Methodenartikel

Visualiseren van eenassige-stam manipulatie van Antiferromagnetic domeinen in Fe1 +YTe gebruiken een Spin-gepolariseerde Scanning Tunneling Microscoop

DOI:

10.3791/59203

⸱

24 maart 2019

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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met eenassige stam gecombineerd met de spin-gepolariseerde scanning tunneling microscopie, wij visualiseren en manipuleren van de antiferromagnetic domeinstructuur van Fe1 + yTe, de bovenliggende compound van ijzer gebaseerde supergeleiders.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De zoektocht naar begrijpen gecorreleerde elektronische systemen heeft duwde de grenzen van experimentele metingen naar de ontwikkeling van nieuwe experimentele technieken en methoden. Hier gebruiken we een nieuwe huis-gebouwde eenassige-stam apparaat geïntegreerd in onze variabele temperatuur scanning tunneling microscopy waarmee we kunnen controllably manipuleren in-plane eenassige stam in monsters en hun elektronische reactie op de atoomschaal sonde. Met behulp van scanning tunneling microscopie (STM) met draai-polarisatie technieken, wij visualiseren antiferromagnetic (AFM) domeinen en hun atoomstructuur in Fe1 +yTe monsters, de bovenliggende compound van ijzer gebaseerde supergeleiders, en demonstreren hoe deze domeinen reageren op toegepaste eenassige stam. We observeren de bidirectionele AFM domeinen in de ongedwongen steekproef, met een gemiddelde domein grootte van ~ 50-150 nm, tot de overgang naar één unidirectionele domein onder toegepaste eenassige stam. De bevindingen hier open een nieuwe richting voor het gebruik van een waardevolle tuning parameter in STM, evenals andere spectroscopische technieken, zowel voor het afstemmen van de elektronische eigenschappen wat betreft inducerende symmetriebreking in materiële kwantumsystemen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hoge-temperatuur supergeleiding in cupraten en ijzer gebaseerde supergeleiders is een intrigerende staat voor quantum zaak1,2. Een belangrijke uitdaging in begrip supergeleiding is het lokaal met elkaar verweven karakter van verschillende staten van de gebroken symmetrie, zoals elektronische nematic en smectic fasen (die breken rotatie- en translationeel symmetrieën van de elektronische Staten), met supergeleiding3,4,5,6,7. Manipulatie en opzettelijke afstemming van deze Staten gebroken symmetrie is een essentiële doelstelling naar inzicht in en beheersing van supergeleiding.

Gecontroleerde spanning, zowel eenassige versnellingsmeters en biaxial, is een gevestigde techniek om af te stemmen op de collectieve elektronische Staten in gecondenseerde materie systemen8,9,10,11,,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Deze schone tuning, wordt zonder de invoering van wanorde door chemische doping, vaak gebruikt in allerlei experimenten om af te stemmen bulk elektronische eigenschappen23,24,25,26 . Bijvoorbeeld, heeft eenassige druk bewezen een enorm effect op de supergeleiding in Sr2RuO413 en cupraten27 en op de structurele, magnetische, en nematic fase-overgangen van ijzer gebaseerde supergeleiders 10 , 14 , 28 , 29 en werd onlangs aangetoond bij het afstemmen van de topologische Staten van SmB624. Het gebruik van stam in oppervlakte-gevoelige technieken, zoals STM en hoek-opgelost photoemission spectroscopie (CEVENNEN), is echter beperkt tot in situ-gegroeid dunne lagen op niet-overeenkomende substraten26,30. De grote uitdaging met stam op enkele kristallen in het oppervlak-gevoelige experimenten toe te passen is de noodzaak om te klieven van de gespannen monsters in met vacuüm (UHV). In de afgelopen jaren, is een alternatieve richting geweest om de epoxy een dunne monster op piezo stapels9,10,18,31 of platen met verschillende coëfficiënten van thermische uitzetting19 ,-32. Maar in beide gevallen is de omvang van de toegepaste spanning vrij beperkt.

Hier tonen we het gebruik van een nieuwe mechanische eenassige-stam apparaat waarmee onderzoekers een steekproef (druksterkte stam) zonder beperkingen van de stam en gelijktijdig visualiseren de oppervlakte structuur met behulp van STM (Zie Figuur 1). Als voorbeeld, gebruiken we enkele kristallen van Fe1 +yTe, waar y = 0,10, de samenstelling van de ouder van de ijzeren Chalcogeniden supergeleiders (y is het overtollige ijzer-concentratie). Onder TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe overgangen van een hoge-temperatuur-paramagnetisch staat in een lage temperatuur antiferromagnetic staat met een bicollinear stripe magnetische volgorde26,33 ,34 (Zie figuur 3A, B). De magnetische overgang verder vergezeld gaat van een structurele overgang van tetragonale monoklien26,35. De volgorde van de AFM in-plane vormt detwinned domeinen met de structuur van de spin wijzen langs de lange b-richting van de orthorhombisch structuur34. Door het visualiseren van de volgorde van de AFM met spin-gepolariseerde STM, we sonde de bidirectionele domeinstructuur in ongedwongen Fe1 +yTe monsters en hun overgang naar één grote domein onder toegepaste spanning observeren (Zie het schema in Figuur 3 C-E). Deze experimenten tonen aan de succesvolle oppervlakte afstemming van de enkele kristallen met behulp van het eenassige-stam apparaat gepresenteerd hier, het splijten van het monster, en de gelijktijdige beeldvorming van de oppervlakte structuur met de scanning tunneling microscoop. Figuur 1 toont de schematische tekeningen en foto's van de mechanische spanning-apparaat.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opmerking: Het U-vormige lichaam is gemaakt van 416-grade roestvrij staal, die is stijf en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt thermische (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), in vergelijking met ~17.3 μm/(m∙°C) voor 304 kwaliteit RVS.

1. mechanische eenassige-stam apparaat

  1. Reinig het apparaat van U-vormige, de schroeven van de micrometer (1 / 72 overeenkomend met 72 rotaties per inch), de Belleville voorjaar schijven en de grondplaat door sonicating hen afzonderlijk in aceton eerst en daarna in isopropanol, gedurende 20 minuten elk, in een ultrasoonbad ultrasoonapparaat. Hiermee verwijdert u eventuele onzuiverheden/deeltjes. Dit proces moet worden uitgevoerd in de kap.
  2. Bak ze in de oven gedurende 15-20 minuten om zich te ontdoen van alle water residuen en ontgas.
  3. Met behulp van een scherp scheermesje, met inachtneming van onder een optische Microscoop, snijd het Fe1 +YTe monster op maat, namelijk 1 x 2 x 0,1 mm.
  4. Monteren van de onderdelen samen zoals weergegeven in Figuur 1 c, eerst van het deelvenster. De opening binnen de U is 1 mm en kleiner kan worden afgesteld of grote door een paar micrometer schroeven zich bevindt op de zijkanten van het apparaat.

2. de toepassing van de stam

  1. Meng in twee aparte gerechten, zilveren epoxy (H20E) en nonconductive epoxy (H74F) volgens de aanwijzingen op de epoxy data sheet.
  2. Op de U-vormige apparaat, breng een dunne laag van zilver epoxy (H20E) elektrisch contact maken en monteren van het monster (van een grootte van 1 x 2 mm x ~0.1 mm) met haar lange as georiënteerde langs de b-as van het Fe1 +yTe monster , op de top van het apparaat, over de kloof van 1 mm, zoals getoond in Figuur 1 c. Bakken in een oven convectie, het apparaat gedurende 15 minuten op 120 ° C.
  3. Betrekking hebben op de twee zijden van het monster met nonconductive epoxy zodat het monster stevig op het apparaat wordt ondersteund. Bak gedurende 20 minuten bij 100 ° C.
    1. Met behulp van een optische Microscoop, onderzoeken de positie van het monster van alle kanten om te controleren of een parallelle uitlijning van de zijkanten van het monster met de kloof.
    2. Desgewenst plaats monsters binnen de kloof en afgedwongen door H20E en H74F epoxy (Figuur 1 c).
  4. Onder een optische Microscoop, druksterkte stam van toepassing door het draaien van de schroef micrometer met inachtneming van het oppervlak van het monster.
    Opmerking: Hier we toegepast een stam van 50° bevindt, maar dit kan worden aangepast afhankelijk van de hoeveelheid spanning op het monster toe te passen. De druk wordt overgedragen aan het monster door een reeks van Belleville voorjaar schijven. Moet er geen scheuren of buigen van het monster na de druk wordt toegepast.
  5. Schroef het apparaat op de grondplaat zoals weergegeven in figuur 1B.
    1. Breng een dunne laag van zilver epoxy (H20E) van de grondplaat op het U-vormige apparaat om elektrische contactpersoon tussen het monster en de plaat te maken. Bak gedurende 15 minuten op 120 ° C. Het meten van de elektrische contact met behulp van een multimeter.
    2. Met behulp van een dun laagje H74F nonconducting epoxy, lijmen een aluminium post (dezelfde grootte als het monster) op het gespannen monster, loodrecht op het a-b verbrijzelen vlak. Bak het gemonteerde apparaat gedurende 20 minuten totdat de epoxy is genezen.

3. overdracht van het apparaat naar de scanning tunneling microscoop hoofd

  1. Overdracht van de kleuring apparaat met het monster en de post door het laden dock van de variabele temperatuur, met vacuüm scanning tunneling microscoop, naar de kamer van de analyse (Zie figuur 2A).
  2. Met behulp van een manipulator arm, kloppen uit de aluminium post in met vacuüm bij kamertemperatuur, een vers gekloofd oppervlak bloot te stellen.
  3. Onmiddellijk overdracht van het apparaat (met de gespannen steekproef) ter plaatse met een andere set van manipulatoren aan de scanning tunneling microscoop zaal en de Microscoop hoofd (Zie figuur 2B), dat is afgekoeld tot 9 K. op 9 K. alle experimenten uitvoeren
  4. Toestaan dat de steekproef afkoelen 's nachts voordat u de volgende stappen uitvoert.

4. uitvoering van de STM-experimenten

  1. Bereid de Pt-Ir tips voorafgaand aan elk experiment door veld emissie op een Cu (111) oppervlak dat is behandeld met verschillende rondes van sputteren en gloeien.
  2. Met behulp van de spanning op de piëzo-elektrische materialen in de Microscoop toegepast door een externe controleur, verplaatsen de monster fase aan te sluiten bij de tip, volg dan door het naderen van het monster.
  3. Zodra de tip is een paar Å weg van het monster en de tunneling huidige is 'n fan van de oscilloscoop, neem topographs op verschillende setpoint vooroordelen en setpoint stromingen.
    Opmerking: De scanning tunneling microscoop wordt gecontroleerd door de fabrikant geleverde controller en software. Raadpleeg voor de werking van de Microscoop, de gebruiker manual/tutorials (http://www.rhk-tech.com/support/tutorials/).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

STM topographs werden gemeten in constante huidige modus met een setpoint bias van-12 meV toegepast op het monster en een setpoint huidige van-1.5 NB verzameld op het puntje. PT-Ir tips werden gebruikt in alle experimenten. Om te bereiken spin-gepolariseerde STM, moet de scanning tunneling microscoop tip worden bekleed met magnetische atomen, die kan heel uitdagend zijn. In dit geval van Fe1 +yTe studeren, biedt het monster zelf een eenvoudige manier om dit ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle handelingen die nodig zijn om de monsters te verplaatsen naar en binnen de STM worden uitgevoerd met behulp van sets van arm manipulatoren. De STM wordt onderhouden bij lage temperaturen door vloeibare stikstof en vloeibare helium, en het monster afkoelt voor ten minste 12 uur voordat het wordt benaderd. Hierdoor is de temperatuur van het monster en Microscoop thermisch evenwicht bereiken. Elektrische en akoestische geluid isoleren, wordt de STM geplaatst in een akoestische en radiofrequentie afgeschermde kamer. Het...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

P.A. erkent steun van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) carrière onder award Nee. DMR-1654482. Materiële synthese werd uitgevoerd met de steun van de Poolse nationale wetenschapscentrum subsidie nr. 2011/01/B/ST3/00425.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Belleville veerschijfjesMcMaster Carr
Fe(1.1)TeEnkel kristal
H20EEpoxy Technology
H74FEpoxy Technology
MicrometerschroevenMcMaster Carr
Roestvrijstalen platen (416)McMaster Carr

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Paglione, J., Greene, R. L. High-temperature superconductivity in iron-based materials. Nature Physics. 6 (9), 645(2010).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Dagotto, E. Complexity in strongly correlated electronic systems. Science. 309, 257-262 (2005).
  5. 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).
  6. Fernandes, R., Chubukov, A., Schmalian, J. What drives nematic order in iron-based superconductors. Nature Physics. 10 (2), 97(2014).
  7. 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).
  8. Stillwell, E., Skove, M., Davis, J. Two “Whisker” Straining Devices Suitable for Low Temperatures. Review of Scientific Instruments. 39 (2), 155-157 (1968).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Hicks, C. W., et al. Strong increase of Tc of Sr2RuO4 under both tensile and compressive strain. Science. 344 (6181), 283-285 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Steppke, A., et al. Strong peak in T c of Sr2RuO4 under uniaxial pressure. Science. 355 (6321), 133(2017).
  18. Yim, C. M., et al. Discovery of a strain-stabilised smectic electronic order in LiFeAs. Nature Communications. 9 (1), 2602(2018).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Zhang, Y., et al. Symmetry breaking via orbital-dependent reconstruction of electronic structure in detwinned NaFeAs. Physical Review B. 85 (8), 085121(2012).
  22. 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).
  23. Iida, K., et al. Strong T c dependence for strained epitaxial Ba(Fe1-xCox)2As2 thin films. Applied Physics Letters. 95 (19), 192501(2009).
  24. 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).
  25. Iida, K., et al. Hall-plot of the phase diagram for Ba(Fe1−xCox)2As2. Scientific Reports. 6, 28390(2016).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. He, M., et al. Dichotomy between in-plane magnetic susceptibility and resistivity anisotropies in extremely strained BaFe2As2. Nature Communications. 8 (1), 504(2017).
  30. Engelmann, J., et al. Strain induced superconductivity in the parent compound BaFe2As2. Nature Communications. 4 (2877), 2877(2013).
  31. Berger, A. D. N., et al. Temperature Driven Topological Switch in 1T’-MoTe2 and Strain Induced Nematicity in NaFeAs. , Columbia University. Doctoral dissertation (2018).
  32. Böhmer, A., et al. Effect of biaxial strain on the phase transitions of Ca(Fe1−xCox)2As2. Physical Review Letters. 118 (10), 107002(2017).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Enayat, M., et al. Real-space imaging of the atomic-scale magnetic structure of Fe1+yTe. Science. 345 (6197), 653-656 (2014).
  36. 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).
  37. 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. , arXiv:1008.1448 (2010).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Scanning Tunneling MicroscopieSpin gepolariseerde STMIJzertellurideBeeldvorming met atomaire resolutie4DA transformatieTweelingsdomeingrensIntegratie van strain apparatenVariabele temperatuur STM

Gerelateerde artikelen