Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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
- 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.
- Bak ze in de oven gedurende 15-20 minuten om zich te ontdoen van alle water residuen en ontgas.
- 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.
- 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
- Meng in twee aparte gerechten, zilveren epoxy (H20E) en nonconductive epoxy (H74F) volgens de aanwijzingen op de epoxy data sheet.
- 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.
- 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.
- 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.
- Desgewenst plaats monsters binnen de kloof en afgedwongen door H20E en H74F epoxy (Figuur 1 c).
- 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. - Schroef het apparaat op de grondplaat zoals weergegeven in figuur 1B.
- 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.
- 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
- 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).
- Met behulp van een manipulator arm, kloppen uit de aluminium post in met vacuüm bij kamertemperatuur, een vers gekloofd oppervlak bloot te stellen.
- 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
- Toestaan dat de steekproef afkoelen 's nachts voordat u de volgende stappen uitvoert.
4. uitvoering van de STM-experimenten
- 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.
- 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.
- 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/).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 te bereiken. De overtollige strijkijzers (y in Fe1 +yTe) worden zwak aan het gekloofd oppervlak gebonden. Scannen van de tip op een lage bias en met een hoog genoeg stroomsterkte van meer dan een paar nanoamperes brengt de tip in nabijheid van deze Fe-atomen en een paar van die atomen kunnen worden opgepikt door de tip36. De andere methode die resulteert in een spin-gepolariseerde tip wordt door de snelle daling van de monster-tip scheiding totdat contact wordt gemaakt (op de locatie van overtollige ijzer-concentratie) als gemeten door een huidige verzadiging. Tijdens het proces, de overmaat irons bond op de tip. De succesvolle voorbereiding van een spin-gepolariseerde tip is geopenbaard door de magnetische contrast in de topografie, waarvan periodiciteit twee keer die van de rooster-constante van top telluur atomen is. Deze extra modulatie is de antiferromagnetic volgorde in het monster, zoals besproken verder hieronder.
Figuur 4A toont een 10 nm atomaire-topografische resolutiebeeld opeen ongedwongen Fe 1 +yTe één kristal met een lepelbladen scanning tunneling microscoop tip. De atomaire structuur gezien komt overeen met de Te-atomen, die na het splijten van het monster worden blootgesteld (Zie figuur 3A). De Fourier-transformatie (FT) van de topografie toont vier scherpe pieken op de hoeken van de afbeelding langs de a - en b-richtingen, met het label qTeeen en qTeb, die corresponderen met de atomaire Bragg pieken. De centrale breed piek in de FT komt overeen met lange golflengte heterogeniteit, die is niet relevant voor de huidige studie. Figuur 4C toont een andere topograph van de zelfde grootte zoals in figuur 4A, verkregen met een magnetische tip. Unidirectionele strepen met een periodiciteit van tweemaal dat van het lattice langs de a-as in acht worden genomen. De FT van de topograph te zien in Figuur 4 d laat zien, naast de Bragg pieken, een nieuw paar satelliet pieken bij QAFM1, overeenkomt met de helft de Bragg piek momenta en, derhalve, tweemaal de reële ruimte golflengte. De nieuwe structuur komt overeen met de volgorde van de stripe AFM van de Fe-atomen net onder het oppervlak.
Van deze ontspannen steekproef is het niet moeilijk om te observeren twin domeingrenzen waar de kristalstructuur met het lange b-as en de begeleidende AFM stripe volgorde 90° draaien. Figuur 4E toont een 25 nm spin-gepolariseerde topograph van een AFM twin domein grens. De FT van de afbeelding bevat nu twee paren van AFM bestelling (gemarkeerd met groene en gele cirkels). Elk magnetische domein bijdraagt tot slechts een paar van de QAFM pieken in de FT. Om te visualiseren dit duidelijk, we Fourier-gefilterd elk paar AFM pieken en inversed FT terug naar de reële ruimte. De resultaten worden weergegeven in Figuur 4 gH markeren de twee unidirectionele stripe domeinen.
Dus, we studeerde de domeinstructuur en de grenzen aan de oppervlakte op grote schaal. Figuur 5A, figuur 6Aen 7A van de figuur weergeven grootschalige topographs op drie verschillende ongedwongen monsters verspreid over een totale regio van iets meer dan 0,75 µm x 0,75 µm. Verschillende kleinere ingezoomd-in topographs staan ook wil de stripe-structuur. De topographs worden genomen met een hoge ruimtelijke resolutie (1024 x 1024 pixels per 0.25 µm2) dat de Fourier filteren en inverse Fourier transform analyse op de grote schaal. De overeenkomstige domeinstructuren en de grenzen zijn weergegeven in figuur 5B, Figuur 6 cen Figuur 7 H. Globaal, verscheidene alternerende stripe domeinen worden waargenomen op de over het algemeen gelijk terreinen, zoals verwacht voor deze ontspannen monsters. Het is belangrijk op te merken dat op deze grote schaal het oppervlak over het algemeen succesvol vlak, is nog een paar verschillende structurele onregelmatigheden, zoals gebreken van de lijn (figuur 5A) en atomaire trappen (figuur 7A), kunnen worden waargenomen. De streep domeinen worden niet beïnvloed door deze onregelmatigheden.
Vanaf hier verhuisd we naar het gespannen monster. Figuur 8 toont een grootschalige topograph, verspreid over een totale regio ~1.75 µm x 0,75 µm, die meer dan twee keer de totale oppervlakte is overspannen in de ongedwongen monsters weergegeven in Figuur 5en Figuur 6 afbeelding 7. In schril contrast toont de FT voor elke topograph slechts een paar van AFM pieken met vermelding van slechts één domein van deze gespannen steekproef. Dit kan verder worden gevisualiseerd door de analyse van de Fourier-gefilterd iFT bevestiging van het domein één streep over het hele gebied. Nogmaals, is de unidirectionele stripe-volgorde niet te worden beïnvloed door de verschillende oppervlakte onregelmatigheden in deze gespannen monster.
Figuur 1: stam apparaat. (A) schema van het apparaat van de stam. Het U-vormige apparaat heeft twee micrometer schroeven voor de compressie (1) en (2) de uitbreiding van het apparaat kloof gebied. Het monster kan worden beperkt binnen de kloof zoals weergegeven in figuur panelen A en C of op de top van de kloof, zoals wordt weergegeven in figuur panelen A en B. Een combinatie van H20E en H74F epoxy's zijn toegepast op het monster en genezen bij 100 ° C. Zodra de epoxy op het monster is genezen, is een post van over de dezelfde oppervlakte als die van het monster epoxied op van het monster oppervlak met behulp van H74F. (B) de feitelijke installatie van het apparaat van de stam, met een top uitzicht, vooraanzicht en een zoom-in van het monster. Het apparaat is geschroefd om een monsterhouder die dia's in het hoofd van de Microscoop. Een contactpersoon wordt gemaakt met behulp van geleidende epoxy van het apparaat naar de monster-plaat. De overdracht van druk is ingeschakeld met behulp van een schroef en een reeks van Belleville voorjaar schijven. Het laatste deelvenster van B toont de stam apparaat instellen, klaar om te worden verplaatst naar de UHV analyse kamer. (C) een alternatieve methode is om een monster in de kloof van de stam-apparaat. In de twee middelste panelen van C, is een tweede monster van ongedwongen epoxied op het apparaat voor referentie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: Scanning tunneling microscoop setup. (A) de scanning tunneling microscoop setup. De Microscoop wordt geplaatst in een akoestische kamer, die is beschermd tegen radio-frequentie (RF) ruis. (B) het hoofd van de microscoop met een kale monsterhouder. De Pt/Ir-tip is zichtbaar. De monster-fase kan worden verplaatst door een aantal piezo actuatoren, zodat het monster boven de tip klopt. (C) de Microscoop hoofd wordt binnen twee straling schilden geplaatst. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: Fe1 +yTe kristalstructuur. (A) de kristalstructuur van FeTe met de bovenste laag weergegeven: de telluur-atomen. De rode gestippelde lijnen schetsen de drie-eenheid-cellen. (B) een reële-ruimte Schematische illustratie van de atomaire eenheidscel (rode vaste lijn) en de magnetische structuur (zwarte ononderbroken lijn) van FeTe. De magnetische wavevector λafm is twee keer de atomaire afstand tussen Te-Te atomen. De pijlen op de Fe atomen geven de oriëntaties van de spin. (C) Schematische schematische weergave van de AFM twin domeinen die vormen als koeling, door middel van de structurele overgang van tetragonale aan monoklien op ~ 60 tot 70 K, met een gelijke bevolking van de twee domeinen. (D) de reactie van de detwinning proces, wanneer een merkbare hoeveelheid spanning wordt toegepast op de b-as (zwarte pijlen) met één domein verbeterd (rood) en het andere domein afgenomen (blauw). (E) A complete detwinned domein, waardoor slechts één enkel domein. (F-H) De FT van de reële ruimte in panelen C-E. De QAFM1 pieken komen overeen met de rode domeinen van reële-ruimte, en de QAFM2 pieken komen overeen met de blauwe domeinen. Het lattice Bragg pieken worden aangeduid als zwarte stippen op de hoeken van de afbeelding. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: Unidirectioneel modulatie van ongedwongen Fe1 +yTe. (A) A 10 nm x 10 nm topograph van de structuur van de atomic rooster van Fe1 +yTe met geen magnetische contrast. (B) de FT van paneel A, tonen de Bragg pieken op de hoeken van de beelden (zwarte cirkels). (C) A 10 nm x 10 nm topograph van de magnetische structuur van Fe1 +yTe, gemeten met behulp van een spin-gepolariseerde tip. De unidirectionele strepen langs de a-as correspondeert met pieken verschijnen op QAFM1 = qTeeen/2 in de FT, zoals wordt weergegeven in het deelvenster D. (E) A 25 nm x 25 nm topografische beeld over de grens van een twin-domein. (F) FT van paneel E, tonen de twee sets van pieken QAFM1 en QAFM2. (G) Inverse Fourier transform (iFT) van de pieken van de QAFM1 van deelvenster F. De rode kleur komt overeen met de hoge intensiteit van de QAFM1 toppen. (H) iFT van de pieken van de QAFM2 van deelvenster F. De grens domein verschilt duidelijk van de afbeeldingen wordt weergegeven in de deelvensters G en H. De inverse Fourier filtermethode hanteert in latere cijfers voor het identificeren van de verschillende domeinen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: Imaging twin domeinen in ongedwongen Fe1 +yTe. (A) een 0,75 µm x 0,25 µm topografische afbeelding toont twin grenzen. De gegevens overgenomen in drie aangrenzende topografische beelden, elk 0,25 µm x 0,25 gebruiken iFT µm. (B), de domeingrenzen zijn duidelijk zichtbaar. (C--E) Zoom-ins van de beelden die zijn gemarkeerd met een (X) en een geel uitdrukkingsloos gestippelde vak worden weergegeven met gekleurde, gemarkeerde, gestippelde vakken rond de grenzen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: Imaging meerdere domeinen van ongedwongen Fe1 +yTe. (A) een 0.10 µm x 0,10 µm topografische beeld van een ongedwongen Fe1 +yTe. (B) de FT van paneel A, die pieken in beide richtingen, namelijk QAFM1 en QAFM2toont. (C) de iFT afbeelding van paneel A, met vermelding van de verschillende domeinen. (D en E) Zoom-ins van de gemarkeerde gele - en oranje-gestippelde vakken in deelvenster A. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: Imaging twin domeinen van ongedwongen Fe1 +yTe. (A) topografische beelden verspreid over een oppervlakte van 0,75 µm x 0,5 µm. (B-D) lijn bezuinigingen van de topograph genomen over de zwarte, paarse en groene pijlen in het deelvenster een. (E--G) Zoom-in van de gemarkeerde velden in de groene, bruine en gele (X) merken in deelvenster A. (H) iFT van paneel A, tonen de twin-domeinen. De wit-gestippelde lijnen zijn de stap randen/grenzen. De domeinen zijn niet beïnvloed door deze structurele kenmerken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: Imaging detwinned domeinen in gespannen Fe1 +yTe. (A) A grote 1.750 µm x 0,50 µm topografie op een gespannen Fe1 +yTe steekproef genomen. (B en C) de FT van de twee grootste (0,50 µm x 0,50 µm) één topographs verwerven op een paar van AFM pieken in één richting. (D) de Fourier-filtering en iFT proces wordt toegepast op de beelden in deelvenster, waarin slechts één domein zoals verwacht. De stippellijn in deelvenster D is een stap die heeft geen invloed op het unidirectioneel domein. (E) A zoom-in van het gemarkeerde gebied in het geel (X) weergegeven: unidirectioneel strepen. (F) A zoom-in van paneel E, ook toont duidelijk de unidirectionele strepen van het detwinned monster. (G) de FT paneel E. De AFM pieken verschijnen alleen in één richting, die met de reële-ruimte structuur in het deelvenster E instemt. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 hoofd van de Microscoop wordt verder geschorst vanaf veren voor geoptimaliseerde instrumentale stabiliteit. Het werkgebied van de steekproef kan worden vertaald door enkele millimeters waarmee toegang tot verschillende delen van de monsters 1 mm gespannen.
Aangezien eenassige druk de tuning parameter in het experiment dat hier wordt beschreven is, is het noodzakelijk dat de thermische stress gegenereerd op basis van afkoeling niet rechtstreeks aan het monster wordt overgebracht. Hiervoor hanteren wij een reeks van Belleville voorjaar schijven. Met behulp van de werklast van de Belleville voorjaar schijven van 67 N, en de uitwijking op werklast van 50 µm, berekenen we de lente-constante voor elke schijf als k = 1.3 x 106 N/m, wat resulteert in een totale lente-constante van k = 1,625 x 105 N/m f of 4 paar veren in de serie. Dit zorgt ervoor dat de thermische stress op de steekproef door koeling met behulp van kamertemperatuur tot 4 K als minder dan 0,05% voor een toegepaste spanning van 1% en dus te verwaarlozen. In het experiment, draaien we de micrometer schroef van 50° bevindt die correspondeert met Δx = 50 µm. De kracht op het monster door de veren kan worden berekend als F = kΔx = 8 N. De druk is dus p = F/A = 8 N / (0.1 x 10-6 m2) = 0,08 GPa. Voor een Youngs modulus van 70 Gpa voor FeTe37, de toegepaste eenassige druk correspondeert met 0,1% stam.
Een belangrijke uitdaging bij de integratie van de stam-apparaten met de STM is de toepassing van druk zonder breken of scheuren in de steekproef in te voeren. Test experimenten op verschillende monsters van Bi-2212, Sr3Ru2O7en Fe1 +yTe hebben aangetoond dat, afhankelijk van de dikte van het monster, de monsters weerstaan stammen van maximaal ~0.8%-1.0%, overeenkomt met ~ 1 GPa van toegepaste druk. Geen aanwijzingen van scheuren op het oppervlak van de steekproef zijn waarneembaar onder deze waarde zoals visueel gezien door een optische Microscoop. Recent werk na dezelfde principes heeft succesvol gebleken voor de toepassing van ±1% spanning op Sr2RuO4 9.
Het succes van deze techniek ligt bij de zorgvuldige uitvoering van de juiste uitlijning van het monster door de kloof van 1 mm en de toepassing van de druk op het monster zonder breken of buigen van het. Een andere belangrijke overweging is het verbrijzelen proces, waardoor de blootstelling van een schone, vlakke ondergrond. Dit is een willekeurige proces en met name geschikt voor materialen die gemakkelijk te klieven. Een laatste overweging heeft een scherpe tip die opbrengsten van atomaire resolutie en sommige overtollige ijzer atomen om magnetische contrast kunt halen.
Kortom, de experimenten en de analyse beschreven hier met succes aantonen dat de opneming van onze stam apparaat met STM, bieden een nieuwe tuning parameter die in gecorreleerde elektron systemen onschatbaar in de studie van concurrerende bestellingen kan zijn. Het voordeel van het huidige apparaat is het brede scala van positieve en negatieve spanning die kan worden toegepast op het monster. Deze demonstratie mogelijk van invloed op andere spectroscopische experimenten zoals de CEVENNEN.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
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.
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.
- 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.
- 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. , Columbia University. Doctoral dissertation (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. , arXiv:1008.1448 (2010).
