无液氦自旋极化扫描隧道显微镜和磁交换力显微镜
国际上通常使用自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)来研究金属和半导体的原子分辨的自旋，使用基于原子力显微镜(AFM)的磁交换力显微镜(MExFM)来研究绝缘体的原子分辨的自旋。AFM和STM的物理机理不同，无法集成到一起，因此对于复杂氧化物金属-绝缘体相变的自旋结构演化过程一直缺乏原子尺度的表征手段。另外一方面，这些设备均需要液氦来产生低温环境，由于液氦杜瓦容量有限，无法长时间进行大范围变温。为此，我们在基金委国家重大科研仪器研制项目(部委推荐)“电子自旋和自旋极化电流的时空演化成像系统”的支持下，搭建了极低温(1.4K)强磁场(9T)的无液氦自旋结构显微镜，基于石英音叉Qplus技术，在同一根磁性针尖上集成了SP-STM和MExFM功能，再结合无液氦制冷的大范围变温(1.4K~300K)和9T无液氦超导磁体，使得研究复杂氧化物金属-绝缘体相变的自旋结构演化过程成为可能。独创的5级隔振方案将脉管制冷机的10微米振动降低到只有0.7pm，跟世界上最好的液氦STM噪声一致。
参考文献：
H.M. Huang, M.M. Shuai, Y.L. Yang, R. Song, Y.H. Liao, L.F. Yin*, and J. Shen*, Cryogen free spin polarized scanning tunneling microscopy and magnetic exchange force microscopy with extremely low noise, Rev. Sci. Instrum. 93, 073703 (2022).
图1: 基于自旋极化石英音叉Qplus技术的自旋极化扫描隧道显微镜模式和磁交换力显微镜模式
图2: 无液氦自旋结构显微镜系统的示意图
图3: Fe/Ir(111)的纳米斯格明子
工业级大尺寸脉冲激光分子束外延
脉冲激光分子束外延把准分子激光和RHEED结合在一起，能对薄膜生长精确控制到单晶胞层。由于其独特的烧蚀机制，薄膜的晶体结构和化学配比能和靶材保持一致，从而成为生长复杂氧化物的首选方法。但是准分子激光聚焦后的光斑面积小于1mm2，产生的等离子体羽辉又具有高度定向性，只能制备5x5 mm2的均匀膜厚样品，国际上通常采用样品运动的方式制备大尺寸样品，但样品一旦运动就无法使用RHEED来检测膜厚，因此制备大尺寸超晶格样品是整个行业的难点。为此，我们在基金委国家重大科研仪器研制项目(部委推荐)“电子自旋和自旋极化电流的时空演化成像系统”的支持下，采用准分子激光振镜二维平面扫描和聚焦透镜一维补偿的3轴联动扫描方式实现了大尺寸脉冲激光分子束外延技术，最大尺寸可达2英寸。还发明了能在氧气氛围内加热到1000摄氏度的大尺寸红外激光加热技术和无磁靶台两轴联动扫描技术。
参考文献:
B.Y. Ye, T. Miao, Y. Zhu, H.M. Huang, Y.L. Yang, M.M. Shuai, Z.F. Zhu, H.W. Guo, W.B. Wang, Y.Y. Zhu*, L.F. Yin*, J. Shen*, Pulsed laser deposition of large-sized superlattice films with high uniformity, Rev. Sci. Instrum. 92, 113906 (2021).
图: 大尺寸脉冲激光分子束外延的示意图。
