磁体探针台

原子层厚薄的范德瓦尔斯（vdW）磁性材料的发现使得在二维空间中对各种自旋系统中的磁性机制进行基础研究成为可能。由于具有易于制造和多种调控机制的优点，vdW磁体和它们的异质结构有望成为下一代的自旋电子器件候选材料。这种基础研究和技术兴趣的结合激发了人们对新型室温vdW磁体的探索和对已发现材料的磁性机制的研究。 科学家们已经通过多种探测技术在微米尺度对vdW磁体进行了密集研究，如磁光克尔效应显微镜，磁圆二向色性显微镜，反常霍尔效应等。尽管已有许多重要的结果，但这些方法由于存在激光衍射跟电尺寸限制，空间分辨率有限等问题，致使原子层厚薄vdW磁体的纳米尺度特征如磁畴和拓扑结构、自旋结构等大部分研究依旧未经探索。图1. 实验示意图。CrBr3双层膜杂散磁场是用金刚石探针中的单个NV色心探测的。实验在低温恒温器内进行，实验中温度5 K。 科学家已根据磁光致发光和微磁测量中的异常磁滞回线，预测了层状CrBr3中的磁畴，但在真实空间中尚未检测到磁畴结构及其演变。近期，德国斯图加特大学的科学家演示了在低震动无液氦磁体与恒温器内利用金刚石探针对单个NV色心进行了低温扫描磁测量（见图1实验示意图）。通过使用脉冲测量方案，商用金刚石探针获得佳磁场灵敏度约为0.3 μTHz-1/2，微波加热显著降低。该团队还利用该装置定量研究了少数几层CrBr3样品的磁化，并在真实空间中成像了CrBr3双层中的畴结构。研究人员也观察了磁畴的演化及磁畴壁缺陷位置的钉扎和反畴形核。图2.磁畴与饱和磁化强度。 a-b: 在沿着NV色心轴的2 mT外磁场下，CrBr3双层膜杂散磁场和的重建磁化强度图；c: 11 mT外磁场下的磁化强度图。所有图像的比例尺均为1 μm。d-e:图像b和图像c中磁化值的直方图。 杂散磁场可以通过对具有洛伦兹线型的光学探测磁共振曲线(optically detected magnetic resonance，简称ODMR)进行拟合得到。图2a显示了在零磁场下冷却后，在2 mT外磁场下CrBr3双层膜的典型杂散磁场图像，该杂散磁场图清晰地显示了具有明显正负值的磁畴。为了揭示更多细节，该团队还使用反向传播协议把杂散磁场图转为重建磁化强度图（见图2b）。图2b清楚地显示了磁畴结构，具有正电荷（负）值表示磁化方向平行（反平行）外磁场。通过增加外部磁场，样品可以化，图2c显示了在11 mT外部磁场下测得的磁化图像。饱和磁化强度可以通过图2d-e中的两个磁化图像的统计数据来计算，通过分析数据饱和磁化强度值分别为~26(−28）和~26μBnm−2，μB为玻尔磁子。 图3. 外加磁场变大时磁畴的演化。a-g: 沿NV色心轴分别施加2、2.5、3、3.5、4、5和6 mT外磁场下连续测量的磁化图像。图像g中的比例尺为1 μm。h-i: 图e和g中虚线框所示样品区域的磁化图像。j： 从图a–g磁化图像中提取的初始磁化曲线。 除了说明二维磁体的磁畴结构，基于NV色心的磁学成像测量可以使科学家能够更详细地研究这些系统中的磁化机制。多畴铁磁体通常通过反畴的形核及畴壁运动，反转其磁化方向。材料中的缺陷会改变磁畴壁的能量，从而影响磁畴壁的运动。图3a–g显示了样品在零磁场下退磁并冷却后，将磁场从2 mT增加到6 mT的情况下获得的磁化图像。从图中可以看到正（负）畴的面积随着磁场的增大而增大（缩小），随着畴壁向负畴移动。负畴在完全消失之前变得非常小，磁化图像图3g中显示了接近几十个纳米直径的磁化点。为了在机理上验证钉扎效应可主导矫顽力，作者提取了样品的初始磁化曲线（见图j）。当磁场2 mT时平均渗透率非常低，当磁场大于2 mT时，其显著增加（参见图3j中的蓝色条），这与钉扎效应的行为主导了初始磁化的结果一致。 另外，在其他不同层数的CrBr3样品中也观察到类似的磁畴结构和畴壁钉扎。通过测量三层CrBr3样品在不同激光功率下的畴结构和磁性，表明激光加热效应可以忽略不计。综上所述，利用低震动无液氦磁体与恒温器内低温NV色心探针，作者通过定量绘制杂散磁场图研究了CrBr3样品中的磁畴，测定了双层CrBr3的磁化强度并在实空间观察到了磁畴的演化。 低震动无液氦磁体与恒温器内NV色心技术的高空间分辨率使磁共振成像成为可能，并可定位钉住畴壁并使反向畴成核的缺陷位置。该工作突出了低温恒温器内NV色心技术是未来探索二维磁体中纳米尺度特征的一种定量探测手段。图4. attoDRY2200低震动无液氦磁体与恒温器，适用于低温NV色心研究 attoDRY2200低温恒温器以及可选显微镜主要技术特点：-温度范围：1.8K ..300 K-磁场范围：0...9T (取决于磁体, 可选12T，9T-3T矢量磁体等)-Z方向振动噪音：AFM噪音 (工作带宽=195Hz) 100pm-可选显微镜：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接触式与非接触式）, CFM-样品定位范围：5×5×4.8 mm3-扫描范围: 50×50 μm2@300 K, 30×30 μm2@4 K -商业化探针-可升 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能 参考文献：1. Qichao SUN, et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr3 revealed by nanoscale imaging，Nature Communications 12, 1989 (2021) .

GE医疗天津磁共振生产基地第1000台超导磁体下线 2020年5月22日，天津——今天，GE医疗宣布天津生产基地迎来千台超导磁体的正式下线。这是继2018年初标志性产量的超导磁体下线、2019年启动高端3T磁共振生产线后，天津生产基地在产能与产量上实现的又一里程碑式的跨越。随着此次千台超导磁体的下线，加之高端 3.0T 磁共振全系统生产线完成验收并投入使用，GE医疗天津工厂在国产制造方面得以更多样化的产品交付能力，更好地满足中国及全球市场的多元化需求。 GE医疗天津磁共振生产基地成立后，磁体产能就实现了年均70%以上的增幅（2014-2018），到2019年天津工厂成立5周年之际，磁体产能实现了5年翻十倍。截至目前，在短短不到一年的时间里，GE医疗天津磁共振生产基地的超导磁体年产能已超过预期计划，超导磁体出口从2018年启动，目前出口比例已超过10%，真正实现了立足中国本土、面向全球。 除磁体产能不断提升、并向更广阔的国际市场供货的同时，天津工厂制造的高端3.0T磁共振产品也迅速开始量产。目前，3.0T磁共振产量占GE全球总产量的比例持续上升。公开的第三方市场调研数据显示：2019年，中国超导磁共振市场规模约1500台，而GE医疗天津工厂交付的设备占据约15%的份额，成为目前中国最大的磁共振设备生产基地。 “天津工厂1000台磁体下线的背后，倾注着天津工厂每一位员工的心血，以及跨团队、跨部门的通力协作，更离不开天津市政府、滨海新区及海关等相关机构的大力支持。”GE医疗天津磁共振生产基地总经理陈一鹏表示，“生产高端磁共振，对制造企业的制造工艺、流程操作、质量监测等环节均有极为严格的要求。天津工厂从建成之处就开始布局高端磁共振生产，强大的技术实力和得天独厚的‘智造’理念，让挑战迎刃而解。2018年初，天津工厂搭建了3T磁共振系统集成测试屏蔽间，配备更为完整的液氦回收系统，同时引进了美国研发团队设计的3T系统柜的自动测试系统，超导磁体保温系统组装工装也是由国际领先的供应商专门为3T磁体定制；加上数百项磁体测试内容、百余项磁体测试内容、世界级的测试系统加流程、智能仿真使用场景、冷头装配视觉辅助系统等工具，不断打磨高精尖技术实力，加速智能制造升级，让今天的天津工厂在高端磁共振领域树立起GE医疗国产制造的一面旗帜。未来，GE医疗将秉持矢志耕耘中国医疗事业的初心和长期承诺，继续深入推进本土化战略的落地，为新基建和加速实现智造强国持续贡献一己之力。” 从2014年6月成立至今，GE医疗天津生产基地通过不断加速产品开发与量产、严格执行全球质量控制体系，取得并持续保持卓越质量体系认证的要求，秉承质量第一的理念，融合精益制造和6 sigma，强化质量意识，增强渠道资源和优化供应链，制造高质量的医疗影像诊断产品，已发展成为广受客户认可、也是GE医疗在美国本土以外唯一具有超导磁共振全产品线生产能力的工厂。当前，GE医疗天津工厂的产品线覆盖三大类、十几个产品，包括超导磁体、1.5T 系列产品及3.0T磁共振产品供货海外130多个国家和地区，磁体和磁共振系统的产能持续增长。 GE医疗天津磁共振生产基地正在以持续的技术创新和先进的智能制造理念，带动供应链上下游持续发展，助推高端医械制造强基，让中国制造的世界级品质享誉全世界。

导读：自2017年来，二维磁性在单层材料中的实现使得二维磁性材料受到了大的关注。范德瓦尔斯磁体让我们对二维限下的磁性有了更进一步的了解，不同磁结构的范德瓦尔斯磁体使得实验上探究二维下的磁学模型成为可能。例如，在单层CrI3中发现Ising铁磁，而XY模型的NiPS3在单层限下的磁性会被抑制。除了这些，有着变磁行为的范德瓦尔斯磁体更为有趣，比如在少层CrCl3中由于奇数层存在着未补偿磁矩，使得奇数层存在着spin-flop转变，而偶数层则没有。目前，现存的二维磁性材料非常稀少，这意味着新范德瓦尔斯磁体的发现，不仅仅有助于二维磁性的研究，更是为二维自旋电子学器件的应用提供了材料基础[1]。相比于传统的三维空间结构，二维层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力，能够人为操控其层间堆叠方式，进而有可能影响其磁耦合特性，为新型二维自旋器件的研制提供新思路。然而，堆叠方式与磁耦合间的关联机制仍不甚明晰，需要借助先进的扫描探针技术才能实现在原子层面的直接实验观测。美国RHK公司所提供的先进R9plus扫描探针显微镜控制器可以有效结合课题组自主研发的扫描探针设备，同时给予高效率的扫描控制，从而可以针对二维磁性材料应用领域展开更为深入的研究。本文重点介绍国内课题组灵活运用RHK公司扫描探针控制器，配合自主研发设计的扫描探针设备所开展的一系列国际前沿性二维材料领域的研究工作，其中各研究工作当前已在国际SCI核心学术期刊发表。科学成果的突破，离不开实验技术的不断攻坚克难。复旦大学物理学系教授高春雷、吴施伟团队通过团队自主研发搭建的扫描探针设备创造性地将原位化合物分子束外延生长技术和自旋化扫描隧道显微镜相结合，在原子层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）的层间堆叠和磁耦合间的关联，为二维磁性的调控指出了新的维度。相关研究成果以 《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）为题发表于《科学》（Science）主刊，其中复旦大学物理学系博士后陈维炯为作者[2]。图中所示为陈博士与RHK技术总监进行深入的技术探讨，现场摸索优化测试信号，并详细沟通具体的测量细节，为后续高效率提取高质量大数据做准备。 课题组运用自主研制的自旋化扫描隧道显微镜测量技术，结合RHK公司先进的扫描探针显微镜控制器对自主研发实验设备实现测量调控，团队进一步在原子分辨下获取了样品磁化方向的相对变化，从而实现了实验突破，揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联性。团队以CrBr3双层膜作为主要研究对象和潜在突破口。双层CrBr3间较弱的范德瓦尔斯力赋予层间发生相对转动和平移的“自由”，从而使堆叠方式多样化成为可能。确实，在实验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的转动堆叠结构（H型和R型），分别对应迥异的结构对称性。其中，R型堆叠结构中，双层膜上下两层间同向平行排列，且沿晶体镜面方向作一定平移；H型堆叠结构中，双层膜上下两层之间旋转了180度，反向平行交错排列。这两种结构均是在相应的体材料中从未发现过的全新堆叠结构。至此，团队率先在原子尺度阐明了CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联，为理解三卤化铬家族CrX3中不同成员的迥异磁耦合提供了指导。H型和R型堆叠的CrBr3双层膜自旋化扫描隧道显微镜测量 更多精彩案例： 《Nature》子刊：中国科大扭转双层石墨烯重要进展！ 范德瓦尔斯堆叠的双层石墨烯具有一系列新奇的电学性质（例如，电场可调控的能隙、随扭转转角变化的范霍夫奇点以及一维拓扑边界态等）。当双层石墨烯的扭转转角减小到一系列特定的值（魔角）时，体系的费米面附近出现平带，电子在能量空间高度局域，电子-电子相互作用显著增强，出现莫特缘体和反常超导量子物态。另一方面，这些新奇的性质与双层石墨烯体系的扭转角度有着严格的依赖关系，体系层间相互作用随着转角减小会逐渐增强，因此探寻和研究这种层间耦合对理解扭转双层石墨烯的电子结构和物理性质至关重要。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）物理系秦胜勇教授与武汉大学袁声军教授及其他国内外同行合作，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，次在双层转角石墨烯体系中发现了本征赝磁场存在的重要证据，结合大尺度理论计算指出该赝磁场来源于层间相互作用导致的非均匀晶格重构。相关研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”为题，于2020年发表于《自然通讯》（Nature Communications 2020,11,371）上[3]。图：小角度双层石墨烯中本征赝磁场的发现。对于转角为0.48度的双层石墨烯，在不加外磁场情况下，实验发现了贋朗道能（图b），理论计算进一步验证了这种贋磁场行为（图c），并估算出贋磁场值大约为6特斯拉（图e）。 该团队系统研究了小角度下（1°）双层石墨烯的电学性质，次证实了由晶格重构导致的本征赝磁场。先，研究人员发现体系中赝磁场导致了低能载流子的能量量子化，并计算出这种本征赝磁场在实空间的分布。研究发现赝磁场的分布并不是均匀的，而是以AA堆叠为中心呈涡旋状，且在AA堆叠边界区域达到大值；另外，该赝磁场的大小随着转角的减小而增大，其分布和大小受到外加应力的调控。该项研究证实，在小角度扭转双层石墨烯中晶格重构导致的赝磁场和强关联电子态存在着内在的关联，层间相互作用对体系的结构重构和性质变化有着非常重要的影响。这一现象可以推广到其他范德瓦尔斯堆叠的二维材料体系中。这项工作同时表明，具有本征赝磁场的小角度扭转双层石墨烯是实现量子反常霍尔效应的一个可能平台，为研究二维材料的性质和应用提供了新的思路。RHK公司提供的R9plus扫描探针显微镜强有力的为国内自主研发技术提供有力保障，除了在科研领域内重点关注的二维材料发挥重要作用以外，也对国内其它相关扫描探针设备研发领域课题组提供技术支持。中国科学技术大学陆轻铀教授团队与中国科学院强磁场科学中心、新加坡国立大学等单位合作，利用扫描探针控制器实现了高精度的磁力显微镜观察表征，报告了在超薄BaTiO3/SrRuO3 (BTO/SRO)双层异质结构中发现铁电体（FE）驱动的、高度可调谐的磁性斯格明子。在BTO中，FE驱动的离子位移可以穿过异质界面，并继续为多个单元进入SRO。这种所谓的FE邻近效应已经在不同的FE/金属氧化物异质界面中得到了预测和证实。在BTO/SRO异质结构中，这种效应可以诱导相当大的DMI，从而稳定强大的磁性物质。此外，通过利用BTO覆盖层的FE化，可以实现对斯格明子性质的局部、可逆和非易失性控制。这种铁电可调的斯格明子系统为设计具有高集成性和可寻址性的基于斯格明子的功能设备提供了一个潜在的方向。相关成果以题为“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”发表在了Nat. Mater.上[4]。B20S5样品中磁性斯格明子的磁力显微镜表征 除此之外该课题组也对二维过渡金属硫化物材料MoTe2温度依赖的表面STM图像、电子结构、晶格动力学和拓扑性质进行了研究。研究结果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe2 at low temperature为题，发表在美国物理学会杂志《物理评论B》上。该工作为二维过渡金属硫化物材料MX2的低温研究、实验制备和器件开发提供了直接的理论支持，其揭示的MoTe2低温下反常物性的内在物理机制对其它具有内在MX2八面体结构畸变的二维材料同样具有参考价值[5]。学术工作之外，该课题组在仪器设备研发方面也取得了优异的成果，课题组在国际上次研制成功混合磁体端条件下原子分辨扫描隧道显微镜（STM），相关研究成果发表在显微镜领域著名期刊Ultramicroscopy和著名仪器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作利用混合磁体搭配RHK公司扫描探针设备开展原子分辨成像研究，对于突破当前超强磁场下只能开展输运等宏观平均效果测量的瓶颈，进入到广阔的物性微观起源探索领域，具有标志性意义。同时，课题组又针对超强磁场下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室温大气环境下的分体式STM。该系统将一段螺纹密封式胶囊腔体通过一根长弹簧悬吊于混合磁体中心，并将STM核心镜体悬吊于胶囊腔体内用以减弱声音振动干扰。经测试，该STM在27.5特斯拉超强磁场下依然保持原子分辨。由于没有真空、低温环境的保护，搭建混合磁体超强磁场、超强振动和声音环境下的室温大气STM难度更大。此前，国际上还未曾报道过水冷磁体或混合磁体中的室温大气STM[6]。混合磁体STM系统：（a）混合磁体照片；（b）混合磁体STM系统简图；（c）STM镜体；（i-iv）分别为0T、21.3T、28.3T、30.1T磁场强度下石墨的原子分辨STM图像。 参考文献：1. Peng, Y., et al., A Quaternary van der Waals Ferromagnetic Semiconductor AgVP2Se6. Advanced Functional Materials, 2020. 30(34): p. 1910036.2. Chen, W., et al., Direct observation of van der Waals stacking-dependent interlayer magnetism. Science, 2019. 366(6468): p. 983-987.3. Shi, H., et al., Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 371.4. Wang, L., et al., Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures. Nat Mater, 2018. 17(12): p. 1087-1094.5. Ge, Y., et al., Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td?MoTe2 at low temperature. Physical Review B, 2020. 101(10).6. Meng, W., et al., 30 T scanning tunnelling microscope in a hybrid magnet with essentially non-metallic design. Ultramicroscopy, 2020. 212: p. 112975.