Yöntem makalesi

Soy Uniaxial manipülasyon bir Spin polarize tarama mikroskop tünel kullanarak Fe1 +YTe Antiferromagnetic etki alanlarının görüntülenmesi

DOI:

10.3791/59203

⸱

24 Mart 2019

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

Bu makalede

Özet

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

Uniaxial zorlanma kullanarak spin polarize tarama tünelleme mikroskobu ile birlikte, biz görselleştirmek ve Fe antiferromagnetic etki alanı yapısını işlemek1 + yTe, demir-esaslı süper iletkenler üst bileşik.

Özet

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

Macera ilişkili elektronik sistemleri anlamak için yeni deneysel teknikleri ve yöntemleri geliştirme yönünde deneysel ölçümler sınırlarını itti vardır. Burada bizim değişken sıcaklık controllably uçak-uniaxial zorlanma örneklerinde işlemek ve Atom ölçeğinde elektronik onların yanıt sonda bize sağlar tünelleme mikroskobu tarama içine entegre bir roman ev yapımı uniaxial zorlanma aygıtı kullanın. Tünelleme mikroskobu (STM) spin-polarizasyon teknikleri ile tarama kullanarak, biz antiferromagnetic (AFM) etki alanları ve Fe1 +yTe örnekleri, demir-esaslı süper iletkenler, üst bileşik atom kendi yapısında görselleştirmek ve nasıl bu etki alanlarına uygulanan uniaxial zorlanma için tepki göstermektedir. AFM etki unstrained örneğinde, ortalama etki alanı boyutunu ~ 50-150 çift yönlü gözlemlemek nm, uygulanan uniaxial baskı altında bir tek tek yönlü etki alanına geçiş. Burada sunulan bulgular STM yanı sıra diğer spektroskopik teknikleri, kuantum malzeme sistemlerinde kırma simetri inducing gelince elektronik özellikleri ayarlamak için her ikisi de değerli bir ayarlama parametre kullanmak için yeni bir yön açın.

Giriş

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

Yüksek sıcaklık üstüniletkenlik cuprates ve demir tabanlı süperiletkenler kuantum madde1,2ilginç bir durumdur. (Dönme ve çevirim simetri elektronik devletlerin break) elektronik nematik ve smectic aşamaları, ile gibi çeşitli kırık simetri durumları yerel olarak iç içe doğası anlayış üstüniletkenlik içinde büyük bir sorun olduğunu üstüniletkenlik3,4,5,6,7. Manipülasyon ve kasıtlı bu kırık simetri ülkelerin ayarlama anlama ve süperiletkenlik kontrol doğru önemli bir hedefi var.

Kontrollü zorlanma, hem uniaxial hem de biaxial, yoğun madde sistemleri8,9,10,11,12toplu elektronik Amerika'da ayarlamak için köklü bir tekniktir, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Bu temiz tuning, kimyasal doping aracılığıyla bozukluk giriş, yaygın olarak deneyler çeşitli toplu elektronik özellikleri23,24,25,26 ayarlamak için kullanılır . Örneğin, uniaxial basınç üstüniletkenlik Sr2RuO413 ve cuprates27 ve manyetik, yapısal ve nematik faz geçişleri demir-esaslı süper iletkenler, üzerinde büyük bir etkisi kanıtlamıştır 10 , 14 , 28 , 29 ve son zamanlarda SmB624topolojik Birleşik ayarlama gösterilmiştir. Ancak, zorlanma STM ve açı çözüldü photoemission spektroskopisi (ARPES), gibi yüzey duyarlı teknikleri kullanımı in situ yetiştirilen sınırlıdır içinde ince filmler eşleşmeyen yüzeylerde26,30olmuştur. Yüzey duyarlı deneylerde tek kristalleri süzün uygulamak ile büyük sorun ultrahigh vakum (UHV) gergin örneklerinde ayırmak gerek olduğunu. Son birkaç yıl içinde alternatif bir yön piezo yığınları9,10,18,31 veya termal genleşme19 farklı katsayıları ile plakalar ince bir örnek epoksi olmuştur ,32. Henüz her iki durumda da, uygulanan yük büyüklüğü oldukça sınırlıdır.

Burada araştırmacılar bir örnek (basınç zorlanma) kısıtlamalar olmadan süzün ve aynı anda STM kullanarak, yüzey yapısını görmenize olanak sağlayan bir roman mekanik zorlanma uniaxial aygıt kullanımını gösterir (bkz. şekil 1). Örnek olarak, kullandığımız tek kristalleri Fe1 +yTe, nerede y = 0,10, (i ise aşırı demir konsantrasyonu) demir chalcogenide süper iletkenler üst bileşik. ~ 60 K, Fe1 +yTe geçişleri yüksek sıcaklık paramagnetic durumundan bir bicollinear şerit manyetik sipariş26,33 düşük sıcaklık antiferromagnetic durumuyla = TN altında ,34 (bkz. şekil 3A, B). Manyetik geçiş daha fazla yapısal bir geçiş tarafından tetragonal monoclinic26,35' e eşlik ediyor. Uçak-AFM sipariş uzun b-yönünü Ortorombik yapısı34işaret spin yapısı ile detwinned etki alanları oluşturur. Spin polarize STM AFM siparişle görüntülenmesi tarafından çift yönlü etki alanı yapısını unstrained Fe1 +yTe örneklerinde yoklama ve uygulanan baskı altında tek bir büyük etki alanına kendi geçiş gözlemlemek (bkz: şematik Şekil 3 C-E). Bu deneylerin başarılı yüzey tarama tünel mikroskopla örnek ve yüzey yapısını aynı anda görüntüleme fizyon burada anlatılan zorlanma uniaxial aygıtı kullanarak tek kristalleri ayarlama göster. Şekil 1 şematik çizimler ve resimler mekanik zorlanma cihazın gösterir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

Not: U şeklinde vücut 416-kalite paslanmaz çelik, sert ve Genleşme (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), ~17.3 μm/(m∙°C) 304 kalite paslanmaz çelik için ile karşılaştırıldığında düşük katsayısı olduğu yapılır.

1. mekanik zorlanma uniaxial aygıt

  1. U şekilli aygıt, (1-72 inç başına 72 rotasyonu için karşılık) mikrometre vida, Belleville bahar diskleri ve taban plakası onları ayrı ayrı sonicating aseton içinde ilk ve daha sonra da isopropanol, her, 20 dk için temiz bir ultrasonik banyo sonicator içinde. Bu herhangi bir yabancı maddelerin/parçacıklar kaldırır. Bu işlem mahallede yapılmalıdır.
  2. Onları herhangi bir su kalıntısı kurtulmak için ve degas için 15-20 dakika fırında pişirin.
  3. Keskin bir ustura, bir optik mikroskop altında kesilmediğini gözleyerek kullanılarak Fe1 +YTe örnek boyutu için yani 1 x 2 x 0.1 mm kesme.
  4. Şekil 1 ciçinde gösterildiği gibi birlikte parçaları birleştirmek, ilk paneli. Açılış U içinde 1 mm ve daha küçük ayarlanabilir veya mikrometre vida çifti tarafından büyük cihazın iki tarafında bulunan.

2. baskı uygulanması

  1. İki ayrı yemekleri, mix gümüş epoksi (H20E) ve nonconductive epoksi epoksi bilgi formu talimatlara göre (H74F).
  2. U şekilli cihazda elektrik kişi oluşturma ve Fe1 +yTe örnek b-ekseni boyunca odaklı uzun ekseni ile örnek (1 mm x 2 mm ~0.1 mm x bir büyüklükte) monte gümüş epoksi (H20E) ince bir tabaka uygulayın , üstünde tepe-in belgili tanımlık aygıt, şekil 1 ciçinde gösterildiği gibi 1 mm boşluk arasında. Bir konveksiyon fırın, cihazın 120 ° C'de 15 dakika pişirin
  3. Böylece örnek sıkıca aygıtta desteklenen nonconductive epoksi ile örnek iki tarafı koru. 100 ° C'de 20 dk pişirin
    1. Bir optik mikroskop kullanarak, tüm açılardan farkı ile örnek kenarlarına paralel bir hizalamasını denetlemek için örnek konumunu inceleyin.
    2. İsteğe bağlı olarak, yer boşluk içinde örnekleri ve H20E ve H74F epoksi (şekil 1 c) tarafından uygulanan.
  4. Bir optik mikroskop altında örnek yüzeyinin kesilmediğini gözleyerek mikrometre vida döndürerek basınç gerilim uygulanır.
    Not: Burada bir 50 ° yük uygulanan, ama bu örnek için uygulanacak yük miktarına bağlı olarak değiştirilebilir. Basınç için örnek Belleville bahar diskleri bir dizi tarafından aktarılır. Hiçbir çatlak veya basınç uygulandıktan sonra örnek bükme olmalıdır.
  5. Cihazın taban plakası üzerine şekil 1Badımında gösterildiği gibi boş ver.
    1. Örnek ve plaka arasında elektriksel temas oluşturmak için U şeklinde aygıt üzerine taban plakası üzerinden gümüş epoksi (H20E) ince bir tabaka uygulayın. 120 ° C'de 15 dakika pişirin Bir multimetre kullanarak elektriksel temas ölçmek.
    2. İnce bir tabaka halinde H74F nonconducting epoksi kullanarak, bir alüminyum sonrası (numune olarak aynı boyutta) gergin örnek, a-b sıyırmada uçağın dikey üzerine tutkal. Epoksi tedavi kadar monte aygıt için 20 dk pişirin.

3. tarama tünelleme mikroskobu kafasına cihazın devri

  1. Örnek ve posta yoluyla depoya analiz Odası'na tünelleme mikroskobu tarama değişken sıcaklık, ultrahigh vakum ile boyama cihazı veri aktarımı (bkz. şekil 2A).
  2. Bir kol manipülatör kullanarak, knock off oda sıcaklığında taze cleaved bir yüzey ortaya çıkarmak için ultrahigh vakum alüminyum sonrası.
  3. Hemen in situ olarak 9 K. aşağı soğutmalı (bkz. şekil 2B) mikroskop baş, 9 K. tüm deneyler yürütmek manipülatörler tarama tünel mikroskop odası ve sisteminizi başka bir set ile cihazı (gergin örnek ile) veri aktarımı
  4. Sonraki adımları da taşıyan önce gece sakin örnek sağlar.

4. taşıyan STM deneyler

  1. Pt-IR ipuçları her deneme önce alan emisyon fışkırtması ve tavlama birkaç tur ile tedavi edilmiş bir Cu (111) yüzeyi hazırlayın.
  2. Harici bir denetleyici tarafından mikroskop piezoelektrik malzemelerinde ucu ile hizalamak için örnek sahne hareket uygulanan gerilim kullanarak sonra örnek yaklaşan tarafından izleyin.
  3. İpucu birkaç Å uzakta olduğunda örnek ve tünel geçerli osiloskop, al topographs farklı setpoint önyargıları ve setpoint akımları üzerinde kaydedilir.
    Not: Tarama tünel mikroskop üretici tarafından sağlanan denetleyicisi ve yazılım tarafından kontrol edilir. Mikroskop çalışması için kullanıcı el kitabı/tutorials (http://www.rhk-tech.com/support/tutorials/) bakınız.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

STM topographs sabit geçerli modu-12 meV örnek ve bir setpoint uygulanan bir setpoint önyargı ile ölçülen-1.5 olarak nA ucunda toplanan. PT-IR ipuçları tüm deneylerde kullanılıyordu. Spin polarize STM elde etmek için hangi-ebilmek var olmak oldukça zor manyetik atomları ile kaplı olması tarama tünel mikroskop ucu vardır. Bu durumda Fe1 +yTe okuyan örnek kendisi bu ulaşmak için basit bir yol sağlar. Aşırı demirleri (y Fe1 +y...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Örnekleri içine ve STM içinde taşımak için gerekli tüm işlemleri kol manipülatörler kümesi kullanılarak yapılır. STM düşük sıcaklıklarda sıvı azot ve sıvı helyum tarafından korunur ve yaklaştı önce örnek için en az 12 h soğur. Bu örnek ve mikroskop sıcaklık termal denge ulaşmak sağlar. Elektrik ve Akustik gürültü izole için STM bir akustik ve radyo frekansı korumalı Oda yer alıyor. Mikroskop kafa daha fazla en iyi duruma getirilmiş enstrümantal istikrar için yaylar gelen bekletilir. Örnek sahne 1 mm gergin örnekleri, far...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

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

PA No destek üzerinden ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) kariyer Ödülü altında kabul eder DMR-1654482. Malzeme sentezi Polonya Ulusal Bilim Merkezi grant Hayır 2011/01/B/ST3/00425 desteği ile gerçekleştirilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Belleville yaylı disklerMcMaster Carr
Fe(1.1)TeTek Kristal
H20EEpoksi Teknolojisi
H74FEpoksi Teknolojisi
Mikrometre vidalarıMcMaster Carr
Paslanmaz Çelik levhalar (416)McMaster Carr

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Taramal T nelleme MikroskopisiSpin polarize STMDemir Tell rAtomik z n rl kl G r nt leme4D Fourier D n mkiz Alan S n rGerinim Cihaz EntegrasyonuDe i ken S cakl kl STM

İlgili makaleler