Name: visualizing uniaxial-strain manipulation of antiferromagnetic domains in fe1+yte using a spin-polarized scanning tunneling microscope
Uploaded: 2019-03-24T14:00:00
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P.A. räumt Unterstützung von der US National Science Foundation (NSF) Karriere unter Award Nein. DMR-1654482. Materiellen Synthese erfolgte mit Unterstützung der polnischen National Science Centre Grant Nr. 2011/01/B/ST3/00425.

Hinweis: Die U-förmigen Körper besteht aus 416 Edelstahl, die ist steif und hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), im Vergleich zu ~17.3 μm/(m∙°C) für 304 Edelstahl.
1. mechanische einachsiger Belastung Gerät
<ol><li>Reinigen Sie das u-förmige Gerät, der Mikrometer-Schrauben (72 Umdrehungen pro Zoll entspricht 1 / 72), Belleville Frühling Festplatten und die Grundplatte beschallen sie separat in Aceton zuerst und dann in Isopropanol, für jew...

<ol>
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R., Aluru, R., Liu, Y., Lin, C., Wahl, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+magnetic+tips+for+spin-polarized+scanning+tunneling+microscopy+on+Fe1+yTe.">Preparation of magnetic tips for spin-polarized scanning tunneling microscopy on Fe1+yTe.</a> Physical Review B. 91 (16), 161111 (2015).</li><li>Chandra, S., Islam, A. K. M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elastic+and+electronic+properties+of+PbO-type+FeSe1-xTex+(x=+0-1.0):+A+first-principles+study.">Elastic and electronic properties of PbO-type FeSe1-xTex (x= 0-1.0): A first-principles study.</a> ArXiv preprint. , (2010).</li></ol>

Alle Operationen erforderlich, um die Proben in und innerhalb der STM bewegen werden durchgeführt mit Sätzen von Arm Manipulatoren. Die STM wird durch flüssigen Stickstoff und flüssiges Helium bei niedrigen Temperaturen beibehalten, und die Probe abkühlt für mindestens 12 h vor angesprochen. Dies ermöglicht der Temperatur der Probe und Mikroskop, thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Um elektrische und akustische Lärm zu isolieren, wird die STM in eine akustische und Radiofrequenz abgeschirmten Raum platziert. ...

Hochtemperatur-Supraleitung in Cuprate und Eisen basierten Supraleitern ist eine faszinierende Quantum Angelegenheit1,2. Eine große Herausforderung bei der Supraleitung Verständnis wird lokal verflochten unter verschiedenen gebrochenen Symmetrie Staaten, wie z. B. elektronische nematische und Smectic Phasen (die rotatorische und translatorische Symmetrien der elektronischen Staaten brechen), mit Supraleitung3,4,5,6,7. Manipulation und bewusste tuning dieser gebrochenen Symmetrie-Staaten ist ein wichtiges Ziel in Richtung verstehen und Steuern Supraleitung.
Kontrollierte Belastung, einachsige und zweiachsige, ist eine gut etablierte Technik Tune die kollektive elektronische Staaten in kondensierter Materie Systeme8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Diese saubere Stimmung, ohne die Einführung einer Störung durch chemische doping, häufig in verschiedenen Arten von Experimenten dient zur Masse elektronischen Eigenschaften23,24,25,26 Stimmen . Zum Beispiel hat einaxialer Druck erwies sich eine immense Wirkung auf Supraleitung in Sr2RuO413 und Cuprate27 und auf der strukturellen, magnetisch, und nematische Phasenübergänge von Eisen basierten Supraleitern 10 , 14 , 28 , 29 und wurde vor kurzem in den topologischen Staaten von SMB-624tuning demonstriert. Die Verwendung von Dehnung in Oberfläche-Sensitive Techniken wie STM und Winkel gelöst Fotoemission Spektroskopie (ARPES), wurde jedoch beschränkt auf in Situ-grown Dünnschichten auf nicht übereinstimmende Substrate26,30. Die größte Herausforderung mit Einkristallen in Oberfläche-Sensitive Experimente Stamm zuweisen ist die Notwendigkeit, die belasteten Proben im Ultrahochvakuum (UHV) Spalten. In den letzten Jahren wurde eine alternative Richtung Epoxid-eine dünne Probe auf Piezo Stapel9,10,18,31 oder Platten mit unterschiedlichen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung19 ,32. In beiden Fällen ist das Ausmaß der angewandte Belastung noch ziemlich begrenzt.
Hier zeigen wir die Verwendung eines neuartigen mechanischen einachsiger Beanspruchung-Geräts, das erlaubt es den Forschern belasten eine Probe (Druckspannung) ohne Zwänge und gleichzeitig visualisieren die Oberflächenstruktur mit STM (siehe Abbildung 1). Als Beispiel verwenden wir Einkristalle von Fe1 +yTe, wo y = 0,10, die Ausgangsverbindung der Eisen-Chalkogenid-Supraleiter (y ist die überschüssiges Eisen-Konzentration). Unter TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe Übergänge von einer Hochtemperatur-paramagnetischen Zustand in einen Niedertemperatur-antiferromagnetischen Zustand mit einem Bicollinear Streifen magnetische Ordnung26,33 ,34 (siehe Abb. 3A, B). Der magnetische Übergang ist weiter eine strukturelle Umstellung von vierkantig monoklinen26,35einher. Die in der Ebene AFM Bestellformulare detwinned Domänen mit den Hinweis auf die lange b-Leitung der orthorhombic Struktur34Spinstruktur. Durch die Visualisierung der AFM-Bestellung mit Spin-polarisierten STM, wir untersuchen die bidirektionale Domänenstruktur in ungezwungenen Fe1 +yTe Proben und beobachten ihren Übergang in einer einzigen großen Domäne angewandte belastet (siehe Schaltplan im Abbildung 3 C-E). Diese Experimente zeigen die erfolgreiche Oberfläche Abstimmung der einzelnen Kristalle mit dem einachsiger Belastung Gerät das hier vorgestellte, die Spaltung der Probe und die gleichzeitige Darstellung der die Oberflächenstruktur mit dem Rastertunnelmikroskop. Abbildung 1 zeigt die schematische Zeichnungen und Bilder von der mechanischen Belastung Gerät.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:668px;" width="668">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Belleville spring disks</td>
			<td style="width:167px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Fe(1.1)Te</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Single Crystal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">H20E</td>
			<td style="width:167px;">Epoxy Technology</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">H74F</td>
			<td style="width:167px;">Epoxy Technology</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Micrometer screws</td>
			<td style="width:167px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Stainless Steel sheets (416)</td>
			<td style="width:167px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

visualizing uniaxial-strain manipulation of antiferromagnetic domains in fe1+yte using a spin-polarized scanning tunneling microscope

Die Quest korrelierte elektronische Systeme zu verstehen hat die Grenzen der experimentellen Messungen in Richtung der Entwicklung der neuen experimentellen Techniken und Methoden vorangetrieben. Hier verwenden wir ein neuartiges selbstgebauten einachsiger Belastung Gerät in unsere Variable Temperatur scanning tunneling Mikroskop, das ermöglicht es uns, kontrollierbar in der Ebene einachsiger Beanspruchung in Proben zu manipulieren und ihre elektronische Antwort auf atomarer Skala Sonde integriert. Mit scanning tunneling Microscopy (STM) mit Spinpolarisation Techniken, wir visualisieren antiferromagnetischen (AFM) Domains und deren atomare Struktur in Fe1 +yTe Proben, das Elternteilmittel Eisen basierten Supraleitern und demonstrieren Sie, wie diese Domains auf angewandte einachsiger Belastung reagieren. Wir beobachten die bidirektionale AFM Domänen in der ungezwungenen Probe mit einer durchschnittlichen Domäne Größe von ~ 50-150 nm, den Übergang in eine unidirektionale Einzeldomäne angewandte einachsigen belastet. Die hier vorgestellten Ergebnisse eröffnen eine neue Richtung um einen wertvollen tuning Parameter im STM, sowie andere spektroskopischen Techniken, sowohl für die Optimierung der elektronischen Eigenschaften wie Induktion Symmetrie brechen in Quantensystemen Material zu nutzen.

STM-Topographen wurden gemessen, im ständigen Strombetrieb mit einem Sollwert Bias von-12 meV angewendet, um die Probe und einem Sollwert von-1.5 nA gesammelt an der Spitze. PT-IR-Spitzen waren bei allen Experimenten verwendet. Um Spin-polarisierten STM zu erreichen, muss die scanning tunneling Mikroskopspitze mit magnetischen Atome beschichtet werden, was ziemlich schwierig sein kann. In diesem Fall enthält das Beispiel selbst Fe1 +yTe zu studieren, ein e...

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Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope

Visualisierung von einachsiger Beanspruchung Manipulation der antiferromagnetischen Domänen in Fe1 +YTe mit einer Spin-polarisierten Scanning Tunneling Mikroskop

Mit einachsiger Beanspruchung kombiniert mit Spin-polarisierten scanning tunneling Microscopy, wir visualisieren und bearbeiten die antiferromagnetischen Domänenstruktur Fe1 + yTe, das Elternteilmittel Eisen basierten Supraleitern.

The quest to understand correlated electronic systems has pushed the frontiers of experimental measurements toward the development of new experimental ...

Dieses Protokoll ist wichtig, weil es eine Visualisierung der Integration des uniaxial-dehnungsgeräts mit der Scantunnelmikroskopie ist. Es geht sowohl um die Anwendung von Dehnung als auch um die Visualisierung der Manipulation von Strukturdomänen in SDM. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie erhöhte Dehnungsmengen ermöglicht, da es sich um ein mechanisches Gerät handelt.Seine Oberflächeneffekte können mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie visualisiert werden. Bei Hochtemperatur-Supraleitern durch bewusstes Tuning und Manipulieren gebrochener Symmetriezustände kann man supraleitende Zustände steuern und verstehen. Dieser Prozess kann auf jedes Material angewendet werden, sofern es sich um einen einzelnen Kristall handelt und SDM-kompatibel ist.Es gibt viele Gerätetests, um die Reaktion des Setups auf unterschiedliche Bedingungen zu bestimmen, einschließlich der Menge, wie viel Belastung erreicht werden kann. Es ist ein sehr anspruchsvolles Experiment, bei dem Geduld und absolutes Verständnis dessen, was sie tun, entscheidend sind. Die visuelle Demonstration dieses Prozesses ist von entscheidender Bedeutung, da er einen Einblick in die Herstellung und Verwendung des beschriebenen Geräts mit SDM gibt, was ein komplexer Prozess ist.Um zu beginnen, zerlegen Sie das u-förmige Gerät und legen Sie es in Aceton. Reinigen Sie das Gerät, die Mikrometerschrauben, die Belleville-Federscheiben und die Grundplatte, indem Sie sie 20 Minuten lang beschallen. Dann übertragen Sie sie in Isopropanol und beschallen Sie sie für weitere 20 Minuten.Nach der Reinigung die Gerätekomponenten 15 bis 20 Minuten im Ofen backen, um Wasserrückstände zu beseitigen und zu entgasen. Dann, mit einer scharfen Rasierklinge, schneiden Sie die Eisentellurprobe auf einen Millimeter mal zwei Millimeter mal 0,1 Millimeter größe. Schließlich montieren Sie die Teile zusammen.Die Öffnung im Inneren des u ist ein Millimeter und kann kleiner oder groß durch ein Paar Mikrometerschrauben an den Seiten des Geräts abgestimmt werden. In zwei getrennten Schalen Silberepoxid und nichtleitendes Epoxid gemäß den Anweisungen auf den Epoxid-Datenblättern mischen. Wenden Sie dann eine dünne Schicht aus Silberepoxid an, um einen elektrischen Kontakt zu erzeugen, und montieren Sie die Probe über den einen Millimeter Spalt, so dass ihre lange Achse entlang der b-Achse der Eisentellurprobe ausgerichtet ist.Den Probenhalter und die Probe in einen Konvektionsofen geben und 15 Minuten backen, um das Epoxid erneut auszuhärten. Nachdem die Probe abgekühlt ist, decken Sie ihre beiden Seiten mit nichtleitendem Epoxid ab, so dass die Probe fest auf dem Gerät unterstützt wird. Dann legen Sie es wieder in den Ofen, um das Epoxid auszuhärten.Untersuchen Sie mit einem optischen Mikroskop die Position der Probe aus allen Winkeln, um die parallele Ausrichtung der Seiten der Probe mit dem Spalt zu überprüfen. Wenn alles nun vorbereitet ist, beginnen Sie, druckbedrückende Dehnung anzuwenden, indem Sie die Mikrometerschraube um 50 Grad drehen und dabei die Oberfläche der Probe beobachten. Es sollte keine Risse oder Biegungen der Probe geben, nachdem der Druck ausgeübt wurde.Als nächstes schrauben Sie das Gerät in die Grundplatte. Nach der Sicherung eine dünne Schicht Silberepoxid von der Grundplatte auf die u-förmige Vorrichtung auftragen, um elektrischen Kontakt zwischen der Probe und der Platte herzustellen. Legen Sie die Probe in den Ofen, um das Epoxid auszuhärten.Nach dem Abkühlen den elektrischen Kontakt mit einem Multimeter überprüfen. Verwenden Sie dann eine dünne Schicht aus nicht leitendem Epoxid, um einen Aluminiumpfosten auf die Probe zu kleben, so dass er senkrecht zur Ab-Cleaving-Ebene ist. Die Beiträge sollten die gleiche Größe wie die Stichprobe haben.Wenn der Pfosten richtig positioniert ist, backen Sie das montierte Gerät, bis das Epoxid ausgehärtet ist. Übertragen Sie das Gerät zunächst an das Rastertunnelmikroskop, indem Sie es in die Laderampe des ultrahochvakuum-scannbaren Tunnelmikroskops mit variabler Temperatur legen. Mit einem Armmanipulator den Aluminiumpfosten im ultrahohen Vakuum bei Raumtemperatur abklopfen, um eine frisch gespaltete Oberfläche freizulegen.Übertragen Sie das Gerät sofort vor Ort mit einem weiteren Satz von Manipulatoren in die Rastertunnel-Mikroskopkammer, geben Sie den Mikroskopkopf ein, der auf neun Grad Abkühlung abgekühlt wurde. Lassen Sie die Probe über Nacht auf neun Grad abkühlen, bevor Sie die nächsten Schritte ausführen und halten Sie diese Temperatur während der Experimente aufrecht. Sobald das Temperaturgleichgewicht erreicht ist, bereiten Sie die Platin-Iridium-Spitzen vor jedem Experiment durch Feldemission auf einer kupfernen Oberfläche vor, die mit mehreren Runden Sputtern und Glühen behandelt wurde.Bewegen Sie die Probenstufe mit der Spannung, die auf die piezoelektrischen Materialien im Mikroskop aufgebracht wird, um sie an der Spitze auszurichten. Dann nähern Sie sich der Probe. Sobald die Spitze ein paar Angstroms von der Probe entfernt ist und die Tunnelstromregister auf dem Oszilloskop registriert sind, ist sie bereit für die Aufnahme von Topographen.Hier ist ein topografisches Bild mit 10 Nanometer atomarer Auflösung eines untrainierten Eisentellur-Einzelkristalls. Die gesehene atomare Struktur entspricht den Telluratomen, die nach dem Ablösen der Probe exponiert werden. Die 4DA-Transformation der Topographie zeigt vier scharfe Spitzen an den Ecken des Bildes entlang der a- und b-Richtungen, die den atomaren Bragg-Spitzen entsprechen.Im Gegensatz zum ersten Bild zeigt dieses topographische Bild einen Topographen, der mit einer magnetischen Spitze erhalten wurde. Unidirektionale Streifen mit einer Periodizität von doppelt so viel wie das Gitter entlang der A-Achse werden beobachtet. Die 4DA-Transformation dieses Topographen zeigt neben den Bragg-Spitzen ein neues Paar Satellitenspitzen, das der Hälfte der Bragg-Spitzenmomenta und damit der doppelten realen Raumwellenlänge entspricht.Die neue Struktur entspricht der AFM-Streifenreihenfolge der Eisenatome direkt unter der Oberfläche. Auf einigen Teilen der untrainierten Probe bestehen Zwillingsdomänengrenzen, bei denen sich die Kristallstruktur mit der langen b-Achse und der dazugehörigen AFM-Streifenreihenfolge um 90 Grad dreht. Hier können Sie einen 25 Nanometer Topograph einer AFM-Zwillingsdomänengrenze beobachten.Die 4DA-Transformation dieser Region zeigt zwei Paare der AFM-Reihenfolge, die durch grüne und gelbe Kreise hervorgehoben werden. Jede magnetische Domäne trägt zu nur einem Paar der Spitzen in der 4DA-Transformation bei. Für die gespannte Probe kann aufgrund des auf die Probe aufgebrachten uniaxialen Drucks nur eine einzige Domäne gesehen werden.Hier wird eine großflächige Topographie gezeigt, die eine Gesamtfläche von etwa 1,75 Mikrometern um 0,75 Mikrometer umfasst, was mehr als doppelt so viel ist wie die Gesamtfläche der ungeübten Proben. Die 4DA-Transformation für jeden Topographen zeigt nur ein Paar AFM-Peaks an, die nur eine einzelne Domäne in diesem angespannten Beispiel anzeigen. Das Wichtigste, was Sie beim Versuch dieses Verfahrens beachten sollten, ist Ihr ultimatives Ziel.Wenn Sie wissen, warum Sie eine uniaxiale Dehnung anwenden, sollten Sie hinsichtlich der Probenausrichtung und der anzuwendenden Belastung führen. Nach diesem Verfahren kann ein Dehnungsgerät auch mit anderen Techniken wie Röntgenbeugung, resonanten elastischen Röntgenstreuung und eckig aufgelöster Photoemissionsspektroskopie integriert werden. SDM ist eine leistungsstarke Technik, die es ermöglicht, Elektronen in Quantenmaterialien zu visualisieren.Und dies sind Materialien, die sehr empfindlich auf externe Störungen wie Dehnung sind, so dass die uniaxiale Dehnung integrierte SDM-Technik ermöglicht es, diese Materialien elektronisch zu stimmen und die Reaktion auf Dehnung mit dem ultimativen Ziel des Verständnisses supraleitung zu visualisieren.

Research

JoVE Journal

Engineering

Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope

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Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

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Forschung

Ingenieurwesen

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Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

Visualisierung wortlich Übermittlung über bedforms Mit Dye Experimente und Simulation

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Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

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Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si-Substrat mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle

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Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

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Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Präzisionsfräsen von Carbon Nanotube Wälder Verwendung von Niederdruck-Rasterelektronenmikroskopie

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