NV-zentrierte Rastersondenmikroskopie im Antiferromagnetismus – Quantum Diamond NV-AFM-Anwendung

Was ist antiferromagnetisches Material?

 

Abbildung 1: Magnetische Momentanordnung in Antiferromagneten

 

Die gemeinsamen Eigenschaften von Eisen sind Ferromagnetismus, Ferroelektrizität und Ferroelastizität. Materialien mit zwei oder mehr Eiseneigenschaften gleichzeitig werden als multiferroische Materialien bezeichnet. Multiferroika haben normalerweise starke Eisenkopplungseigenschaften, d. h. eine Eiseneigenschaft des Materials kann eine andere Eiseneigenschaft modulieren, beispielsweise durch die Verwendung eines angelegten elektrischen Felds, um die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials zu modulieren und so die ferromagnetischen Eigenschaften des Materials zu beeinflussen. Es wird erwartet, dass solche multiferroischen Materialien die nächste Generation elektronischer Spingeräte darstellen. Unter diesen wurden antiferromagnetische Materialien umfassend untersucht, da sie eine gute Robustheit gegenüber dem angelegten Magnetfeld aufweisen.

 

Antiferromagnetismus ist eine magnetische Eigenschaft eines Materials, bei dem die magnetischen Momente antiparallel gestaffelt angeordnet sind und kein makroskopisches magnetisches Nettomoment aufweisen. Dieser magnetisch geordnete Zustand wird Antiferromagnetismus genannt. In einem antiferromagnetischen Material sind die Spins benachbarter Valenzelektronen tendenziell in entgegengesetzte Richtungen gerichtet und es wird kein Magnetfeld erzeugt. Antiferromagnetische Materialien sind relativ selten und die meisten von ihnen existieren nur bei niedrigen Temperaturen, wie z. B. Eisenoxid, Ferromanganlegierungen, Nickellegierungen, Seltenerdlegierungen, Seltenerdboride usw. Es gibt jedoch auch bei Raumtemperatur antiferromagnetische Materialien, wie z BiFeO3, das derzeit intensiv erforscht wird.

 

Anwendungsaussichten antiferromagnetischer Materialien

Das Wissen über Antiferromagnetismus ist hauptsächlich auf die Entwicklung der Neutronenstreuungstechnologie zurückzuführen, mit der wir die Anordnung der Spins in Materialien „sehen“ und so die Existenz von Antiferromagnetismus bestätigen können. Vielleicht hat der Nobelpreis für Physik die Forscher dazu inspiriert, sich auf antiferromagnetische Materialien zu konzentrieren, und der Wert des Antiferromagnetismus wurde nach und nach erforscht.

 

Antiferromagnetische Materialien sind weniger anfällig für Ionisierung und Magnetfeldinterferenzen und haben Eigenfrequenzen und Zustandsübergangsfrequenzen, die um mehrere Größenordnungen höher sind als typische ferromagnetische Materialien. Antiferromagnetische Ordnung in Halbleitern lässt sich leichter beobachten als ferromagnetische Ordnung. Diese Vorteile machen antiferromagnetische Materialien zu einem attraktiven Material für die Spintronik.

 

Die neue Generation magnetischer Direktzugriffsspeicher verwendet elektrische Methoden zum Schreiben und Lesen von Informationen auf Ferromagneten, was die Immunität von Ferromagneten verringern kann und einer stabilen Datenspeicherung nicht förderlich ist, und die Streufelder ferromagnetischer Materialien können ein erhebliches Hindernis für hochintegrierte Systeme darstellen Erinnerungen. Im Gegensatz dazu haben Antiferromagnete eine Nettomagnetisierung von Null, erzeugen keine Streufelder und sind unempfindlich gegenüber externen Feldern. Daher löst ein auf Antiferromagneten basierender Speicher das Problem des ferromagnetischen Speichers perfekt und wird zu einem sehr attraktiven potenziellen Speichermaterial.

 

 

Abbildung 2: Magnetischer Direktzugriffsspeicher (Bild aus dem Internet)

 

Beobachtung antiferromagnetischer Domänen

Die Untersuchung antiferromagnetischer Domänen ist untrennbar mit den Beobachtungstechniken verbunden. Die übliche Methode zur Beobachtung magnetischer Domänen ist die Magnetkraftmikroskopie (MFM), bei der mithilfe einer Magnetnadelspitze die magnetische Feldkraft auf der Probenoberfläche mithilfe von Techniken der Rasterkraftmikroskopie aufgezeichnet wird. Röntgenmikroskopie, die auf dem Prinzip basiert, dass die Absorptionsrate von Röntgenstrahlen das Magnetfeld der Probe widerspiegeln kann; und magnetooptische Kerr-Mikroskopie (Moke), die den magnetooptischen Kerr-Effekt zur Messung der Magnetisierungsverteilung nutzt. Obwohl die Techniken jeder Bildgebungsmethode bis zur Perfektion entwickelt wurden, reichen diese Mittel aufgrund des schwachen antiferromagnetischen Magnetismus hinsichtlich der Empfindlichkeit nicht aus, um eine Single-Spin-Detektion zu erreichen, und es ist schwierig, die magnetische Domänenstruktur von Antiferromagneten zu beobachten.

 

In den letzten Jahren hat eine spezielle Defektstruktur in Diamanten, das Nitrogen-Vacancy (NV)-Zentrum, die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen. Das NV-Zentrum-Rastersondenmikroskop integriert das NV-Zentrum in Diamant in die Spitze der AFM-Sonde und kombiniert die AFM-Rastertechnik, um die magnetischen Domänenergebnisse auf der Oberfläche der Probe zu erhalten, was den Vorteil einer hohen Empfindlichkeit (1 T/ Hz1/2), räumliche Auflösung (10 nm) und Nichtinvasivität. Auflösung (10 nm) und Nichtinvasivität.

 

Wismutferrit BiFeO3 (BFO) gehört zu einer Klasse multiferroischer Materialien mit Ferroelektrizität und Antiferromagnetismus, begleitet von schwachem Ferromagnetismus, und ist einer der aktuellen Hotspots in der Erforschung multiferroischer Materialien. Hochauflösende Neutronenbeugungsstudien haben gezeigt, dass BFO eine räumliche magnetische Struktur mit einer Periode von 64 nm aufweist. Im Jahr 2017 haben I. Gross et al. beobachteten die antiferromagnetische Sequenz in BFO-Filmen bei Raumtemperatur mit Hilfe der NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie und die experimentellen Ergebnisse beobachteten eine magnetische Spinpendelstruktur mit einer Periode von etwa 70 nm, wie in Abbildung 3 dargestellt.

 

Abbildung 3: Von I. Gross et al. beobachtete periodische magnetische BFO-Struktur. unter Verwendung der NV-Center-Rastersondenmikroskopie

(Bildquelle: I.Gross et al. Real-Space-Bildgebung nichtkollinearer antiferromagnetischer Ordnung mit einem Single-Spin-Magnetometer, Nature, 2017, 549:252)

 

Abbildung 4: Beobachtung antiferromagnetischer Strukturen und Skyrmionen mittels NV-Center-Rastersondenmikroskopie von F. Aurore et al.

(Bildquelle: F. Aurore et al. Abbildung nichtkollinearer antiferromagnetischer Texturen mittels Single-Spin-Relaxometrie, Nature communications, 2012, 12:767)

 

Darüber hinaus haben im Jahr 2021 F. Aurore et al. verwendeten in ähnlicher Weise die NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie, um magnetische Strukturen wie magnetische Domänenwände und Skyrmionen in synthetischen Antiferromagneten zu beobachten, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die Ergebnisse dieses Experiments legen nahe, dass die Technik der NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie auf andere Antiferromagnete ausgeweitet werden kann Dies bietet neue Möglichkeiten zur Untersuchung magnetischer lokaler Spinwellen.

 

 

Abbildung 5: Rastersondenmikroskopie-Untersuchung im NV-Zentrum der antiferromagnetischen CuMnAs-Domänen

( Bildquelle : MS Wörnle et al. Strominduzierte Fragmentierung antiferromagnetischer Domänen arXiv:2019, 1912.05287)

 

MS Wörnle untersuchte mithilfe der NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie die Wirkung von Stromimpulsen auf die strukturelle Konfiguration der antiferromagnetischen Domänen von CuMnAs und zeigte, dass große Widerstandsänderungen mit der durch das Schreiben von Stromimpulsen induzierten nanoskaligen Fragmentierung der magnetischen Domänen verbunden sind. Durch Abbildung der Stromdichteverteilung in CuMnAs-Mikrogeräten mit gekreuzten Geometrien wird außerdem gezeigt, dass die strominduzierten Änderungen in der magnetischen Domänenstruktur inhomogen sind.

 

 

Abbildung 6: NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie für antiferromagnetisches Cr2O3

(Bildquelle: WS Huxter et al. Rastergradiometrie mit einem Single-Spin-Quantenmagnetometer, arXiv:2202.09130v1)

 

Darüber hinaus ist Cr2O3 ein bereits früher beschriebenes multiferroisches Material, das bei Raumtemperatur antiferromagnetisch ist. Im Jahr 2022 haben WS Huxter et al. Gemessene Bilder statischer Magnetfeldverteilungen in der Größenordnung von Mikrotesla auf Atomstufen auf der Oberfläche von Cr2O3 unter Verwendung der Gradientenscantechnik der NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie.

 

Die Vorteile der NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie liegen in der hohen Empfindlichkeit eines einzelnen Spins (1uT/Hz1/2) und der nanoskaligen räumlichen Auflösung (10 nm). Darüber hinaus sind die Diamant-NV-Zentren sehr licht- und thermisch stabil sowie biofreundlich und ermöglichen eine quantitative und zerstörungsfreie magnetische Bildgebung. Es funktioniert auch unter einer Vielzahl von Bedingungen, insbesondere bei Raumtemperatur, und eignet sich gut als magnetisches Bildgebungsgerät für die Biowissenschaften.

 

CIQTEK hat ein kommerzielles NV-Zentrum-Rastersondenmikroskop,  das Quantum Diamond Atomic Force Microscope (NV-AFM oder QDAFM) , auf den Markt gebracht, das den Vorteil hat, dass es nicht invasiv ist und einen weiten Temperaturbereich und einen großen Magnetfeldmessbereich abdeckt. Es kann auf die zweidimensionale materielle magnetische Bildgebung, die Nanostrom-Bildgebung, die supraleitende Wirbel-Magnetbildgebung und die zellulare magnetische Bildgebung angewendet werden und verfügt über ein breites Anwendungsspektrum in der Quantenwissenschaft, Chemie und Materialwissenschaft sowie in der Biologie und Medizin Forschungsfelder.

 

 

Abbildung 7: CIQTEK Quantum Diamond Rasterkraftmikroskop (NV-AFM oder QDAFM)

( Die Umgebungsversion und die kryogene Version)