Visualizing monoassiale-ceppo manipolazione dei domini antiferromagnetici in Fe1 +YTe utilizzando una scansione polarizzata in Spin Tunneling microscopio

Riepilogo

Uso sforzo monoassiale combinato con microscopio a effetto tunnel polarizzata in spin scansione, abbiamo visualizzare e manipolare la struttura di dominio antiferromagnetico del Fe_{1 + y}Te, il residuo del genitore di superconduttori a base di ferro.

Abstract

La ricerca per comprendere i sistemi elettronici correlati ha spinto le frontiere della misure sperimentali verso lo sviluppo di nuove tecniche sperimentali e metodologie. Qui usiamo un romanzo autocostruite monoassiale-ceppo dispositivo integrato nella nostra temperatura variabile microscopio che ci permette controllably manipolare in piano deformazione uniassiale in campioni e loro risposta elettronica su scala atomica della sonda di scansione. Utilizzando la microscopia a scansione (STM) con tecniche di polarizzazione di spin, visualizziamo antiferromagnetico (AFM) domini e loro struttura atomica in Fe_{1 +y}Te campioni, il residuo del genitore di superconduttori a base di ferro, e dimostrare come questi domini rispondono a sforzo monoassiale applicato. Osserviamo il bidirezionale domini AFM nel campione unstrained, con una dimensione media dominio di ~ 50-150 nm, per la transizione in un unico dominio unidirezionale sotto sforzo monoassiale applicato. I risultati presentati qui aprire una nuova direzione per utilizzare un parametro prezioso in STM, come pure altre tecniche spettroscopiche, sia per l'ottimizzazione delle proprietà elettroniche per quanto riguarda l'induzione della rottura di simmetria in materiale sistemi quantistici.

Introduzione

Superconduttività ad alta temperatura in cuprati e superconduttori a base di ferro è un stato intrigante di quantum materia^1,2. Una sfida importante nella superconduttività di comprensione è la natura localmente intrecciata di vari Stati di rotture di simmetria, come elettronici nematici e smettiche fasi (che si rompono simmetrie rotazionali e traslazionali degli stati elettronici), con superconduttività^3,4,5,6,7. Manipolazione e deliberata messa a punto di questi stati di rotture di simmetria è un obiettivo chiave verso la comprensione e il controllo di superconduttività.

Deformazione controllata, sia monoasse e biasse, è una tecnica affermata per l'ottimizzazione degli stati elettronici collettivi in materia condensata sistemi^{8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22}. Questo tuning pulito, senza l'introduzione di disturbo tramite drogaggio chimico, è comunemente usato in vari tipi di esperimenti per ottimizzare la massa proprietà elettroniche^23,24,25,26 . Ad esempio, pressione uniassiale ha dimostrato di avere un effetto immenso sulla superconduttività Sr₂RuO₄¹³ e cuprati²⁷ e strutturale, magnetico e transizioni di fase nematica dei superconduttori a base di ferro ^{10 , 14 , 28 , 29} e recentemente è stata dimostrata in sintonia gli stati topologici di SmB₆²⁴. Tuttavia, l'uso del ceppo nelle tecniche di superficie sensibile, ad esempio STM e spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo (ARPES), è stato limitato a in situ-cresciuta film sottili su substrati non corrispondenti^26,30. La grande sfida con l'applicazione di ceppo a cristalli singoli negli esperimenti di superficie sensibile è la necessità di fendere i campioni tesi nel vuoto ultraelevato (UHV). Negli ultimi anni, una direzione alternativa è stato quello di un campione sottile su piezo pile^9,10,18,31 o sulle piastre con diversi coefficienti di dilatazione termica^{19 a resina epossidica ,32}. Ancora in entrambi i casi, la grandezza dello sforzo applicato è piuttosto limitata.

Qui dimostriamo che l'uso di un nuovo dispositivo monoassiale-deformazione meccanico che permette ai ricercatori di colare un campione (deformazione compressiva) senza vincoli e visualizzare simultaneamente la sua struttura superficiale utilizzando STM (Vedi Figura 1). Ad esempio, usiamo monocristalli di Fe_{1 +y}Te, dove y = 0,10, il residuo del genitore di superconduttori di chalcogenide il ferro (y è la concentrazione di ferro in eccesso). Sotto T_N = ~ 60K, Fe_{1 +y}Te le transizioni da uno stato paramagnetico ad alta temperatura in uno stato di antiferromagnetico a bassa temperatura con un bicollinear della banda magnetica ordine^{26,33 ,34} (Vedi Figura 3A, B). La transizione magnetica è inoltre accompagnata da una transizione strutturale da tetragonale a monoclina^26,35. L'ordine AFM in piano forma detwinned domini con la struttura di spin che punta lungo lungo la struttura ortorombica³⁴b-direzione. Visualizzando l'ordine AFM con STM polarizzata in spin, abbiamo la struttura di dominio bidirezionale in_{unstrained Fe 1 +y}Te campioni della sonda e osservare la loro transizione verso un singolo dominio di grandi dimensioni sotto sforzo applicato (vedere lo schema elettrico in Figura 3C-E). Questi esperimenti mostrano il successo superficiale tuning dei monocristalli utilizzando il dispositivo di deformazione uniassiale presentato qui, la scissione del campione e la formazione immagine simultanea della sua struttura superficiale con il microscopio a effetto tunnel. La figura 1 Mostra le illustrazioni schematiche e immagini del dispositivo sollecitazioni meccaniche.

Protocollo

Nota: Il corpo a forma di U è fatto di acciaio inossidabile 416-grado, che è rigida e ha un basso coefficiente di espansione termica (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), rispetto ai ~17.3 μm/(m∙°C) per acciaio inox 304.

1. meccanica trazione monoassiale

1. Pulire il dispositivo a forma di U, le viti micrometriche (1 – 72 corrispondente a 72 giri per pollice), i dischi di primavera di Belleville e la piastra di base di sonicating separatamente in acetone prima e poi in isopropanolo, per 20 minuti ciascuno, in un sonicatore bagno ad ultrasuoni. Questa operazione rimuove qualsiasi impurità/particelle. Questo processo deve essere effettuato nella cappa.
2. Cuocere in forno per 15-20 min per sbarazzarsi di eventuali residui d'acqua e di degas.
3. Utilizzando una lama di rasoio affilata, mentre osserva sotto un microscopio ottico, taglia il campione Fe_{1 +Y}Te a misura, vale a dire 1 x 2 x 0,1 mm.
4. Assemblare le parti come illustrato nella Figura 1, il primo pannello. L'apertura all'interno la U è 1 mm e può essere sintonizzato più piccolo o grande da una coppia di viti micrometriche situate sui lati del dispositivo.

2. applicazione del ceppo

1. In due piatti separati, miscela epossidica argento (H20E) e resina epossidica non conduttivo (H74F) secondo le istruzioni riportate sulla scheda di dati di resina epossidica.
2. Sul dispositivo a forma di U, applicare un sottile strato di resina epossidica argento (H20E) per creare il contatto elettrico e inserire il campione (di una grandezza di 1 x 2 mm x ~0.1 mm) con l'asse lungo orientato lungo l'asse b del campione Fe_{1 +y}Te , sopra il dispositivo, attraverso il gap di 1 mm, come mostrato in Figura 1. In un forno a convezione, cuocere il dispositivo per 15 min a 120 ° C.
3. Coprire i due lati del campione con la resina epossidica non conduttivo in modo che il campione è solidamente appoggiato sul dispositivo. Cuocere in forno per 20 min a 100 ° C.
   1. Utilizzando un microscopio ottico, esaminare la posizione del campione da tutte le angolazioni per controllare un allineamento parallelo dei lati del campione con il divario.
   2. Facoltativamente, posto campioni entro il divario e applicato dai H20E e H74F a resina epossidica (Figura 1).
4. Sotto un microscopio ottico, è necessario applicare alla compressione deformazione ruotando la vite micrometrica osservando la superficie del campione.
   Nota: Qui abbiamo applicato un ceppo di 50°, ma questo può essere modificato a seconda della quantità di sforzo da applicare al campione. La pressione è trasmesso al campione da una serie di dischi molla Belleville. Ci dovrebbe essere nessun crepe o piegatura del campione dopo la pressione viene applicata.
5. Avvitare il dispositivo sulla piastra di base, come mostrato in Figura 1B.
   1. Applicare un sottile strato di resina epossidica argento (H20E) dalla piastra di base sul dispositivo a forma di U per creare il contatto elettrico tra il campione e la piastra. Cuocere in forno per 15 min a 120 ° C. Misurare il contatto elettrico utilizzando un multimetro.
   2. Utilizzando un sottile strato di resina epossidica estraendola H74F, colla un post di alluminio (le stesse dimensioni del campione) sul campione filtrato, perpendicolare al piano che fende a-b. Cuocere il dispositivo assemblato per 20 minuti fino a quando la resina epossidica è guarita.

3. trasferimento del dispositivo per la scansione tunneling testa del microscopio

1. Trasferire il dispositivo colorazione con il campione e il post attraverso il bacino di caricamento del vuoto variabile-temperatura, ultraelevato scansione microscopio, alla camera di analisi (Vedi Figura 2A).
2. Utilizzando un manipolatore di braccio, staccare il post di alluminio nel vuoto ultraelevato a temperatura ambiente, per esporre una superficie appena spaccata.
3. Trasferire immediatamente il dispositivo (con il campione sforzato) in situ con un altro set di manipolatori alla scansione Camera microscopio tunneling e alla testa del microscopio (Vedi Figura 2B), che è stata raffreddata fino a K. 9 eseguire tutti gli esperimenti a K. 9
4. Lasciare il campione per rinfrescarsi durante la notte prima di eseguire i passaggi successivi.

4. svolgimento degli esperimenti STM

1. Preparare le punte di Pt-Ir prima di ogni esperimento di emissione di campo su una superficie di Cu (111) che è stata trattata con diversi cicli di sputtering e ricottura.
2. Usando la tensione applicata ai materiali piezoelettrici al microscopio di un controller esterno, spostare il palco campione per allinearsi con la punta, seguire poi avvicinandosi il campione.
3. Una volta che la punta è pochi Å lontano dall'esempio e il tunneling corrente è registrato sull'oscilloscopio, topografi di prendere al setpoint diversi pregiudizi e correnti di setpoint.
   Nota: Il microscopio a effetto tunnel è controllato da software e il controller fornito dal produttore. Per il funzionamento del microscopio, consultare il manuale utente/tutorial (http://www.rhk-tech.com/support/tutorials/).

Risultati

Topografi STM sono stati misurati in modalità di corrente costante con un bias di setpoint-12 MeV applicato al campione e un valore nominale corrente di -1.5 nA raccolti sulla punta. Consigli di Pt-Ir sono stati utilizzati in tutti gli esperimenti. Per raggiungere STM polarizzata in spin, il tunneling punta microscopio a scansione deve essere rivestita con atomi magnetici, che può essere molto impegnativo. In questo caso di studio Fe_{1 +y}Te, il campione ste...

Discussione

Tutte le operazioni necessarie per spostare i campioni all'interno e all'interno del STM sono effettuate utilizzando set di manipolatori a braccio. La STM è mantenuta a temperature basse di azoto liquido ed elio liquido, e il campione si raffredda per almeno 12 ore prima di essere stato avvicinato. In tal caso la temperatura del campione e microscopio raggiungere l'equilibrio termico. Per isolare il rumore elettrico e acustico, il STM è posto in un'acustica e radiofrequenza schermato camera. La testa del microscopio è...

Materiali

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