Методическая статья

Визуализация одноосная деформация манипуляции антиферромагнетике доменов в Fe1 +YTe с помощью спин поляризованных сканирование туннельный микроскоп

DOI:

10.3791/59203

⸱

24 марта 2019 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

С помощью одноосная деформация в сочетании с вращательно поляризованный сканирующий туннельный микроскопии, мы визуализировать и управлять антиферромагнетике доменной структуры Fe1 + yTe, родитель соединения на основе железа сверхпроводников.

Аннотация

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

Стремление понять коррелированных электронных систем подтолкнуло границ экспериментальных измерений к развитию новых экспериментальных методов и методологий. Здесь мы используем роман построен дом одноосная деформация устройство интегрированы в нашей переменной температуры, сканирующий туннельный микроскоп, который позволяет нам controllably манипулировать в плоскости одноосные штамм в образцах и зондировать их электронный ответ на атомной шкале. С помощью сканирующей микроскопии (СТМ) туннелирования с методами спин поляризации, мы визуализируем антиферромагнетике (AFM) доменов и их атомной структуры в Fe1 +yTe образцов, родитель соединения на основе железа сверхпроводников, и продемонстрировать, как эти домены реагировать прикладной одноосная деформация. Мы наблюдаем двунаправленный AFM доменов в образце нефильтрованное, с среднем домена Размер ~ 50-150 Нм, для перехода в один домен однонаправленный под прикладной одноосная деформация. Представленные здесь выводы открыть новое направление использовать ценный Настройка параметра STM, а также другие спектроскопические методы, как для настройки электронных свойств как заставить симметрии в квантовых систем и материалов.

Введение

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

Высокотемпературной сверхпроводимости в купратов и на основе железа сверхпроводников является интригующей государством Квантовая вопрос1,2. Серьезной проблемой в понимании сверхпроводимости является локально взаимосвязанный характер различных государств нарушенной симметрией, например электронные нематические и smectic фаз (которые нарушают вращательное и поступательное симметрии электронных состояний), с Сверхпроводимость3,4,5,6,7. Манипуляции и преднамеренное тюнинг этих государств нарушенной симметрией является ключевой задачей сторону понимание и управление сверхпроводимости.

Контролируемые штамм, одноосные и двухосных, является устоявшейся техника для настройки коллективные электронных состояний в конденсированных систем8,9,10,11,12, 13,14,,1516,,1718,19,20,21, 22. Этот чистый тюнинг, без введения расстройства через химические допинг, широко используется в различного рода экспериментов настроиться массовых электронных свойств23,24,25,26 . К примеру одноосные давление оказался иметь огромное влияние на сверхпроводимость в Sr2Руо413 и27 купратов и структурных, магнитные и нематические фазовых переходов на основе железа сверхпроводников 10 , 14 , 28 , 29 и было недавно продемонстрировано в тюнинг топологических государства SmB624. Однако использование штамма в поверхности чувствительных методов, таких как СТМ и угол решена фотоэлектронная спектроскопия (ARPES), была ограничена в situ выросли тонких пленок на несоответствующие субстратов26,30. Основная проблема с применением штамм монокристаллов в поверхности чувствительных экспериментов является необходимость прилепится напряженными образцы в сверхвысокого вакуума (СВВ). В последние несколько лет альтернативное направление стало эпоксидной тонкий образец на пьезо стеки9,10,18,31 или пластин с разными коэффициентами теплового расширения19 ,32. Тем не менее в обоих случаях масштабы прикладной штамм весьма ограничены.

Здесь мы продемонстрировать использование Роман механическое устройство одноосные штамм, который позволяет исследователям деформации образца (сжимающей нагрузки) без ограничений и одновременно визуализировать его структура поверхности с использованием STM (см. Рисунок 1). В качестве примера, мы используем монокристаллов Fe1 +yTe, где y = 0,10, родитель соединения железа халькогенида сверхпроводников (y является концентрация избыток железа). Ниже TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe переходит от высокой температуры парамагнитных государства в низкотемпературных антиферромагнетике состояние с bicollinear полосой магнитные порядка26,33 ,34 (см. рис. 3а, B). Магнитные перехода далее сопровождается структурного перехода от тетрагональная моноклинная26,35. Порядок в плоскости AFM образует detwinned домены с структуре спин, указывая вдоль оси b длинные ромбическая структуры34. Посредством визуализации AFM порядок с вращательно поляризованный STM, мы зонд двунаправленный доменной структуры в нефильтрованное Fe1 +yTe образцов и наблюдать их перехода в один большой домен под прикладной штамм (см. чертеж в Рисунок 3 C-E). Эти эксперименты показывают успешное поверхности тюнинг монокристаллов с использованием устройства одноосная деформация, представленные здесь, рассекая образца и одновременные снимки поверхности структуры с сканирующий туннельный микроскоп. Рисунок 1 показывает схематические чертежи и фотографии устройства механической деформации.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Примечание: U-образный корпус изготовлен из 416-нержавеющей стали, который является жесткой и имеет низкий коэффициент теплового расширения (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), по сравнению с ~17.3 μm/(m∙°C) для 304-нержавеющей стали.

1. механическое устройство одноосная деформация

  1. Очистить устройство U-образный, Микрометр винты (1 – 72 соответствующий 72 ротаций на дюйм), весной Диски тарельчатые и основание, sonicating их отдельно в ацетоне сначала и затем в изопропаноле, по 20 минут каждый, в ультразвуковой ванне sonicator. Это удаляет любые примеси/частицы. Этот процесс должен осуществляться в капюшоне.
  2. Запечь их в духовке на 15 – 20 минут, чтобы избавиться от остатков воды и Дега.
  3. Используя острые лезвия, отметив под оптическим микроскопом, вырезать Fe1 +YTe для образца размер, а именно: 1 x 2 x 0,1 мм.
  4. Соберите части вместе, как показано на рисунке 1 c, первый панели. Открытие внутри U 1 мм и может быть настроена в небольших или крупных парой винтов микрометра расположенных на боковых сторонах устройства.

2. применение штамма

  1. В двух отдельных блюд Смешайте безабразивный эпоксидные (H74F) согласно инструкции на листе данных эпоксидной и серебряные эпоксидных (H20E).
  2. На устройстве U-образный Нанесите тонкий слой серебра эпоксидная (H20E) для создания электрического контакта и монтировать (образец размером 1 х 2 мм x ~0.1 мм) с его длинной оси, ориентированный вдоль оси b Fe1 +yTe образца , на верхней части устройства, через зазор 1 мм, как показано на рисунке 1 c. В конвекционной печи выпекать устройство для 15 мин при температуре 120 ° C.
  3. Покрывают обе стороны образца с безабразивный эпоксидной, так что образец твердо поддерживается на устройстве. Выпекать 20 минут при 100 ° C.
    1. С помощью оптического микроскопа, изучите позицию выборки из всех углов для проверки параллельных выравнивание сторон образца с разрыв.
    2. При необходимости место образцы в разрыв и исполняются эпоксидной H20E и H74F (рис. 1 c).
  4. Под оптическим микроскопом примените сжимающие напряжения, повернув Винт микрометра соблюдая поверхности образца.
    Примечание: Здесь мы применили штамм 50°, но это может быть изменено в зависимости от количества напрягаться, чтобы применяться к образцу. Давление передается образца серии тарельчатые пружины дисков. Там должно быть без трещин или изгиба образца после того, как применяется давление.
  5. Винт устройства на основание, как показано на рисунке 1B.
    1. Нанесите тонкий слой серебра эпоксидная (H20E) от базовой пластины на U-образной устройство для создания электрического контакта между образцом и пластины. Запекать 15 мин при температуре 120 ° C. Измерения электрического контакта с помощью мультиметра.
    2. Используя тонкий слой H74F непроводящей эпоксидной, клей алюминий пост (такого же размера как образца) на образце напряженными, перпендикулярно плоскости расщепления a-b. Выпекайте собрал устройство за 20 мин до отверждения эпоксидной.

3. Передача устройства сканирующий туннельный микроскоп голову

  1. Передача окрашивание устройство с образца и пост через док загрузки переменной температура, сверхвысокого вакуума, сканирующий туннельный микроскоп, в палату анализа (см. рис. 2а).
  2. Используя манипулятор arm, сбить алюминия пост в сверхвысокого вакуума при комнатной температуре, подвергать свежезаваренным рассеченного поверхности.
  3. Немедленно перевести устройство (с напряженными образца) на месте с другим набором манипуляторов сканирования туннельный микроскоп палату и к Микроскоп головы (см. рис. 2B), которые остынет до 9 K. выполнять все эксперименты в 9 K.
  4. Разрешить образец, чтобы охладить вниз ночь перед выполнением следующих шагов.

4. проведение экспериментов STM

  1. Подготовьте Pt-Ir советы до каждого эксперимента, полевой эмиссией на поверхности Cu (111), которая была обработана с нескольких раундов распыления и отжига.
  2. Использование напряжения пьезоэлектрические материалы в Микроскоп на внешний контроллер, переместите образец этап для выравнивания с кончика, затем следуйте путем причаливать образца.
  3. После того, как кончик пера находится несколько Å прочь от образца и туннелирование текущей зарегистрирован на осциллограф, взять topographs на различные уставки предубеждения и уставки токов.
    Примечание: Сканирующий туннельный микроскоп контролируется Производитель предоставляемых контроллер и программное обеспечение. Для работы микроскопа пожалуйста, обратитесь к руководство пользователя/обучающие программы (http://www.rhk-tech.com/support/tutorials/).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

STM topographs были измерены в постоянном токе с уклоном setpoint МЭВ-12, применяется к образца и уставок тока -1.5 nA собранные на кончике. PT-Ir советы были использованы в всех экспериментов. Для достижения вращательно поляризованный STM, кончик туннельный микроскоп сканирования должно быть покрыты с магнитных атомов, который может быть довольно сложной задачей. В этом случае изучения Fe1 +yTe, сам образец предоставляет простой способ достижения этой цели....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Все операции, необходимые для перемещения образцы в и внутри STM осуществляется с помощью наборов руку манипуляторов. STM поддерживается при низких температурах жидкого азота и жидкого гелия, и образец охлаждает вниз для по крайней мере 12 h до подходили. Это позволяет температуры образца и микроскоп для достижения теплового равновесия. Для изоляции электрических и акустических шумов, STM помещается в акустической и обслуживание радио частоты экранированный. Микроскоп головы далее отстранен от пружины для оптимизированны...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

П.а. признает поддержку от Фонда национальной науки США (NSF) карьеру под награду нет DMR-1654482. Материал синтез был осуществлен при поддержке польского национального научного центра гранта No 2011/01/B/ST3/00425.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Тарельчатые пружинные дискиMcMaster Carr
Fe(1.1)TeМонокристалл
H20EЭпоксидная технология
H74FЭпоксидная технология
Микрометрические винтыMcMaster Carr
Листы нержавеющей стали (416)McMaster Carr

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

4D

Похожие статьи