiferromagnetic ב Fe1 +YTe באמצעות מקוטב-ספין סריקתה מיקרוסקופ מינהור

Mariam Kavai; Ioannis Giannakis; Justin Leshen; Joel Friedman; Pawel Zajdel; Pegor Aynajian

doi:10.3791/59203

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Method Article

להמחיש Uniaxial-זן מניפולציה של תחומים Antiferromagnetic ב Fe_{1 +}_YTe באמצעות מקוטב-ספין סריקתה מיקרוסקופ מינהור

DOI:

10.3791/59203

⸱

March 24th, 2019

Mariam Kavai¹, Ioannis Giannakis¹, Justin Leshen¹, Joel Friedman¹, Pawel Zajdel², Pegor Aynajian¹

¹Department of Physics, Applied Physics and Astronomy, Binghamton University, ²Institute of Physics, University of Silesia

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Summary

באמצעות זן uniaxial בשילוב עם ספין-מקוטב מיקרוסקופ מינהור סריקה, אנו לדמיין במבנם antiferromagnetic תחום של Fe_{1 + y}טה, למתחם של האב מבוססות ברזל superconductors.

Abstract

המסע להבין מערכות אלקטרוניות מתואם דחף את גבולות מדידות ניסיוני לקראת הפיתוח של שיטות וטכניקות ניסיוני חדש. כאן נשתמש הרומן בנוי הבית uniaxial-זן מכשיר משולב לתוך הטמפרטורה משתנה מיקרוסקופ מינהור המאפשרת לנו מכאנית ופיקודית לתמרן בתוך המטוס זן uniaxial דגימות, לחקור את תגובתם אלקטרונית את המשקל האטומי סורק. באמצעות סריקת מיקרוסקופ מינהור מנהור עם טכניקות ספין-קיטוב, עלינו לדמיין antiferromagnetic תחומים (AFM) ומבנה האטום שלהם בדגימות Fe_{1 +}_yTe, למתחם של האב מבוססות ברזל superconductors, ו מדגימים כיצד תחומים אלה מגיבים יישומית זן uniaxial. נתבונן הדו-כיווני של AFM תחומים בדוגמת unstrained, עם גודל ממוצע התחום של ~ 50-150 nm, המעבר חזרה מחשבים חד כיווני בודדת בלחץ uniaxial יישומית. הממצאים שהוצגו כאן פתח כיוון חדש כדי לנצל את פרמטר הכוונון יקר ב- STM, כמו גם טכניקות אחרות ספקטרוסקופיות, הן עבור כוונון המאפיינים אלקטרוניים עבור גרימת סימטריה שבירת במערכות גשמי קוונטית.

Introduction

מוליכות-על טמפרטורות גבוהות ב cuprates ו superconductors מבוססות ברזל היא מדינה מרתקת של הקוונטים חומר¹^,². אתגר ההבנה למוליכות-על זה האופי שזורים זה בזה באופן מקומי של המדינות השונות סימטריה שבורה, כגון אלקטרונית nematic ו- smectic שלבים, (לשבור סימטריות הסיבוב והתרגום של הברית אלקטרוניים), עם מוליכות-על³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷. מניפולציה מכוונת כוונון של מדינות אלה סימטריה שבורה היא מטרת מפתח לקראת הבנה ושליטה מוליכות-.

זן מבוקרת, הן uniaxial והן biaxial, היא טכניקה ומבוססת לכוון הברית אלקטרונית קולקטיבית מעובה מערכות⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^, ¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^, ²². זה כוונון נקי, בלי כניסתה של הפרעה באמצעות סמים כימיים, הוא נפוץ בסוגים שונים של ניסויים לכוון בצובר תכונות אלקטרוניות²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. לדוגמה, לחץ uniaxial הוכיח את יש השפעה עצומה על מוליכות Sr₂RuO₄¹³ ו- cuprates²⁷ וכן על מבנה, מגנטי, ומעברי פאזה nematic של superconductors מבוססות ברזל ¹⁰ ^, ¹⁴ ^, ²⁸ ^, ²⁹ ולא הודגם לאחרונה ב כוונון ארצות טופולוגי של SmB₆²⁴. עם זאת, השימוש של זן טכניקות משטח רגיש, כגון ה-STM וספקטרוסקופיה נפתרה-זווית photoemission (ARPES), כבר מוגבל בתוך תוצרת באתרו סרטים רזה על מצעים תואמים²⁶^,³⁰. האתגר העיקרי עם החלת זן יחיד קריסטלים בניסויים על משטח רגיש הוא בצורך קליב הדגימות מאומצות בואקום על קוליים (UHV). בשנים האחרונות, כיוון חלופי כבר כדי אפוקסי מדגם דק piezo ערימות⁹^,¹⁰^,¹⁸^,³¹ או על צלחות עם המקדמים שונים של הרחבה תרמי¹⁹ ^,³². ובכל זאת בשני המקרים, סדר הגודל של המתח יישומית הוא מוגבל מאוד.

כאן אנחנו מדגימים את השימוש הרומן uniaxial-זן מכנית זה מאפשר לחוקרים זן מדגם (זן compressive) ללא הגבלות והמחש בו-זמנית מבנהו השטח באמצעות ה-STM (ראה איור 1). לדוגמה, אנו משתמשים גבישים יחיד של Fe_{1 +}_yTe, שבו y = 0.10, למתחם של האב superconductors chalcogenide הברזל (y הוא ריכוז עודפי ברזל). להלן T_N = K ~ 60, Fe_{1 +}_yTe מעברים ממצב פאראמגנטיים טמפרטורה גבוהה למצב antiferromagnetic בטמפרטורה נמוכה עם bicollinear פס מגנטי סדר²⁶^,³³ ^,³⁴ (ראה איור 3 א, ב'). המעבר מגנטי נוסף מלווה מעבר מבנית מ הטטרגונלית כדי המונוקלינית²⁶^,³⁵. סדר AFM בתוך המטוס טפסים תחומים detwinned עם המבנה ספין הצבעה לאורך זמן b-כיוון מבנה האורתורומבית³⁴. דמיין את סדר AFM עם ספין-מקוטב STM, אנחנו לחקור את מבנה תחום דו-כיווני בדגימות unstrained Fe_{1 +}_yTe ולבחון את המעבר שלהם לתוך מחשבים גדולה יחיד בלחץ יישומית (ראה התרשים ב- איור 3 ג-E). ניסויים אלה מראים כוונון משטח מוצלחת של הקריסטלים יחיד באמצעות המכשיר uniaxial-זן המובאים כאן, הכמיהה של המדגם, ההדמיה סימולטני של מבנהו משטח עם מיקרוסקופ מינהור סריקה. איור 1 מציג את סכמטית ציורים ותמונות של המכשיר מאמץ מכני.

Protocol

הערה: הגוף בצורת U עשוי פלדת אל-חלד 416-כיתה, נוקשות, יש מקדם נמוך של הרחבה תרמי (CTE), μm/(m∙°C) ~9.9, לעומת ~17.3 μm/(m∙°C) נירוסטה 304-כיתה.

1. מכנית uniaxial-זן

לנקות את המכשיר בצורת פרסה, את הברגים מיקרומטר (1 – 72 תואם ל- 72 סבבים לאינץ), הדיסקים האביב בלוויל, ואת הבסיס על-ידי sonicating אותם בנפרד באצטון תחילה ולאחר מכן כניסה אלכוהול איזופרופיל, למשך 20 דקות כל אחת, ב sonicator באמבט אולטרא. פעולה זו מסירה את כל הטומאות/חלקיקים. תהליך זה צריך להתבצע בשכונה.
אופים אותם בתנור למשך 15-20 דקות כדי להיפטר שאריות מים וכדי דגה.
באמצעות תער חד, תוך התבוננות תחת מיקרוסקופ אופטי, חותכים Fe_{1 +Y}Te המדגם לגודל, כלומר 1 מ מ x 2 מ"מ x 0.1 מ"מ.
להרכיב את החלקים יחד כפי שמוצג באיור 1C, תחילה בלוח. הפתיחה בפנים U היא 1 מ מ ואת ניתן לכוונן קטן או גדול על-ידי זוג מיקרומטר הברגים הממוקמים בצידי המכשיר.

2. יישום של המתח

ב שני כלים נפרדים, לערבב אפוקסי כסוף (H20E), מוליכים אפוקסי (H74F) לפי ההוראות בגיליון נתונים אפוקסי.
על המכשיר בצורת U, למרוח שכבה דקה של כסף אפוקסי (H20E) כדי ליצור מגע חשמלית לטעון המדגם (בגודל של 1 מ"מ x 2 מ"מ x ~0.1 מ"מ) עם ציר זמן מונחה לאורך הציר-b המדגם Fe_{1 +y}Te , על גבי המכשיר, על פני הפער 1 מ מ, כפי שמוצג באיור 1C. בתנור הסעה, לאפות את המכשיר למשך 15 דקות על 120 מעלות צלזיוס.
לכסות את שני הצדדים של המדגם אפוקסי מוליכים כך המדגם נתמך בחוזקה על המכשיר. אופים במשך 20 דקות ב- 100 מעלות צלזיוס.
1. שימוש במיקרוסקופ אופטי, לבחון את המיקום של המדגם מכל הזוויות לבדיקה יישור מקבילים של צידי הדגימה עם הפער.
2. באופן אופציונלי, המקום דוגמאות בתוך הפער, נאכפת על-ידי אפוקסי H20E ו- H74F (איור 1C).
תחת מיקרוסקופ אופטי, החל זן compressive על-ידי סיבוב הבורג מיקרומטר תוך התבוננות על פני השטח של המדגם.
הערה: כאן אנחנו מוחלים זן 50°, אבל זה יכול להיות שונה בהתאם לכמות של להתאמץ כדי להחיל על המדגם. הלחץ מועבר המדגם על ידי סדרת בלוויל האביב דיסקים. צריך להיות ללא סדקים או כיפוף של המדגם לאחר החלת את הלחץ.
בורג את המכשיר על צלחת הבסיס כפי שמוצג באיור 1B.
1. למרוח שכבה דקה של כסף אפוקסי (H20E) מהצלחת הבסיס על גבי המכשיר בצורת U כדי ליצור קשר חשמלי בין הדגימה את הצלחת. אופים במשך 15 דקות על 120 מעלות צלזיוס. למדוד את מגע חשמלית באמצעות multimeter.
2. באמצעות שכבה דקה של H74F nonconducting אפוקסי, דבק למוצב אלומיניום (באותו גודל המדגם) על המדגם מאומצות, בניצב למישור שהפריד-b. אופים את המכשיר התאספו כעשרים דקות עד האפוקסי הוא נרפא.

3. העברה של המכשיר לראש מיקרוסקופ מינהור סריקה

להעביר את ההתקן מכתימים עם הדגימה ואת ההודעה הטעינה של הריק בטמפרטורה משתנה, על קוליים מיקרוסקופ מינהור, לחדר ניתוח סורק (ראה איור 2 א).
באמצעות מניפולטור של הזרוע, תפסיק עם הפוסט אלומיניום בואקום על קוליים בטמפרטורת החדר, כדי לחשוף את משטח cleaved טרי
להעביר מיד את המכשיר (עם הדגימה מאומצות) באתרו בזוג נוסף של סימולטורי אל התא מיקרוסקופ מינהור סריקה ואל מיקרוסקופ הראש (ראה איור 2B), אשר היה מקורר עד 9 ק' לבצע ניסויים כל-9 K...
לאפשר את הדגימה כדי לקרר לילה לפני ביצוע השלבים הבאים.

4. ביצוע הניסויים STM

הכן את הטיפים Pt-Ir לפני ניסוי על ידי פליטת שדה על משטח Cu (111) ומאז הוא מטופל עם כמה סבבים של התזה, חישול.
באמצעות מתח שהחיל את החומרים פיזואלקטריים במיקרוסקופ בקר חיצוני, להזיז את הבמה הדגימה כדי להתיישר עם הטיפ, לאחר מכן בצע על ידי מתקרב המדגם.
ברגע הקצה הוא כמה Å הרחק מן המדגם ומינהור את הנוכחי רשום על אוסצילוסקופ, לקחת topographs על הטיות setpoint שונות וזרמים setpoint.
הערה: מיקרוסקופ מינהור סריקה נשלטת על-ידי בקר שסופק על-ידי יצרן ותוכנות. עבור הפעולה של המיקרוסקופ, נא לפנות למשתמש ידנית/ההדרכות (http://www.rhk-tech.com/support/tutorials/).

תוצאות

Topographs ה-STM נמדדו מתמדת במצב הנוכחי עם דעה קדומה setpoint של תהליך-12 שהוחלה על הדגימה ועל setpoint של נה הנוכחי של-1.5 שנאסף על הטיפ. טיפים Pt-Ir שימשו כל הניסויים. כדי להשיג STM מקוטב-ספין, הטיפ מיקרוסקופ מינהור סריקה צריך להיות מצופה עם אטומים מגנטי, אשר יכול להיות די מאתגר. במקרה זה של ה?...

Discussion

כל הפעולות הנדרשות כדי להזיז את הדגימות לתוך פנימה את ה-STM מתבצעות באמצעות ערכות של הזרוע סימולטורי. ה-STM נשמר בטמפרטורות נמוכות על-ידי חנקן נוזלי ו הליום נוזלי, המדגם יירגע במשך לפחות 12 שעות לפני להיות התקרב. דבר זה מאפשר הטמפרטורה ולדגום מיקרוסקופ להגיע שיווי משקל תרמי. כדי לבודד רעש חשמלי...

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

שליחויות מודה תמיכה מ ארה ב הלאומית למדע קרן (NSF) הקריירה תחת פרס לא. DMR-1654482. סינתזה של חומרים בוצע עם התמיכה של המענק ומרכז המדע הלאומית הפולנית לא 2011/01/B/ST3/00425.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Belleville spring disks	McMaster Carr
Fe(1.1)Te			Single Crystal
H20E	Epoxy Technology
H74F	Epoxy Technology
Micrometer screws	McMaster Carr
Stainless Steel sheets (416)	McMaster Carr

References

Paglione, J., Greene, R. L. High-temperature superconductivity in iron-based materials. Nature Physics. 6 (9), 645 (2010).
Keimer, B., Kivelson, S. A., Norman, M. R., Uchida, S., Zaanen, J. From quantum matter to high-temperature superconductivity in copper oxides. Nature. 518, 179-186 (2015).
Anderson, P. W. Physics: The opening to complexity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (15), 6653-6654 (1995).
Dagotto, E. Complexity in strongly correlated electronic systems. Science. 309, 257-262 (2005).
Davis, J. S., Lee, D. -. H. Concepts relating magnetic interactions, intertwined electronic orders, and strongly correlated superconductivity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (44), 17623-17630 (2013).
Fernandes, R., Chubukov, A., Schmalian, J. What drives nematic order in iron-based superconductors. Nature Physics. 10 (2), 97 (2014).
Fradkin, E., Kivelson, S. A., Tranquada, J. M. Colloquium: Theory of intertwined orders in high temperature superconductors. Reviews of Modern Physics. 87 (2), 457 (2015).
Stillwell, E., Skove, M., Davis, J. Two “Whisker” Straining Devices Suitable for Low Temperatures. Review of Scientific Instruments. 39 (2), 155-157 (1968).
Shayegan, M., et al. Low-temperature, in situ tunable, uniaxial stress measurements in semiconductors using a piezoelectric actuator. Applied Physics Letters. 83 (25), 5235-5237 (2003).
Chu, J. -. H., Kuo, H. -. H., Analytis, J. G., Fisher, I. R. Divergent nematic susceptibility in an iron arsenide superconductor. Science. 337 (6095), 710-712 (2012).
Song, Y., et al. Uniaxial pressure effect on structural and magnetic phase transitions in NaFeAs and its comparison with as-grown and annealed BaFe2As2. Physical Review B. 87 (18), 184511 (2013).
Allan, M. P., et al. Anisotropic impurity states, quasiparticle scattering and nematic transport in underdoped Ca(Fe1−xCox)2As2. Nature Physics. 9 (4), 220-224 (2013).
Hicks, C. W., et al. Strong increase of Tc of Sr2RuO4 under both tensile and compressive strain. Science. 344 (6181), 283-285 (2014).
Hicks, C. W., Barber, M. E., Edkins, S. D., Brodsky, D. O., Mackenzie, A. P. Piezoelectric-based apparatus for strain tuning. Review of Scientific Instruments. 85 (6), 065003 (2014).
Gannon, L., et al. A device for the application of uniaxial strain to single crystal samples for use in synchrotron radiation experiments. Review of Scientific Instruments. 86 (10), 103904 (2015).
Kretzschmar, F., et al. Critical spin fluctuations and the origin of nematic order in Ba(Fe1−xCox)2As 2. Nature Physics. 12 (6), 560 (2016).
Steppke, A., et al. Strong peak in T c of Sr2RuO4 under uniaxial pressure. Science. 355 (6321), 133 (2017).
Yim, C. M., et al. Discovery of a strain-stabilised smectic electronic order in LiFeAs. Nature Communications. 9 (1), 2602 (2018).
Gao, S., et al. Atomic-scale strain manipulation of a charge density wave. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (27), 6986-6990 (2018).
Jiang, J., et al. Distinct in-plane resistivity anisotropy in a detwinned FeTe single crystal: Evidence for a Hund's metal. Physical Review B. 88 (11), 115130 (2013).
Zhang, Y., et al. Symmetry breaking via orbital-dependent reconstruction of electronic structure in detwinned NaFeAs. Physical Review B. 85 (8), 085121 (2012).
Watson, M. D., Haghighirad, A. A., Rhodes, L. C., Hoesch, M., Kim, T. K. Electronic anisotropies revealed by detwinned angle-resolved photo-emission spectroscopy measurements of FeSe. New Journal of Physics. 19 (10), 103021 (2017).
Iida, K., et al. Strong T c dependence for strained epitaxial Ba(Fe1-xCox)2As2 thin films. Applied Physics Letters. 95 (19), 192501 (2009).
Stern, A., Dzero, M., Galitski, V., Fisk, Z., Xia, J. Surface-dominated conduction up to 240 K in the Kondo insulator SmB 6 under strain. Nature Materials. 16 (7), 708-711 (2017).
Iida, K., et al. Hall-plot of the phase diagram for Ba(Fe1−xCox)2As2. Scientific Reports. 6, 28390 (2016).
Hänke, T., et al. Reorientation of the diagonal double-stripe spin structure at Fe1+yTe bulk and thin-film surfaces. Nature Communications. 8, 13939 (2017).
Takeshita, N., Sasagawa, T., Sugioka, T., Tokura, Y., Takagi, H. J. Gigantic anisotropic uniaxial pressure effect on superconductivity within the CuO2 plane of La1.64Eu0.2Sr0.16CuO4: Strain control of stripe criticality. Journal of the Physical Society of Japan. 73 (5), 1123-1126 (2004).
Kuo, H. -. H., Shapiro, M. C., Riggs, S. C., Fisher, I. R. Measurement of the elastoresistivity coefficients of the underdoped iron arsenide Ba(Fe0.975Co0.025)2As2. Physical Review B. 88 (8), 085113 (2013).
He, M., et al. Dichotomy between in-plane magnetic susceptibility and resistivity anisotropies in extremely strained BaFe2As2. Nature Communications. 8 (1), 504 (2017).
Engelmann, J., et al. Strain induced superconductivity in the parent compound BaFe2As2. Nature Communications. 4 (2877), 2877 (2013).
Berger, A. D. N., et al. . Temperature Driven Topological Switch in 1T’-MoTe2 and Strain Induced Nematicity in NaFeAs. , (2018).
Böhmer, A., et al. Effect of biaxial strain on the phase transitions of Ca(Fe1−xCox)2As2. Physical Review Letters. 118 (10), 107002 (2017).
Bao, W., et al. Tunable (δ π, δ π)-type antiferromagnetic order in α-Fe(Te,Se) superconductors. Physical Review Letters. 102 (24), 247001 (2009).
Koz, C., Rößler, S., Tsirlin, A. A., Wirth, S., Schwarz, U. Low-temperature phase diagram of Fe1+yTe studied using x-ray diffraction. Physical Review B. 88 (9), 094509 (2013).
Enayat, M., et al. Real-space imaging of the atomic-scale magnetic structure of Fe1+yTe. Science. 345 (6197), 653-656 (2014).
Singh, U. R., Aluru, R., Liu, Y., Lin, C., Wahl, P. Preparation of magnetic tips for spin-polarized scanning tunneling microscopy on Fe1+yTe. Physical Review B. 91 (16), 161111 (2015).
Chandra, S., Islam, A. K. M. A. Elastic and electronic properties of PbO-type FeSe1-xTex (x= 0-1.0): A first-principles study. ArXiv preprint. , (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

uniaxial 145 STM superconductors antiferromagnetic

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: